規(guī)模化電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的方案設(shè)想

許曉慧，陳麗娟 ，張 浩 ，丁孝華

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)進(jìn)行雙向互動(dòng)的技術(shù)（V2G）[1]是一種新型電網(wǎng)技術(shù)，體現(xiàn)的是能量雙向、實(shí)時(shí)、可控、高速地在車輛和電網(wǎng)之間流動(dòng)[2，3]，是“智能電網(wǎng)”的重要組成部分。充放電控制裝置既有與電網(wǎng)的交互，又有與車輛的交互，交互的內(nèi)容包括能量轉(zhuǎn)換、客戶需求信息、電網(wǎng)狀態(tài)、車輛信息、計(jì)量計(jì)費(fèi)信息等[4]。因此，V2G技術(shù)是融合了電力電子技術(shù)、通信技術(shù)、調(diào)度和計(jì)量技術(shù)、需求側(cè)管理等的高端綜合應(yīng)用。目前，美國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的研究處于領(lǐng)先狀態(tài)，大多數(shù)試點(diǎn)也都在美國(guó)實(shí)施[5，6]。2002年AC Propulsion對(duì)一輛Volkswagen Beetle進(jìn)行了改裝，使其可與電網(wǎng)進(jìn)行雙向能轉(zhuǎn)換，并安裝有無(wú)線通信裝置，可接受充放電命令。美國(guó)特拉華大學(xué)的Will lett Kempton教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在2007年10月，成功將一輛電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)并接受調(diào)度命令，車輛作為調(diào)峰發(fā)電設(shè)備，每車每年可為電力公司帶來(lái)4000美元的效益。此外，2007年底，美國(guó)福特汽車與美國(guó)Xcel Energy公司把互動(dòng)智能電網(wǎng)概念引入新能源汽車領(lǐng)域。

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的概念正從美國(guó)向全球展開，丹麥、荷蘭、英國(guó)和澳大利亞都正在進(jìn)行關(guān)于電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的研究工作。在丹麥，可持續(xù)能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)電動(dòng)汽車負(fù)荷管理和儲(chǔ)能進(jìn)行研究用以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；丹麥能源公司Dong Energy也正計(jì)劃一個(gè)多達(dá)100輛電動(dòng)汽車的示范工程；荷蘭Kema研究所正在開展"ITM"項(xiàng)目，主要對(duì)電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響和管理方法進(jìn)行研究；澳大利亞IIASA研究所也對(duì)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的應(yīng)用條件、對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展的促進(jìn)等進(jìn)行了研究。英國(guó)Warwick大學(xué)正在開展"V2GUK"項(xiàng)目，主要目的是研究電動(dòng)汽車對(duì)基礎(chǔ)供電設(shè)施的影響。我國(guó)在電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)方面也開展了多方面工作[7]。2010年上海世博園區(qū)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)館中進(jìn)行電動(dòng)汽車與電網(wǎng)雙向互動(dòng)的展示，演示時(shí)使用的車輛是上海汽車開發(fā)的榮威350EV版，該系統(tǒng)具有定時(shí)、定峰、削峰填谷等充放電策略，可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，完成不同模式下充放電功能。總體上國(guó)內(nèi)外研究處于起步和探索階段，實(shí)現(xiàn)的V2G技術(shù)只是示范工程，控制的車輛數(shù)目較少，并且局限在某一固定區(qū)域，其數(shù)據(jù)傳輸量少，控制參數(shù)較少，在規(guī)模化電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)協(xié)調(diào)控制等方面的研究尚有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

1 規(guī)模化V2G的互動(dòng)方式及目標(biāo)

1.1 互動(dòng)方式

目前，電動(dòng)汽車充電方式主要分為交流充（放）電樁、充（放）電站和電池更換站三種。其三種充電方式對(duì)應(yīng)的互動(dòng)方式如表1所示。

表1 規(guī)模化V2G互動(dòng)方式

1.2 互動(dòng)目標(biāo)

考慮到實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的難易程度，將互動(dòng)目標(biāo)由易至難劃分為三個(gè)層次。

（1）第一層次為削峰填谷。根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)信息、電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷信息，確定并發(fā)布分時(shí)電價(jià)；通過(guò)調(diào)整電價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷的調(diào)節(jié)，達(dá)到削峰填谷的目標(biāo)。

（2）第二層次為備用服務(wù)。電動(dòng)汽車以可中斷負(fù)荷的形式 （在電網(wǎng)峰荷或故障時(shí)中斷電動(dòng)汽車充電負(fù)荷）向電網(wǎng)提供備用服務(wù)，可起到提高電網(wǎng)可靠性的作用。

（3）第三層次為調(diào)頻服務(wù)。大規(guī)模電動(dòng)汽車具有可觀的儲(chǔ)能容量，且能夠快速改變充放電狀態(tài)，具有向電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)的巨大潛力。

三種互動(dòng)目標(biāo)的基本設(shè)計(jì)方案如表2所示。電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)可由低層次向高層次逐級(jí)實(shí)現(xiàn)。

表2 三種互動(dòng)目標(biāo)的基本設(shè)計(jì)方案

2 規(guī)模化V2G的控制策略

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)體現(xiàn)在能量和信息的雙向流動(dòng)。而控制策略是實(shí)現(xiàn)這種雙向流動(dòng)的核心。所謂控制策略是在充分采集電網(wǎng)和用戶數(shù)據(jù)，權(quán)衡多方利益的基礎(chǔ)上作出的決策性判斷。該判斷將對(duì)用戶的行為和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生直接的影響。在雙方作出決策時(shí)，需要有一個(gè)共同遵循的準(zhǔn)則，這就是市場(chǎng)機(jī)制。

2.1 市場(chǎng)機(jī)制

（1）電動(dòng)汽車提供削峰填谷服務(wù)的市場(chǎng)機(jī)制。采用基于分時(shí)電價(jià)的市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)電動(dòng)汽車的充放電狀態(tài)和過(guò)程，達(dá)到削峰填谷和平滑負(fù)荷曲線的目的。根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)信息、電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷信息，確定并發(fā)布分時(shí)電價(jià)，通過(guò)調(diào)節(jié)分時(shí)電價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷的調(diào)節(jié)。用戶根據(jù)分時(shí)電價(jià)、電池狀態(tài)以及自身需求，制定以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)的電池充放電策略。

（2）電動(dòng)汽車提供備用和調(diào)頻服務(wù)的市場(chǎng)機(jī)制。電動(dòng)汽車提供備用和調(diào)頻服務(wù)的市場(chǎng)機(jī)制研究方案如圖1所示。

首先分析電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的成本（主要是對(duì)電池壽命的影響）、電網(wǎng)公司能夠獲得的效益和社會(huì)效益。對(duì)電網(wǎng)公司無(wú)法直接獲得的效益（如可再生能源多發(fā)電、減排效益等），考慮政府給予電動(dòng)汽車用戶和電網(wǎng)公司一定的補(bǔ)貼，以支持電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)。這一市場(chǎng)機(jī)制需要研究電網(wǎng)公司與電動(dòng)汽車用戶簽訂雙邊合同的方式。電動(dòng)汽車用戶參與電網(wǎng)互動(dòng)可獲得一定的補(bǔ)償，但雙邊合同也會(huì)規(guī)定用戶應(yīng)盡的義務(wù)、相應(yīng)的考核和獎(jiǎng)懲措施等。

圖1 備用和調(diào)頻服務(wù)的市場(chǎng)機(jī)制示意圖

2.2 協(xié)調(diào)控制策略

對(duì)3輛電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)目標(biāo)擬采用的協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的控制策略

（1）以削峰填谷為目標(biāo)的控制策略。基于對(duì)次日的負(fù)荷預(yù)測(cè)，考慮發(fā)電成本、用戶充電成本和用戶響應(yīng)程度，以綜合成本最低為目標(biāo)，制訂合理的電動(dòng)汽車充放電價(jià)格并向充放電設(shè)施發(fā)布。

（2）提供備用服務(wù)的控制策略。電動(dòng)汽車提供備用服務(wù)的形式包括運(yùn)行備用和事故備用。對(duì)運(yùn)行備用，在保持電網(wǎng)可靠運(yùn)行的前提下，基于對(duì)與電網(wǎng)連接電動(dòng)汽車規(guī)模的預(yù)測(cè)，以備用成本最小為目標(biāo)，分配電動(dòng)汽車提供運(yùn)行備用的容量大小；對(duì)于緊急備用，在事故情況下，以損失最小為目標(biāo)，短時(shí)中斷電動(dòng)汽車的充放電狀態(tài)。

（3）提供調(diào)頻服務(wù)的控制策略。由電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的通信信息平臺(tái)，獲取電動(dòng)汽車與電網(wǎng)連接及電池的狀態(tài)，計(jì)算能夠參與調(diào)頻的電動(dòng)汽車電池容量；在分析系統(tǒng)負(fù)荷特性和頻率特性的基礎(chǔ)上，提出電動(dòng)汽車參與調(diào)頻的優(yōu)化控制方法。由于調(diào)頻服務(wù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，需要考慮在一段時(shí)間內(nèi)的全局優(yōu)化。另外，在調(diào)頻市場(chǎng)機(jī)制足夠吸引用戶的前提下，多輛電動(dòng)汽車參與調(diào)頻服務(wù)是一個(gè)多方博弈問(wèn)題，擬采用基于博弈理論的全局優(yōu)化策略。

3 規(guī)模化V2G的實(shí)現(xiàn)設(shè)想

互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化V2G的核心。它根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)信息以及電動(dòng)汽車的狀態(tài)和用戶需求信息進(jìn)行決策，制定優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略；根據(jù)電網(wǎng)信息和控制指令優(yōu)化電動(dòng)汽車的充放電過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)能量和信息的雙向互動(dòng)。根據(jù)前一部分所述控制策略，設(shè)計(jì)的互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)功能

（1）與電動(dòng)汽車、充放電設(shè)施及與電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)間的通信功能；可靠性的通信信息系統(tǒng)，保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與大量充放電設(shè)施的雙向通信。

（2）針對(duì)不同層次互動(dòng)內(nèi)容的優(yōu)化決策功能；互動(dòng)決策算法能在規(guī)定的時(shí)間根據(jù)充放電設(shè)施的連網(wǎng)狀態(tài)和電池狀態(tài)給出優(yōu)化決策指令；充電站與電網(wǎng)互動(dòng)實(shí)際上是雙層互動(dòng)，充電站內(nèi)的多臺(tái)充放電機(jī)和多個(gè)電池組由站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，這大大減輕了互動(dòng)協(xié)調(diào)控制決策模塊的計(jì)算量。

（3）不同層次互動(dòng)內(nèi)容的互動(dòng)效果和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估功能。

（4）電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)體、物理和數(shù)字仿真功能。

3.2 系統(tǒng)信息交互

（1）與電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的交互。系統(tǒng)通過(guò)開放接口，從電網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行系統(tǒng)獲取電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)，并獲取電力公司與電動(dòng)汽車的營(yíng)銷信息等。

（2）與配電網(wǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。為驗(yàn)證分析需要，建立電網(wǎng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。在不能與電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)相連的情況下，系統(tǒng)可調(diào)用電網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。

（3）與電動(dòng)汽車充放電模擬器的交互。在互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車和充放電設(shè)施的數(shù)量有限，為模擬大規(guī)模電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)，需開發(fā)專門的電動(dòng)汽車充放電模擬器。模擬器建立典型電動(dòng)汽車充放電的數(shù)學(xué)模型，接收發(fā)布的信息，模擬充放電過(guò)程并向系統(tǒng)反饋充放電狀態(tài)。在沒(méi)有大規(guī)模電動(dòng)汽車接網(wǎng)的條件下，由充放電模擬器進(jìn)行大規(guī)模電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的仿真模擬，可檢驗(yàn)互動(dòng)協(xié)調(diào)控制決策模塊的計(jì)算能力和互動(dòng)控制的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在所設(shè)計(jì)的市場(chǎng)機(jī)制以及協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上提出了規(guī)模化電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的方案設(shè)想。本文分析得出實(shí)現(xiàn)規(guī)模化V2G的核心是建設(shè)互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。因此，本文從功能以及與信息交互等方面提出了互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建設(shè)方案設(shè)想，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)提供了研究思路和基礎(chǔ)。

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