規模化電動汽車與電網互動的方案設想

許曉慧，陳麗娟 ，張 浩 ，丁孝華

(1.國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003；2.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

電動汽車與電網進行雙向互動的技術（V2G）[1]是一種新型電網技術，體現的是能量雙向、實時、可控、高速地在車輛和電網之間流動[2，3]，是“智能電網”的重要組成部分。充放電控制裝置既有與電網的交互，又有與車輛的交互，交互的內容包括能量轉換、客戶需求信息、電網狀態、車輛信息、計量計費信息等[4]。因此，V2G技術是融合了電力電子技術、通信技術、調度和計量技術、需求側管理等的高端綜合應用。目前，美國對電動汽車與電網的研究處于領先狀態，大多數試點也都在美國實施[5，6]。2002年AC Propulsion對一輛Volkswagen Beetle進行了改裝，使其可與電網進行雙向能轉換，并安裝有無線通信裝置，可接受充放電命令。美國特拉華大學的Will lett Kempton教授領導的團隊，在2007年10月，成功將一輛電動汽車接入電網并接受調度命令，車輛作為調峰發電設備，每車每年可為電力公司帶來4000美元的效益。此外，2007年底，美國福特汽車與美國Xcel Energy公司把互動智能電網概念引入新能源汽車領域。

電動汽車與電網的概念正從美國向全球展開，丹麥、荷蘭、英國和澳大利亞都正在進行關于電動汽車與電網的研究工作。在丹麥，可持續能源國家實驗室正在對電動汽車負荷管理和儲能進行研究用以提高電網的穩定性；丹麥能源公司Dong Energy也正計劃一個多達100輛電動汽車的示范工程；荷蘭Kema研究所正在開展"ITM"項目，主要對電動汽車對電網的影響和管理方法進行研究；澳大利亞IIASA研究所也對電動汽車與電網的應用條件、對電動汽車發展的促進等進行了研究。英國Warwick大學正在開展"V2GUK"項目，主要目的是研究電動汽車對基礎供電設施的影響。我國在電動汽車與電網互動方面也開展了多方面工作[7]。2010年上海世博園區國家電網企業館中進行電動汽車與電網雙向互動的展示，演示時使用的車輛是上海汽車開發的榮威350EV版，該系統具有定時、定峰、削峰填谷等充放電策略，可根據電網調度指令，完成不同模式下充放電功能?？傮w上國內外研究處于起步和探索階段，實現的V2G技術只是示范工程，控制的車輛數目較少，并且局限在某一固定區域，其數據傳輸量少，控制參數較少，在規模化電動汽車與電網的互動協調控制等方面的研究尚有待進一步加強。

1 規模化V2G的互動方式及目標

1.1 互動方式

目前，電動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。其三種充電方式對應的互動方式如表1所示。

表1 規?；疺2G互動方式

1.2 互動目標

考慮到實現電動汽車與電網互動的難易程度，將互動目標由易至難劃分為三個層次。

（1）第一層次為削峰填谷。根據電網狀態信息、電動汽車充放電負荷信息，確定并發布分時電價；通過調整電價實現對電動汽車充放電負荷的調節，達到削峰填谷的目標。

（2）第二層次為備用服務。電動汽車以可中斷負荷的形式 （在電網峰荷或故障時中斷電動汽車充電負荷）向電網提供備用服務，可起到提高電網可靠性的作用。

（3）第三層次為調頻服務。大規模電動汽車具有可觀的儲能容量，且能夠快速改變充放電狀態，具有向電網提供調頻服務的巨大潛力。

三種互動目標的基本設計方案如表2所示。電動汽車與電網互動可由低層次向高層次逐級實現。

表2 三種互動目標的基本設計方案

2 規?；疺2G的控制策略

電動汽車與電網互動體現在能量和信息的雙向流動。而控制策略是實現這種雙向流動的核心。所謂控制策略是在充分采集電網和用戶數據，權衡多方利益的基礎上作出的決策性判斷。該判斷將對用戶的行為和電網的運行狀態產生直接的影響。在雙方作出決策時，需要有一個共同遵循的準則，這就是市場機制。

2.1 市場機制

（1）電動汽車提供削峰填谷服務的市場機制。采用基于分時電價的市場機制引導電動汽車的充放電狀態和過程，達到削峰填谷和平滑負荷曲線的目的。根據電網狀態信息、電動汽車充放電負荷信息，確定并發布分時電價，通過調節分時電價實現對電動汽車充放電負荷的調節。用戶根據分時電價、電池狀態以及自身需求，制定以經濟效益最大化為目標的電池充放電策略。

（2）電動汽車提供備用和調頻服務的市場機制。電動汽車提供備用和調頻服務的市場機制研究方案如圖1所示。

首先分析電動汽車參與電網互動的成本（主要是對電池壽命的影響）、電網公司能夠獲得的效益和社會效益。對電網公司無法直接獲得的效益（如可再生能源多發電、減排效益等），考慮政府給予電動汽車用戶和電網公司一定的補貼，以支持電動汽車與電網的互動。這一市場機制需要研究電網公司與電動汽車用戶簽訂雙邊合同的方式。電動汽車用戶參與電網互動可獲得一定的補償，但雙邊合同也會規定用戶應盡的義務、相應的考核和獎懲措施等。

圖1 備用和調頻服務的市場機制示意圖

2.2 協調控制策略

對3輛電動汽車與電網互動目標擬采用的協調控制策略如圖2所示。

圖2 電動汽車與電網互動的控制策略

（1）以削峰填谷為目標的控制策略?；趯Υ稳盏呢摵深A測，考慮發電成本、用戶充電成本和用戶響應程度，以綜合成本最低為目標，制訂合理的電動汽車充放電價格并向充放電設施發布。

（2）提供備用服務的控制策略。電動汽車提供備用服務的形式包括運行備用和事故備用。對運行備用，在保持電網可靠運行的前提下，基于對與電網連接電動汽車規模的預測，以備用成本最小為目標，分配電動汽車提供運行備用的容量大?。粚τ诰o急備用，在事故情況下，以損失最小為目標，短時中斷電動汽車的充放電狀態。

（3）提供調頻服務的控制策略。由電動汽車與電網互動的通信信息平臺，獲取電動汽車與電網連接及電池的狀態，計算能夠參與調頻的電動汽車電池容量；在分析系統負荷特性和頻率特性的基礎上，提出電動汽車參與調頻的優化控制方法。由于調頻服務是一個動態的過程，需要考慮在一段時間內的全局優化。另外，在調頻市場機制足夠吸引用戶的前提下，多輛電動汽車參與調頻服務是一個多方博弈問題，擬采用基于博弈理論的全局優化策略。

3 規?；疺2G的實現設想

互動協調控制系統是實現規模化V2G的核心。它根據電網的實時信息以及電動汽車的狀態和用戶需求信息進行決策，制定優化的協調控制策略；根據電網信息和控制指令優化電動汽車的充放電過程，從而實現電動汽車與電網能量和信息的雙向互動。根據前一部分所述控制策略，設計的互動協調控制系統的整體架構如圖3所示。

圖3 協調控制系統整體架構圖

3.1 系統功能

（1）與電動汽車、充放電設施及與電網相關系統間的通信功能；可靠性的通信信息系統，保證協調控制系統與大量充放電設施的雙向通信。

（2）針對不同層次互動內容的優化決策功能；互動決策算法能在規定的時間根據充放電設施的連網狀態和電池狀態給出優化決策指令；充電站與電網互動實際上是雙層互動，充電站內的多臺充放電機和多個電池組由站內監控系統實現協調控制，這大大減輕了互動協調控制決策模塊的計算量。

（3）不同層次互動內容的互動效果和經濟效益評估功能。

（4）電動汽車與電網互動的實體、物理和數字仿真功能。

3.2 系統信息交互

（1）與電網調度和運營系統的交互。系統通過開放接口，從電網的調度和運行系統獲取電網運行的實際數據，并獲取電力公司與電動汽車的營銷信息等。

（2）與配電網歷史運行數據庫的交互。為驗證分析需要，建立電網運行的歷史數據庫。在不能與電網實時信息系統相連的情況下，系統可調用電網的歷史數據進行仿真分析。

（3）與電動汽車充放電模擬器的交互。在互動協調控制系統中，電動汽車和充放電設施的數量有限，為模擬大規模電動汽車與電網的互動，需開發專門的電動汽車充放電模擬器。模擬器建立典型電動汽車充放電的數學模型，接收發布的信息，模擬充放電過程并向系統反饋充放電狀態。在沒有大規模電動汽車接網的條件下，由充放電模擬器進行大規模電動汽車與電網互動的仿真模擬，可檢驗互動協調控制決策模塊的計算能力和互動控制的效果。

4 結束語

本文在所設計的市場機制以及協調控制策略的基礎上提出了規模化電動汽車與電網互動的方案設想。本文分析得出實現規?；疺2G的核心是建設互動協調控制系統。因此，本文從功能以及與信息交互等方面提出了互動協調控制系統建設方案設想，為未來實現規模化電動汽車與電網互動提供了研究思路和基礎。

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