能源互聯(lián)網(wǎng)與電動汽車車電互聯(lián)

/廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院 徐凱琪 蘇偉 魏增福

北京聯(lián)合儲能咨詢服務(wù)有限公司 劉華靖 /

能源互聯(lián)網(wǎng)與電動汽車車電互聯(lián)

/廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院 徐凱琪 蘇偉 魏增福

北京聯(lián)合儲能咨詢服務(wù)有限公司 劉華靖 /

電動汽車既是一種交通工具，也是一種電力負荷，同時還是一種儲能設(shè)施，車載電池不論在車輛使用階段還是使用壽命結(jié)束之后都是一種十分有價值的儲能資源，其存儲的能量總量巨大，可以用來保障和優(yōu)化電網(wǎng)運行。受政府激勵政策的驅(qū)動，最近幾年我國乃至全球范圍內(nèi)電動汽車發(fā)展非常迅速，其數(shù)量的快速增長已經(jīng)奠定了一定的體量規(guī)模。能源互聯(lián)網(wǎng)將會在大規(guī)模電動汽車普及應(yīng)用的推動下迅速發(fā)展，掀起一場能源領(lǐng)域的深刻變革。

能源互聯(lián)網(wǎng)；電動汽車；儲能；車電互聯(lián)

一、引言

目前，互聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)不斷應(yīng)用到經(jīng)濟、社會的各個領(lǐng)域，二者與能源體系的融合，促使了“能源互聯(lián)網(wǎng)”這一新興概念的產(chǎn)生，能源互聯(lián)網(wǎng)是一種有可能改變現(xiàn)有的以傳統(tǒng)化石能源為基礎(chǔ)的發(fā)展模式，也是為解決傳統(tǒng)化石能源枯竭，全球環(huán)境污染，氣候變暖等問題，而建立的更加清潔、高效、安全與可持續(xù)的能源利用模式。

互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新活力、靈活快捷等特征引領(lǐng)了信息技術(shù)的發(fā)展，為全球經(jīng)濟社會生活帶來顛覆性革命。美國未來學(xué)家杰里米·里夫金在其著作《第三次工業(yè)革命》中，首次提出了能源互聯(lián)網(wǎng)（Energy Internet ）的概念，他認為能源互聯(lián)網(wǎng)是以可再生分布式能源與互聯(lián)網(wǎng)交互為核心，實現(xiàn)分布式發(fā)電、能源存儲和電動汽車大規(guī)模利用以及大眾普遍參與的公平交易網(wǎng)絡(luò)[1]。近年來，國內(nèi)外對能源互聯(lián)網(wǎng)的特征及關(guān)鍵技術(shù)裝備，基本概念及組織架構(gòu)等方面進行了廣泛研究，推動了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[2-5]。

電動汽車作為一種新的交通工具，也是一種分布式電力負載，同時也是一種儲能設(shè)施，不僅能夠響應(yīng)節(jié)能減排的政策要求，還可以降低對傳統(tǒng)化石能源依賴，是能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，直接關(guān)系著能源互聯(lián)網(wǎng)能否實現(xiàn)。能源互聯(lián)網(wǎng)是涵蓋了電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)和信息交換系統(tǒng)的新型能源利用模式，電動汽車將在能源互聯(lián)網(wǎng)中扮演重要參與者的角色[4]。作為我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，電動汽車的發(fā)展在近年來也得到了大力推動。

電動汽車參與能源互聯(lián)網(wǎng)活動主要通過車電互聯(lián)技術(shù)、需求響應(yīng)充電技術(shù)、有序充電管理等方式實現(xiàn)，本文主要關(guān)注車電互聯(lián)技術(shù)（V2G）在電動汽車儲能和能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用。

二、我國電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

國務(wù)院2012年出臺的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》提出，到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計銷量力爭達到50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達200萬輛，累計產(chǎn)銷量超過500萬輛，燃料電池汽車、車用氫能源產(chǎn)業(yè)與國際同步發(fā)展[6]。隨后，國家發(fā)改委、財政部、工信部以及各地方政府相繼出臺新能源汽車補貼、免征購置稅、充電設(shè)施及充電價格方面的優(yōu)惠政策[7-9]，形成了完善的戰(zhàn)略規(guī)劃、行業(yè)管理、推廣應(yīng)用、稅收優(yōu)惠、科技創(chuàng)新及基礎(chǔ)設(shè)施政策扶持體系，有力帶動了我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅速增長。

2015年全國電動汽車銷量達到33.1萬輛，其中純電動汽車24.8萬輛，插電式混合動力汽車8.3萬輛，接近2014年銷量的4倍，占全國汽車總銷量的1.32%。2015年全國新能源汽車保有量達到58.32萬輛，其中純電動汽車保有量33.2萬輛，相比2014年增長317%。2016年1～6月，全國純電動汽車銷量12.6萬輛，插電式混合動力汽車銷量4.4萬輛，同比分別增長162%和64%[10]。

電動汽車產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展迅速，給社會帶來了經(jīng)濟效益的增長，但同時也將給電力系統(tǒng)帶來諸多負面影響。

三、電動汽車車電互聯(lián)對電力系統(tǒng)的影響

（一）電動汽車接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

電動汽車在我國的大規(guī)模推廣應(yīng)用，快速增長的充電需求對電網(wǎng)高峰負荷帶來了明顯的沖擊，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有較大的影響。主要包括：①大量電動汽車充電給電網(wǎng)帶來負荷快速增長，而電動汽車集中在負荷高峰期充電，會進一步加大電網(wǎng)負荷峰谷差，使電力系統(tǒng)負擔加重；②電動汽車充電時間和行為具有較大的不確定性，使得電動汽車充電給電網(wǎng)帶來了大量隨機負荷，也加大了電網(wǎng)調(diào)度的難度；③電動汽車充電的非線性負荷，可能引起電能質(zhì)量問題；大量的電動汽車在集中時間段內(nèi)充電，帶來的較大充電功率會使配電網(wǎng)的電壓降低；④增加的眾多充電設(shè)施會使配電網(wǎng)得負荷結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生較大改變，傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃需要隨著改變[11，12]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，智能能源管理系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)實時的運行狀態(tài)，靈活調(diào)節(jié)電動汽車充電的負荷功率，最大程度地降低電動汽車大規(guī)模接入給電網(wǎng)帶來的負面影響[12]。此時大規(guī)模電動汽車的接入不僅能降低新建電力基礎(chǔ)設(shè)施的投入，還可以實現(xiàn)削峰填谷、輔助服務(wù)、可再生能源發(fā)電消納等價值，更有可能為電力系統(tǒng)和電動汽車用戶帶來一定的經(jīng)濟價值。

（二）國內(nèi)外對電動汽車接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響的研究

不論是純電動汽車（BEV）還是插電式混合動力汽車（PHEV），都是新型的電力需求響應(yīng)和分布式儲能資源。采取有序充電管理和車電互聯(lián)（V2G）的方式，將電動汽車視為一種電力需求響應(yīng)和分布式儲能資源，兩者都是能源互聯(lián)網(wǎng)中的參與者，都可以與電網(wǎng)進行交互聯(lián)系。國內(nèi)外對電動汽車接入電網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的影響進行了諸多研究：

1）電動汽車充電負荷對電力系統(tǒng)的影響。目前電動汽車發(fā)展仍處于初期，針對電動汽車用戶的數(shù)據(jù)收集較為有限，國內(nèi)外學(xué)者的研究多是通過建模仿真分析電動汽車充電電量和負荷特性。目前研究主要基于電動汽車數(shù)量規(guī)模的預(yù)測或假設(shè)，分析電動汽車充電對電網(wǎng)負荷[13]、電網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度[14]、電能質(zhì)量、配電設(shè)備等方面的影響[15]。

2）電動汽車儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。電動汽車大規(guī)模集中式充電會提升電網(wǎng)負荷，而電動汽車有序充電將幫助電網(wǎng)平抑高峰負荷，提高系統(tǒng)運行效率、降低系統(tǒng)容量投資成本及提高系統(tǒng)運行靈活性等[16，17]。此外，電動汽車的動力電池還可作為分布式儲能單元，通過向電網(wǎng)或其他用戶反向饋電，進一步提高電動汽車在系統(tǒng)中的應(yīng)用價值[18]。目前的研究主要包括電動汽車有序充電控制和車電互聯(lián)技術(shù)（V2G）。

3）電動汽車充放電成本效益研究。目前這方面研究集中在電動汽車參與電力市場輔助服務(wù)和需求響應(yīng)的經(jīng)濟分析[19，20]。

四、能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電動汽車車電互聯(lián)應(yīng)用及存在的問題

（一）電動汽車車電互聯(lián)技術(shù)概述

電動汽車與電網(wǎng)通訊技術(shù)及標準逐漸完善，電力雙向互動技術(shù)日漸成熟，電動汽車未來可作為一種分布式儲能設(shè)施參與電力系統(tǒng)運行。電動汽車V2G是一種車輛與電網(wǎng)之間的雙向電力互動，體現(xiàn)了能量雙向、實時、可控、高效地在車輛和電網(wǎng)之間流動，智能充電控制裝置是實現(xiàn)雙向交互的紐帶。V2G技術(shù)融合了電力電子技術(shù)、通信技術(shù)、調(diào)度計量技術(shù)、需求側(cè)管理技術(shù)等，是一種高端綜合應(yīng)用技術(shù)。

在能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)支持下，電動汽車要實現(xiàn)V2G應(yīng)用，需要通過在電網(wǎng)和車輛之間安裝雙向智能充電器和DC/ AC雙向逆變器完成，既可以為電動汽車電池充電，又能夠接收調(diào)度指令向電網(wǎng)回饋電能，達到雙向能量流和資金流的連接。V2G技術(shù)的結(jié)構(gòu)框架包括電網(wǎng)層、本地監(jiān)控層、智能充放電裝置層和車輛層等四個層面。

（二）電動汽車車電互聯(lián)應(yīng)用的實現(xiàn)方法

電網(wǎng)和電動汽車用戶是V2G的兩大參與方，決定著V2G技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)該在電網(wǎng)和電動汽車用戶的角度分別對V2G應(yīng)用進行技術(shù)開發(fā)和機制研究。

（1）從電網(wǎng)角度對V2G進行智能調(diào)度

從電網(wǎng)的角度對電動汽車的儲能容量進行規(guī)劃，實質(zhì)上是對各個V2G單元以及電網(wǎng)其他發(fā)電單元進行電力調(diào)度。電網(wǎng)需要根據(jù)自身發(fā)電機組負荷狀況、V2G單元實時容量等信息，事先計算出對各個V2G單元的需求，并給出合理的電價[21]。主要有兩種問題解決方式，一是電網(wǎng)直接對接入的每臺電動汽車和其他發(fā)電單元進行直接統(tǒng)一的調(diào)度，采用智能算法控制每臺電動汽車的V2G活動[22]。二是在電網(wǎng)與電動汽車群之間建立中間運營商（Aggregator），其將一定區(qū)域內(nèi)接入電網(wǎng)的電動汽車集中管理，服從電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度[23]。

（2）從電動汽車用戶角度對V2G進行智能充放電管理

電動汽車V2G智能充放電管理實際上是中間集成運營商根據(jù)電動汽車的充電需求對能量進行合理供應(yīng)，同時根據(jù)電網(wǎng)需求將電動汽車能量及信息反饋給電網(wǎng)。主要有集中式V2G管理機制和自治式V2G管理機制。集中式與自治式V2G管理機制之間的區(qū)別是需要在系統(tǒng)最優(yōu)化和車輛靈活性之間做出權(quán)衡。具體采用何種方式需要在綜合考慮當?shù)仉娋W(wǎng)特點、V2G應(yīng)用領(lǐng)域（例如調(diào)頻或者調(diào)峰）、車主駕駛特點等因素后做出判斷，目前尚沒有一個統(tǒng)一的策略。

（三）電動汽車車電互聯(lián)的應(yīng)用

1）電動汽車車電互聯(lián)參與調(diào)峰

隨著電動汽車的普及，能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，可以通過技術(shù)手段和經(jīng)濟手段的干預(yù)，對電動汽車充電行為進行有序管理，在電網(wǎng)系統(tǒng)負荷高峰放電、低谷充電，達到削峰填谷的作用，不僅可以保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行還能提高電網(wǎng)運行的安全性；充電設(shè)施通常分布在用電負荷較為集中的區(qū)域，充放電行為從配電網(wǎng)末端分散接入電網(wǎng)，可以直接快捷的參與供給負荷，與遠距離調(diào)峰電廠相比，其網(wǎng)損較小，能源利用率較高[12]。

2）電動汽車車電互聯(lián)參與調(diào)頻

電動汽車作為分布式儲能裝置，可以為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)。在現(xiàn)有技術(shù)支持下，電動汽車雙向充放電可在毫秒內(nèi)完成，相比傳統(tǒng)調(diào)頻速度，電動汽車參與調(diào)頻的響應(yīng)速度更快。美國Delaware大學(xué)的研究人員在綜合考慮電動汽車車載電池的功率容量、使用壽命、可轉(zhuǎn)移電量、設(shè)備成本、車主的駕駛習(xí)慣、電力服務(wù)價格等因素后認為，淺充淺放對車載電池的影響最小，電動汽車適合參與周期短、響應(yīng)速度快的電力服務(wù)。由于調(diào)頻過程中電池充放電量是最少的，因此V2G技術(shù)最適合應(yīng)用于調(diào)頻服務(wù)[24]。

（四）能源互聯(lián)網(wǎng)下電動汽車車電互聯(lián)發(fā)展面臨的問題

雖然電動汽車作為新型儲能設(shè)施相比傳統(tǒng)儲能資源具有較大優(yōu)勢，但是也面臨著諸多問題，這些問題也制約著其商業(yè)化發(fā)展。主要問題涉及動力電池成本、電池管理技術(shù)、經(jīng)濟性、商業(yè)模式、管理策略等方面。

從技術(shù)層面來看，只有將大量電動汽車聚集聯(lián)系在一起，同時參與電網(wǎng)服務(wù)，才能將V2G資源利用最大化。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)和智能調(diào)度將大量電動汽車聯(lián)系在一起，在能源互聯(lián)網(wǎng)大的系統(tǒng)下，電動汽車V2G技術(shù)才能發(fā)揮其參與調(diào)峰調(diào)頻等電力服務(wù)的潛力。智能充放電管理技術(shù)和電池管理技術(shù)等方面，都是需要技術(shù)突破的關(guān)鍵領(lǐng)域[25]。

從商業(yè)模式來看，現(xiàn)有的電力政策無法對電動汽車車主參與V2G提供足夠的激勵和刺激，如何既不影響車輛使用又能提高車輛參與V2G的收益和積極性，還需要通過政策手段和市場參與機制加以解決。

從市場交易來看，傳統(tǒng)交易是電能從發(fā)電側(cè)到用電側(cè)單向流動，資金流也是從用戶側(cè)到電網(wǎng)公司再到發(fā)電側(cè)的單向流動；V2G參與電網(wǎng)服務(wù)之后，電能和資金流在用戶側(cè)和發(fā)電側(cè)之間雙向流動。電網(wǎng)公司需要制定相關(guān)電力反購的政策和價格，來影響電動汽車的充放電行為，使電動汽車在滿足個人出行的前提下，由經(jīng)濟性的驅(qū)使自愿為電網(wǎng)提供服務(wù)[12]。

從經(jīng)濟性看，V2G應(yīng)用的經(jīng)濟性與動力電池的循環(huán)壽命有很大關(guān)系，目前動力電池容量保持率衰減至80%就不再適合繼續(xù)用作電動汽車電源，在這之前大約可行駛15萬公里，只能滿足用戶的出行需求，并沒有V2G發(fā)揮作用的余地。但是隨著動力電池容量和壽命的提高，V2G參與電力服務(wù)的潛力將提升，當電池累計可提供的續(xù)航里程大于電動汽車車主需求的出行里程數(shù)，電動汽車可以幾乎無成本提供V2G服務(wù)，大幅提升動力電池的綜合利用價值[12]。電動汽車動力電池的成本問題也是影響V2G經(jīng)濟性的重要方面，只能通過技術(shù)攻關(guān)來降低成本并提升性能。

綜上，雖然電動汽車V2G有一些優(yōu)勢，但是目前動力電池技術(shù)和電動汽車V2G市場依然不成熟，許多問題亟待解決。隨著電池技術(shù)、電動汽車技術(shù)、智能管理技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，電動汽車儲能與電網(wǎng)之間的聯(lián)系將越來越緊密，其將帶來可觀的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

四、結(jié)束語

本文主要從電動汽車儲能對電力系統(tǒng)的影響和電動汽車V2G技術(shù)的角度介紹了電動汽車儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)大背景下的發(fā)展。包括電動汽車儲能接入電網(wǎng)的國內(nèi)外研究、V2G技術(shù)的應(yīng)用和問題等方面。目前，已開展的V2G示范項目所采用的管理策略大多只適用于V2G運行的某一方面，尚無法建立起統(tǒng)一的策略和模式。對于電動汽車電池性能、用戶行為的影響關(guān)注較少。未來需要建立起集成化、高效率、低成本、一致性的技術(shù)平臺和設(shè)計標準，電動汽車儲能才能在不同車型、不同電網(wǎng)系統(tǒng)、不同應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)全面推廣。

作為能源互聯(lián)網(wǎng)中的參與者，電動汽車儲能和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是相輔相成的。電動汽車儲能作為一種新興的、有潛力的儲能資源，在參與電網(wǎng)服務(wù)和推動能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的作用將越來越明顯；能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展也將帶動電動汽車儲能的發(fā)展。

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