電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)策略研究

貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 六盤水職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)系 顧 雄

貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 邱望標(biāo)

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)策略研究

貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 六盤水職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)系 顧 雄

貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 邱望標(biāo)

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)可以提供削峰填谷、調(diào)頻服務(wù)和備用服務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有積極意義。提出了大規(guī)模電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的總體研究思路。電動(dòng)汽車互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)依托信息流的雙向互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了車網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)策略；依托資金流的雙向互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了車網(wǎng)互動(dòng)的市場策略，通過合理調(diào)整電動(dòng)汽車充放電時(shí)間、充放電過程和充放量，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)能量流雙向互動(dòng)，最后展望了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的應(yīng)用前景。

電動(dòng)汽車；互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；削峰填谷；調(diào)頻服務(wù)；備用服務(wù)

引言

能源與環(huán)境是當(dāng)今全球最為關(guān)注的話題，能源危機(jī)及節(jié)能減排促成新能源產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)下最為熱門的新興產(chǎn)業(yè)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)作為新能源產(chǎn)業(yè)典型代表，越來越受到國家的高度重視。國家科技部編制的《電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》明確提出，電動(dòng)汽車是中國汽車未來發(fā)展的方向。2016年中國電動(dòng)汽車保有量接近100萬輛，預(yù)計(jì)2017年全年電動(dòng)汽車銷量將達(dá)到80-90萬輛，從而將電動(dòng)汽車保有量推高至180萬輛左右。隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的不斷增加，電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響逐步顯現(xiàn)。一方面電動(dòng)汽車作為大功率用電負(fù)荷，接入電網(wǎng)具有廣泛性和隨機(jī)性，對(duì)電網(wǎng)帶來極大的沖擊，給電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測、安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)；另一方面電動(dòng)汽車作為靈活分散的儲(chǔ)能設(shè)備，如果調(diào)控得當(dāng)，可以為電網(wǎng)提供緊急功率支撐，對(duì)平抑電網(wǎng)波動(dòng)和接納間歇式新能源具有積極意義。

在美國，福特汽車公司對(duì)六輛插電式電動(dòng)汽車進(jìn)行了與電網(wǎng)互動(dòng)的試驗(yàn)，研究了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的控制方法，特立華大學(xué)將一輛電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)并接受調(diào)度命令；在歐洲，丹麥可持續(xù)能源國家實(shí)驗(yàn)室對(duì)電動(dòng)汽車負(fù)荷管理和儲(chǔ)能進(jìn)行了一定的研究，目的是為提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在國內(nèi)，國家電網(wǎng)公司在上海世博會(huì)期間，對(duì)單臺(tái)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)進(jìn)行了演示。總的來說，國內(nèi)外對(duì)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)策略的研究總體處于起步和探索階段，僅在少數(shù)的幾輛車上進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，尚未開展大規(guī)模電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)方面的研究。

本文研究大規(guī)模電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)策略和市場策略[1-4]，通過合理調(diào)整電動(dòng)汽車充放電時(shí)間、充放電過程和充放量，引導(dǎo)電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)的削峰填谷，提供調(diào)頻和備用服務(wù)，發(fā)揮電動(dòng)汽車作為大功率用電負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備的雙重作用，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)能量流雙向有序互動(dòng)。

1.總體研究思想

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)可提供的服務(wù)內(nèi)容主要有消峰填谷、調(diào)頻服務(wù)和備用服務(wù)。

消峰填谷即根據(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)布實(shí)時(shí)電價(jià)，通過調(diào)整電價(jià)優(yōu)化電動(dòng)汽車充放電時(shí)間和過程，降低電網(wǎng)峰值負(fù)荷，平滑負(fù)荷曲線，提高設(shè)備利用率，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本；

調(diào)頻服務(wù)即通過調(diào)整或改變電動(dòng)汽車充放電狀態(tài)，向電網(wǎng)提供緊急功率支撐，減少電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻容量需求和支付的調(diào)頻費(fèi)用，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)，具備巨大的調(diào)頻服務(wù)潛力。

備用服務(wù)即在電網(wǎng)峰荷或故障時(shí)中斷和改變電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行特性調(diào)整充放電功率，減少電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)備用容量需求和支付的備用費(fèi)用。

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的服務(wù)內(nèi)容，需要選擇恰當(dāng)?shù)幕?dòng)策略。技術(shù)層面是依托信息流的雙向互動(dòng)，提供電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)策略；政策層面是依托資金流的雙向互動(dòng)，提供了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的市場策略，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)能量流之間的互動(dòng)。電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)如圖1。

圖1 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)示意圖

圖1中，電動(dòng)汽車互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的協(xié)調(diào)指揮中心，包括采集子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、運(yùn)行決策子系統(tǒng)、系統(tǒng)交互子系統(tǒng)及管理子系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)采集電動(dòng)汽車電池、充放電設(shè)施的相關(guān)信息，與關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)進(jìn)行交互，在線生成電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)策略。

依托信息流的雙向互動(dòng)，即互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過與電網(wǎng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)的信息交互，綜合電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和電動(dòng)汽車充放電信息，生成電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)策略。

依托資金流的雙向互動(dòng)，即互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過與營銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間雙向計(jì)量數(shù)據(jù)和計(jì)費(fèi)信息交互，綜合靈活的電價(jià)政策和激勵(lì)機(jī)制，生成電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)市場策略。

圖2 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)策略

最終能量流的雙向互動(dòng)，即互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過綜合電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)策略和市場策略，對(duì)智能充放電設(shè)施或智能車載終端的直接調(diào)度控制，調(diào)整電動(dòng)汽車充放電時(shí)間、充放電過程和充放量，使電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間能量流動(dòng)滿足電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的要求[5-8]。

2.車網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)策略研究

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)技術(shù)策略是根據(jù)不同的互動(dòng)服務(wù)內(nèi)容，選擇相應(yīng)的互動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略，如圖2。

以削峰填谷為目的的技術(shù)策略，采用基于負(fù)荷預(yù)測與成本分析的控制方法。該方法以綜合成本最低為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮次日負(fù)荷預(yù)測功率，次日不同峰谷水平的電網(wǎng)購電成本、用戶充放電支出成本以及用戶參與互動(dòng)的響應(yīng)程度。電動(dòng)汽車互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于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，向分散的交流充電樁、充電站和電池更換站發(fā)布，引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充放電。

Cc：次日電動(dòng)汽車充電價(jià)格；Cf：次日電動(dòng)汽車放電價(jià)格；Pn：次日負(fù)荷預(yù)測功率；Ft：次日電網(wǎng)購電成本；Fc：用戶充電支出成本；Ff：用戶放電支出成本；Ud：用戶參與互動(dòng)的響應(yīng)程度。

以提供備用服務(wù)為目的的技術(shù)策略，采用基于成本最優(yōu)的備用調(diào)用的控制方法。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，采用基于超短期功率預(yù)測，考慮與電網(wǎng)連接電動(dòng)汽車規(guī)模，以備用成本最小為目標(biāo)，互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)直接分配電動(dòng)汽車運(yùn)行備用功率（即充放電功率）大小；對(duì)于緊急備用，在事故情況下，以電網(wǎng)功率損失最小為目標(biāo)，互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)直接分配給電動(dòng)汽車的事故備用功率（即充放電功率）大小。

運(yùn)行備用：

緊急備用：

分配給電動(dòng)汽車的充放電功率：

Cn：備用成本；Ln：功率損失；Pi：分配給第i臺(tái)電動(dòng)汽車的充放電功率；Ps：電網(wǎng)超短期功率預(yù)測；Pb：總備用功率需求；N：參與電網(wǎng)互動(dòng)的電動(dòng)汽車總數(shù)預(yù)測；Ki：電動(dòng)汽車提供充放電功率系數(shù)，Ki≤ 1。

以提供調(diào)頻服務(wù)為目的的技術(shù)策略，采用基于博弈論的全局優(yōu)化的控制方法。互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)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)的過程，需要考慮在一段時(shí)間內(nèi)的全局優(yōu)化。

3.車網(wǎng)互動(dòng)市場策略研究

同樣，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)市場策略也是根據(jù)不同的互動(dòng)服務(wù)內(nèi)容，選擇相應(yīng)的互動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略，如圖3。

圖3 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的市場策略

以削峰填谷為目的的市場策略，采用基于實(shí)時(shí)電價(jià)的市場機(jī)制,該方法以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，考慮電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息、電動(dòng)汽車充放電能力，電池狀態(tài)以及充放電需求等，在線生成充放電實(shí)時(shí)電價(jià)。互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過與營銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的信息交互，生成充放電實(shí)時(shí)電價(jià)并負(fù)責(zé)向充放電設(shè)施發(fā)布，引導(dǎo)電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)削峰填谷。

以提供備用和調(diào)頻服務(wù)為目的的市場策略，首先需要分析電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的成本、電網(wǎng)公司能夠獲得的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)電網(wǎng)公司無法直接獲得的效益，考慮政府給予電動(dòng)汽車用戶和電網(wǎng)公司方面一定的財(cái)政補(bǔ)貼，以支持電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)；通過電網(wǎng)公司與電動(dòng)汽車互動(dòng)用戶簽訂雙邊合同的方式，特別是考慮建設(shè)電網(wǎng)公司與用戶集群間的合同，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，例如一年之內(nèi)電動(dòng)汽車車主對(duì)電網(wǎng)公司召喚充放電過程的響應(yīng)度等，如圖4所示。

圖4 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)市場策略

4.應(yīng)用前景分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前90%以上的乘用車輛平均每天行駛時(shí)間1h左右,95%的時(shí)間處于閑置狀態(tài)，并且76%的駕駛者日行駛里程在75km以內(nèi)，故乘用車具有行駛里程短、停駛時(shí)間長的特點(diǎn)，蘊(yùn)藏與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)的巨大潛力。

以提供調(diào)頻服務(wù)為例，2016年我國電動(dòng)汽車保有量接近100萬輛。按每輛車以5千瓦的功率每日向電網(wǎng)倒送10度電計(jì)算，每日可提供1000萬度的電力支撐。按照估算，區(qū)域內(nèi)1000輛電動(dòng)汽車同時(shí)參與調(diào)頻服務(wù)，其調(diào)頻效果與30MW發(fā)電機(jī)組相當(dāng)。

另外，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)可以大大提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電的接納能力。風(fēng)能和太陽能因其具不可預(yù)測性、波動(dòng)性和間歇性，目前所建風(fēng)力發(fā)電廠60%以上能量都因?yàn)椴粔蚍€(wěn)定而無法接入電網(wǎng)。應(yīng)用該技術(shù),可用電動(dòng)汽車電池來儲(chǔ)存風(fēng)力和太陽能發(fā)出的電能,再穩(wěn)定送入電網(wǎng)。

5.結(jié)語

本文圍繞電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)可提供的三個(gè)服務(wù)內(nèi)容——削峰填谷、備用服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)，介紹了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)策略和市場策略。

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)[9-10]的不斷推進(jìn)，電動(dòng)汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將逐步顯現(xiàn)，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)必將具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

[1]趙俊華,文福拴,薛禹勝,等．計(jì)及電動(dòng)汽車和風(fēng)電出力不確定性的隨機(jī)經(jīng)濟(jì)調(diào)度．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(20)：22-29．

[2]滕樂天,何維國,杜成剛,等．電動(dòng)汽車能源供給模式及其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營的影響． 華東電力,2009,37(10)：1675-1677．

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顧雄（1983—），男，助教，自動(dòng)化專業(yè)。