電動汽車V2G關鍵技術研究綜述

萬雄　彭憶強　鄧鵬毅　楊麗蓉　毛攀

摘 要：V2G（Vehicle-to-grid）技術能夠優化能源效率，參與電網調度，促進電網的安全性、穩定性、可靠性和經濟性。文章首先闡述了V2G的概念，其次從電動汽車儲能應用研究、電動汽車可調度容量研究和電動汽車移動儲能對于配網影響及其協同控制研究等三個方面，綜述了國內外V2G技術的研究狀況。最后介紹了國內外部分有關V2G的示范應用，并對V2G關鍵技術的國內外研究狀況進行了總結。關鍵詞：電動汽車;V2G（Vehicle-to-grid）;電網;關鍵技術中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-09-04

Abstract： V2G （Vehicle-to-grid） technology can optimize energy efficiency， participate in power grid dispatching， and promote the security， stability， reliability and economy of power grid. Firstly， the concept of V2G is introduced. Secondly， the research status of V2G technology at home and abroad is summarized from three aspects： the application research of energy storage of electric vehicles， the research of dispatchable capacity of electric vehicles and the impact of mobile energy storage of electric vehicles on distribution network and its collaborative control. Finally， some demonstration applications of V2G at home and abroad are introduced， and the research status of key technologies of V2G at home and abroad is summarized.Keywords： Electric vehicle; V2G（Vehicle-to-grid）; Power grid; Key technologiesCLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-09-04

前言

隨著我國電動汽車保有量的快速增加，大規模的電動汽車隨機地接入電網充電，會造成電網負荷急劇增加，加大電網的用電波動，嚴重影響電力系統的穩定性。因此需要深入挖掘電動汽車的移動儲能特性，并結合V2G關鍵技術，最終實現電動汽車的有序充放電。

1 V2G概念

V2G（Vehicle-to-grid）即為車到電網，它的核心思想在于電動汽車和電網的互動，利用V2G技術可以實現電動汽車和電網之間的雙向通信和雙向能量流，能夠有效管理電動汽車的充放電過程，最小化電動汽車負荷對電網的沖擊，同時充分利用電動汽車電池資源增加電網能量管理靈活性和穩定性^[1]。在V2G模式（如圖1所示）下，電動汽車具有負荷和儲能雙重屬性，電動汽車在接入電網充電時相當于電網的負荷;相反，電動汽車可將自身電量輸出到電網，此時電動汽車則作為電網的儲能單元。

2 V2G關鍵技術國內外研究狀況

2.1 電動汽車儲能應用研究

在國外，Kempton 等學者首先對電動汽車的潛在儲能特性進行了研究，研究發現通過對電動汽車充放電過程的有序控制，即讓電動汽車在電網系統低負荷時充電、高負荷時放電，能夠提高電網系統調峰的經濟性^[2]。此外，Saber等人分析了在停車場內控制電動汽車充放電對發電成本的影響^[3]。 Bessa分析了電動汽車參與電網輔助服務，如調頻、應急備用等的成本和收益^[4]。在消納風能等波動性較大的清潔能源方面，Lunda等研究了V2G技術對提高風能發電接入電網能力的作用^[5]。在考慮電動汽車用戶使用具有隨機性的前提下，Dallinger 等研究了電動汽車的儲能特性，最終證明了電動汽車V2G技術能夠在保證電池壽命不被損傷條件下，發揮可靠的儲能作用^[6]。

國內對于電動汽車儲能的研究起步較晚，但隨著國內電動汽車產業的快速發展，電動汽車移動儲能方面的研究也取得了大量突出的成就。清華大學、北京交通大學、浙江大學、東南大學等研究機構的一些團隊對于電動汽車移動儲能研究取得了一些成果。清華大學胡澤春教授等提出了一種基于電動汽車使用和停放特性并考慮時空分布的充電負荷預測方法^[7]，利用了停車生成率模型和蒙特卡洛仿真對電動汽車移動負荷進行建模和仿真。東南大學黃學良教授團隊植根于三級CS選擇模型和CS能量控制算法（CSECA），提出了一種基于計費預約和計費樁裝訂服務的高效計費服務系統，能夠加快電動汽車的平均充電速度，提高充電站新能源的平均即時利用率^[8]。北京交通大學姜久春教授等在電動汽車移動儲能的研究方面具有豐富的經驗，他們提出了綜合考慮電網約束、電池約束和車主使用需求的電動汽車移動儲能系統模型^[9]，在模型的基礎上，還對電動汽車參與電網調頻等輔助服務進行了研究，分析了電動汽車V2G技術在電網調頻服務上的優勢，提出了電動汽車輔助電網調頻服務的系統架構和運行原理^[10]。

2.2 電動汽車可調度容量研究

當電網處于高負荷運行狀態時，需要電動汽車參與調頻、調峰等輔助服務，則需要電動汽車能夠提供滿足電網需求的可調度容量。對此，Kempton教授率先展開了在該方面的研究，他提出了決定電動汽車可調度能力的幾個要素，首先是線路的容量輸送能力，其次是電動汽車中存儲的能量，最后是電動汽車逆變器的額定最大功率。但是這僅僅是從技術條件進行了分析，忽略了電動汽車用戶的駕駛、出行等特性。文獻^[11]基于一輛電動汽車的可調度能力特性，結合大數據分析得到了電動汽車群體的可調度能力。

此外，國內也進行了相關研究，文獻^[12]綜合分析了電動汽車用戶的出行特性和充電特性，計算出了電動汽車充電調度時間和充電功率的可行域。文獻^[13]根據電動汽車的充電特性，建立了電動汽車SOC隨時間變化的使用模型，最終計算出電動汽車在一天中的可用容量。

2.3 電動汽車移動儲能對于配網影響及其協同控制研究

在含電動汽車移動儲能對于配網影響及其協同控制研究層面，文獻^[14]對德國和瑞典的電動汽車調頻服務進行了分析，研究得出在德國電動汽車通過參與輔助服務每車每月可獲得30～80歐元的收益，但是在瑞典則不能取得收益。文獻^[15]研究了英國電動汽車在多場景下進行車網互動的效果。文獻^[16，17]提出了微網下電動汽車通過V2G技參與電力系統調頻服務的控制策略。文獻^[18]提出了一種利用插電式混合動力汽車（PHEV）、工作循環協調控制的可控熱家用電器和分散式熱電聯產機組對二次調頻（負載頻率控制）信號進行跟蹤的方法。控制動作在參與單元上的分布由聚合器執行，聚合器利用允許包含單元和網格約束的模型預測控制策略。除個別動態行為外，還考慮了機組在白天的不同可用性。文獻^[19]提出了一種新的附加負載頻率控制（LFC）方法。在風電與光伏發電高度集成的電力系統模型上進行了數值模擬，驗證了該方法的有效性。使電動汽車荷電狀態（State of Charge，SOC）被控制在85%±5%范圍內。

在國內相關研究中，文獻^[20]根據電動汽車的移動儲能特性，提出微電網下電動汽車作為儲能應用的工程化配置方案，進而降低微電網的運行成本。文獻^[21]在同時滿足電池、電網和車主約束的基礎上提出了電動汽車作為分布式儲能的控制策略，不僅能夠提高電動汽車儲能運用的可調度性，還能減少電動汽車充放電的切換次數，進而防止電動汽車電池的過度衰減。文獻^[22]基于電動汽車的出行特性、電池狀態和用戶參與意愿等，提出了大規模電動汽車有序充電策略。文獻^[23]在風光儲一體的系統中，提出了動態電價調整策略，將電動汽車最大化地參與到微電網的調度，最后對比分析了電動汽車無序充電和有序充放電情況下微電網的等效負荷以及儲能運行情況。文獻^[24]建立了 電動汽車參與電網調頻輔助服務的模型，研究了該模型對車網互動服務的控制作用和效果。文獻^[25]提出了基于線性矩陣不等式并且具有一定魯棒性的電動汽車參與負荷頻率混合控制方法。文獻^[26]提出了計及電動汽車靜態頻率特性的負荷頻率控制方法，通過仿真計算表明，電動汽車參與電網調頻響應速度更快，經濟性更高。

3 國內外V2G示范應用

2016年日產公司首次在英國安裝了8臺V2G充電樁，供內部員工使用。除此之外，日產公司的電力設備供應商Enel公司也于2016年年初啟動了V2G試點項目，在英國境內供投放了100臺V2G充電樁。2018年，英國政府繼續支持啟動了21個V2G試點，最多支持75%的項目研發經費。

2014年美國西南研究院（SWRI）開始推廣V2G集中管理控制系統，以此來管理大規模的電動汽車的充放電，當電網頻率遠低于正常工作頻率時，可以通過該系統延遲汽車充電時間。同年，在美國國防部和加州能源委員會的支持下，洛杉磯空軍基地也開展了V2G的示范項目，首次將V2G技術應用到軍事領域。

日本已經將電動汽車V2X技術作為促進電動汽車推廣和普及的關鍵策略之一。如V2H（Vehicle-to-Home）技術，即利用蓄電池中存儲的電力為住宅供電，以及V2G技術（Vehicle-to-grid），即將電動汽車接入電網，參與削峰填谷及消納再生能源等輔助服務。日本三大新能源車企，日產、三菱、豐田目前均在研發可實現V2G的系統，并有少量的試點應用。2018年5月，在日本經濟貿易產業省（METI）提供補貼支持下，豐田通商聯合中部電力公司啟動了豐田愛知縣的V2G示范項目。

目前，我國已經在北京、蘇州等城市開展了V2G的試點研究。2017年，國網江蘇電力公司開展相關科研項目，在蘇州工業園區內建成60臺交直流充放電樁，可以通過即插即用裝置與控制中心進行認證和互動，獲得電網調度曲線和負荷曲線，提高用戶參與到車網互動的意愿。2018年，國網江蘇電力公司在蘇州同里建設綜合能源服務中心，建成帶有虛擬同步機功能的V2G充電樁。

4 結論

基于V2G技術使電動汽車與電網互動能夠合理分配電網負荷，用戶也可從參與電網調度服務中獲得相應的收益，降低了電動汽車整個生命周期的使用成本，V2G技術的使用將有利于電動汽車的推廣和普及。

國內外已對電動汽車作為儲能參與到配電網的互動問題展開了研究。而對電動汽車移動儲能特性研究較少，處于起始階段，因此建立電動汽車移動儲能特性模型，提取電動汽車儲能特性與駕駛行為、SOC、充電行為的相關性，提出了電動汽車作為電網移動儲能服務的可用容量評估方法，是研究電動汽車V2G技術的基礎，對后續削峰填谷、調頻調壓的推進具有重要意義。

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