電動汽車與電網互動協調運行技術探討

張蓓蓓,孫廣明

（國網電力科學研究院，江蘇南京210061）

電動汽車與電網互動協調運行技術探討

張蓓蓓,孫廣明

（國網電力科學研究院，江蘇南京210061）

大力發展電動汽車產業，是減少我國對石油資源依賴的有效途徑，是破解國家能源安全難題的重要方案，是緩解生態環境惡化、全球氣候變化，實現節能減排的重要手段、是人類經濟社會可持續發展的重要保障。根據《國家“十二五”科學和技術發展規劃》的目標，到2015年電動汽車保有量達100萬輛，這預示著電動汽車將可能成為未來電網中數量最多的新型電力負荷。電動汽車較傳統電力負荷的本質區別在于，一方面充電接入時間和空間位置上具有高度的不確定性，這對電網安全穩定運行及輸配電網的建設提出了新的挑戰。如果兩者協調不好，將會對電網造成“峰上加峰”，增大電網調峰難度，加大電網建設壓力，降低電網運行效率。另一方面據2001年美國交通部對全美家用車輛的調查（NHTS）結果顯示每輛車平均有94.35%的時間處于停駛狀態，如何利用乘用車的這一運行特點，結合電動汽車特有的分布式儲能單元的特性，在電池技術日趨成熟的條件下，靈活轉變電動汽車負荷/電源的角色，在用電高峰期向電網放電，在用電低谷期充電，縮小電力峰谷負荷差，使電網負荷趨于平衡，保證電網安全穩定運行，提高電網利用率，減少發電、輸電、配電建設投資，是建設信息化、數字化、自動化及互動化為特征的自主創新、國際領先的堅強智能電網的重要發展方向之一[1]。

本文從國內外電動汽車與電網互動技術發展現狀出發，圍繞電動汽車與電網互動方式，闡述互動的主要技術，分析在目前情況下，大力發展互動技術所面臨的問題，最后通過該技術將帶來的社會經濟效益，進一步論證研究該技術的重要意義。

1 國內外發展現狀

歐美等發達國家在電動汽車與電網互動協調運行技術（下文簡稱“互動技術”）研究方面取得了一定成果。美國AC Propulsion公司最早進行了電動汽車與電網互動的實踐，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量轉換，其中“aggregator”作為第三方機構，通過向電網提供頻率調節服務獲得收益，收取一定費用后，再將收益回饋給電動汽車用戶。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，提出實現電動車與電網的控制系統，對六輛Ford Escape插入式混合動力進行了電動汽車與電網試驗。美國特立華大學的Will Lett Kempton教授領導的團隊，在2007年10月，成功將一輛AC Propulsion“ebox”電動汽車接入電網并接受調度命令，據計算每車每年可為電力公司帶來4000美元的效益[2]。美國Nuvve公司，通過研究、推廣互動技術，并與丹麥政府合作，力求讓電動汽車不僅成為環保先鋒，同時能為車主帶來更多經濟效益，如今，丹麥成為該技術在歐洲進行商業化推廣的第一站，將于今年9月開始試點該項目；荷蘭Kema研究所正在開展“ITM”項目，主要研究電動汽車對電網的影響和管理方法；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大學正在開展一個名為“V2GUK”的項目，主要目的是研究電動汽車對基礎供電設施的影響。

我國在互動技術方面也處于起步階段，國內的一些研究團隊開展了互動技術的先期研究，目前在“風車互補”、電動汽車和智能交通系統（ITS）的信息交互等方面取得了初步研究成果。2010年上海世博園區國家電網企業館中完成單臺電動汽車與電網雙向互動的展示，演示時使用的車輛是上汽集團的純電動汽車榮威350EV版，實現電動汽車與電網之間的能量雙向可控流動，展示了電動汽車作為分布式儲能單元的應用潛力。

2 電網互動協調運行技術分析

實現電動汽車與電網互動協調運行是一個系統性工程，需要根據不同的充電設施建設模式，確定互動方式及互動內容；需要建立統一的電網與電動汽車及充放電設施通信平臺、研制互動設備；需要制定適宜的協調控制策略；更為基礎的是要建立相應的互動激勵措施，否則電動汽車與電網互動只能停留在技術層面。

2.1 互動的方式

電動汽車與電網提供的互動包括能量互動以及信息互動如圖1所示。

一方面電動汽車充電負荷具有可調節特性，在滿足車輛行駛需求的前提下，可以合理引導或調整其充電行為，停駛時作為分布式儲能單元，在特定條件下向電網放電，實現與電網雙向能量流動。

另一方面將建立電動汽車、用戶、電網的信息交互平臺。主要內容包括從電網調度和營銷系統中獲取電網運行的實時數據，分時電價信息；從電動汽車充放電站監控系統或智能終端獲取電動汽車充放電需求信息等。通過快速及時地發布電動汽車與電網目前狀態，收集并處理各種反饋信息，最終實現雙向互動的智能用電方式。

目前充電設施建設模式主要分為分散交流充電樁，充電站以及電池更換站。分散交流充電樁主要針對乘用車輛等，可通過智能車載終端與互動控制中心進行信息交互，由智能充放電機執行充放電命令；充電站可以通過站內監控系統與互動控制中心進行信息交互，由監控系統控制站內充放電機工作狀態；電池更換站與充電站互動方式類似。

圖1 電動汽車與電網互動方式Fig.1 Interaction between electric vehicle with power systems

2.2 互動的內容

一方面根據電網當前的狀態信息，結合電動汽車充放電需求，依據峰谷分時電價，各自調整電動汽車充放電業務的狀態及持續時間，實現削峰填谷的互動目的；另一方面可利用電動汽車用戶的快速響應性，將電動汽車作為可中斷負荷，當電網出現高峰負荷、緊急事故、價格尖峰情況下，通過中斷或繼續充放電狀態，等效給電網增加備用容量，以提高電能質量，電動汽車用戶也可從中斷供電后得到賠償，同時能從中斷負荷后在不高于原價基礎上，享受更好的服務；大規模電動汽車的應用，帶來了可觀的儲能容量，根據電動汽車用戶的用電靈活性，能夠快速改變充放電狀態，用于儲能和控制負荷，提供電網調頻調壓服務，圖2所示為電動汽車與電網互動內容。

圖2 電動汽車與電網互動內容Fig.2 Interactive content between electric vehicle with power systems

2.3 互動的設備

根據互動方式及互動內容，采用先進的電力自動化控制技術、通信技術，分布式能源接入及并網技術研究成果等，研制實現電動汽車與電網能量及信息交互的技術裝備。

研究與電動汽車儲能單元配合使用的充放電機，以高效率轉換、充放電曲線優化為目標，實現與電網的高效能量互動。

對于統一管理的充放電站，需要研制站內的后臺監控系統[3]，對于分散布點的私家車，需要研制智能車載終端，及時收集反饋充放電需求信息，對電動汽車與電網的互動過程進行實時監控，接收和執行來自互動控制中心的指令，同時又能根據本地情況作出優化決策；

需要研制互動控制中心，通過綜合考慮電動汽車側的需求信息和電網側的能量信息，根據充放電策略選擇充放電車輛和充放電功率，并下發控制指令。對不同充放電方式的監視、協調控制和統一管理，實現互動的控制策略的算法，圖3為電動汽車與電網互動關鍵設備研究示意圖。

圖3 電動汽車與電網互動關鍵設備研究示意圖Fig.3 Diagram of key equipment about interactivity between electric vehicle with power systems

2.4 互動的激勵措施

互動技術的實現依賴于電動汽車用戶的主動參與，而用戶參與的動力在于節約用車成本，以獲取最大的經濟效益。因此針對不同的互動內容，可能需要不同的市場激勵的方式，來吸引電動汽車用戶主動參與電網互動，同時又要符合電網和社會效益。

采用峰谷分時電價的市場機制，從經濟上激勵用戶在用車不受影響的前提下，選擇電價較低的時段充電，達到削峰填谷和平滑負荷曲線的目標；另外由于負荷側輔助服務市場不可控因素較多，需要在加強需求側管理的同時與配套政策相結合，根據用電可靠性等級，制定合理的電力市場輔助服務價格，激勵電動汽車用戶為電網提供備用和調頻服務的積極性。

2.5 互動的控制策略

在需求側管理、需求側響應等理論和技術不斷發展的基礎上，結合電網現狀、電池信息、車輛需求、發展規劃等，通過理論分析、仿真計算、結果分析等手段，以提高電力系統的運行效率和穩定性、用戶、電網經濟效益最大化為目標，按照不同的互動內容，制定最優的充放電控制策略。

從發電側發電成本、供電側運營成本以及用戶充電成本出發，以綜合成本最低為目標，參考峰谷峰時電價設計的優化模型[4]，制定合理的充放電價格，并通過互動控制中心實時發布，實現削峰填谷目標的控制策略。

根據電動汽車用戶行駛習慣和電池狀態，在保證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，以備用成本為目標，采用合作博弈成本分攤理論，依據Shapley值分攤法，來公平分配電動汽車提供運行備用的容量[5-6]。式（1）中，i代表參與備用容量分攤的某個交易；Xi表示分攤給交易i的備用容量；S指包含交易i的聯盟，|S|指聯盟S中的交易個數；n為參與備用容量分攤的交易總個數；R（S）為所需容量函數，R（S-{i}）代表除去交易i條件下所需的備用容量函數。

對于事故備用，根據中斷負荷的總損失計算公式，以損失最小為目標，考慮中斷或繼續充放電狀態[7]，圖4所示為負荷損失模型。

圖4 負荷損失模型Fig.4Cost of load loss

式（2）中，L0代表中斷代價；h為斜率；事故i所中斷的負荷量P0，i處于（P0，i,j，P0，i,j+1）范圍，波及了前j級負荷，第j級被切負荷P0，i—P0，i,j。

3 全面推廣所面臨的問題

互動技術的發展，將為電力市場、電動汽車市場帶來巨大商機，但全面推廣該項目技術還需要解決一系列的問題如。

1）電動汽車成本問題：如何利用現有的儲能單元，在兼容互動技術功能的同時，不增加額外的成本負擔。

2）電池壽命問題：作為分布式儲能單元，電動汽車需要經常切換充放電狀態，為電網提供備用服務，因此需要突破鋰離子動力與儲能電池[8-9]關鍵技術難點，研究出高容量、高功率、長壽命、安全性能優越成本低的動力電池，以適應頻繁切換充放電狀態的需要。

3）安全問題：電動汽車作為民用產品，隨著互動技術的應用，將承擔著電源/負荷的雙重角色，所面對的電力輸入輸出對象將各不相同，因此需要配備完善的充放電控制措施，以降低事故風險率；

4）標準問題：電動汽車廠商、電力公司、動力電池廠商之間的通訊協議以及充電接口的相關標準，必須統一，以規范充放電市場。如充電插頭標準、電動汽車與電網通信標準、電池標準等等。

5）商業模式及政策法規的導向，對提高用戶和汽車企業的參與積極性具有重要意義[10-11]。

4 經濟及社會效益分析

在社會效益方面，隨著電動汽車與電網互動協調運行技術的研究與推廣，一方面通過谷電利用，降低峰谷差，減少電網在支持大規模電動汽車應用上的建設改造投資；另一方面通過電動汽車提供的削峰填谷和輔助服務，提高電網安全穩定性和運行效率，促進風能、太陽能等間歇性可再生能源的開發利用，實現電網、電動汽車用戶、汽車企業三方共贏，促進電動汽車節能減排作用，實現我國經濟社會全面、協調、可持續發展的要求。

在經濟效益方面，按每輛電動汽車的充電對系統負荷峰值降低5kW，電池的使用壽命按6a計算（以火電成本每千瓦負荷所需的建設投資6000元、使用壽命50a計算），則每輛電動汽車可減少電網投資3600元。另外，電動汽車參與輔助服務，可減小電網的運行成本，美國特立華大學的研究表明，每車每年參與調頻服務可為電力公司帶來4000美元（約27000元）的效益。按國家規劃，至2015年我國的電動汽車規模將達到100萬輛。按每輛車以5kW的功率每日向電網倒送20kW·h電計算，這些電動汽車的放電功率可達500萬kW，每日可提供2000萬kW·h的電力支撐。電動汽車與電網互動可節約36億的電源與電網投資成本，每年的調頻效益可達270億元。因此大規模電動汽車與電網互動，可產生顯著的經濟和社會效益。

5 結語

在完善的互動激勵政策鼓勵下，在電動汽車動力電池技術性能不斷提升的基礎上，實現互動技術，一方面電動汽車根據電網的實時狀態及電價信息，在互動控制中心統一的調配下，實現最優的充電模式，提高配電網的利用率，有效地緩解因電動汽車大規模發展而帶來的用電壓力；另一方面利用電動汽車負荷/電源一體化的特性，通過智能控制，使電動汽車儲能單元與充放電機結合，根據預先設定的條件觸發邏輯或電網實時狀態，轉換其負荷/電源角色，為電網提供削峰填谷、運行備用、事故備用、調頻調壓等輔助服務，對電網安全、穩定、可靠、經濟運行具有重要意義。

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Operation Technology of Interactivity and Coordination between Electric Vehicles and Power Systems

ZHANG Bei-bei，SUN Guang-ming
（State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210061,Jiangsu Province,China）

Thispaperreviewsrecentresearch on the operation technology of interactivity and on the coordination between electric vehicles and power systems,and elaborates the technology of interactivity and coordination in the following five aspects:interaction model,interaction content,interaction technology and equipment development,control strategies,and interaction incentives.Analysis is also conducted on the social and economic benefits the interaction between electric vehicles and power systems and on the problems existing in the interaction and coordination which should be addressed urgently.

electric vehicle；smart grid；power peak load shifting；reserve ancillary services

介紹了國內外電動汽車與電網互動協調運行技術的研究現狀，分別從電動汽車與電網互動方式、互動內容、互動技術裝備、控制策略以及互動激勵措施等5個方面對互動協調運行技術進行了全面闡述。分析了電動汽車與電網互動協調運行技術所帶來的社會經濟效益，并對推廣電動汽車與電網互動協調運行技術亟需解決的問題進行了探討。

電動汽車；智能電網；削峰填谷；備用輔助服務

Supported by the NationalHigh Technology Research and Development Program of China（2011AA11A249）。

1674-3814（2011）11-0057-05

TM73

A

國家高技術研究發展計劃（2011AA11A249）資助項目。

2011-08-25。

張蓓蓓（1983—）女，助理工程師，研究方向：電力系統及其自動化；

孫廣明（1979—）男，碩士，工程師，研究方向：電力系統及其自動化。

（編輯 徐花榮）