V2G技術(shù)與電動(dòng)汽車充電策略研究

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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

電動(dòng)汽車是21世紀(jì)能源領(lǐng)域最重要的研究方向之一。大量電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)荷，并且電動(dòng)汽車的充電時(shí)間有很強(qiáng)的不確定性，這將加大電力網(wǎng)絡(luò)的控制難度，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響[1]。

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)(Vehicle-to-Girid,V2G)技術(shù)可以解決上述問(wèn)題。V2G是指電能在電網(wǎng)和電動(dòng)汽車間雙向流動(dòng)，其核心概念是使用大量電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能來(lái)平抑新能源并網(wǎng)引起的劇烈波動(dòng)。

然而電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)必須接受一定的管理，否則在系統(tǒng)處于高峰負(fù)荷時(shí)段，大量電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[2]。而從車主的角度看，使用電動(dòng)汽車要在滿足車主可以使用汽車進(jìn)行日常活動(dòng)的前提下為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)。因此，V2G技術(shù)需要結(jié)合協(xié)調(diào)充放電策略實(shí)施才能既不影響汽車的正常使用，又發(fā)揮電動(dòng)汽車的緩沖作用。V2G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能源在電網(wǎng)與電動(dòng)汽車之間實(shí)時(shí)控制、高速流動(dòng)。

本文首先綜述了V2G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式。其次介紹了V2G技術(shù)的主要功能。為了使電力系統(tǒng)能夠接納越來(lái)越多的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，還需要考慮電動(dòng)汽車充電的調(diào)度問(wèn)題。因此，本文最后分析了各種電動(dòng)汽車充電策略。

2 V2G技術(shù)的實(shí)施

V2G技術(shù)能夠使電動(dòng)汽車直接向分布式電網(wǎng)發(fā)送潮流，從而實(shí)現(xiàn)電力的分布式存儲(chǔ)。

實(shí)施V2G技術(shù)需要兩種網(wǎng)絡(luò)連接：

(1)電力網(wǎng)絡(luò)。電力網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的電力交換，即實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的充放電。

(2)通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)送邏輯控制信號(hào)，這使得電動(dòng)汽車能夠向電網(wǎng)發(fā)送充放電信號(hào)，同時(shí)也可以接受到來(lái)自電網(wǎng)的反饋控制信號(hào)[3]。

帶有V2G技術(shù)的電動(dòng)汽車既是負(fù)荷又是分布式儲(chǔ)能設(shè)備[4]。當(dāng)分布式網(wǎng)絡(luò)處于高峰負(fù)荷時(shí)段，電動(dòng)汽車可以接入網(wǎng)絡(luò)向其傳送潮流，從而增加了系統(tǒng)的可靠度。

由于電動(dòng)汽車的多樣性、不同的用途、不同的電力供給模式以及充電站不同的控制策略[5]，實(shí)現(xiàn)V2G有不同的方法。下面分別闡述三種主要的方法。

2.1 集中式V2G

集中式V2G是在某一區(qū)域基于電網(wǎng)的需求來(lái)安排電動(dòng)汽車充電，這種方法使用特定的管理策略來(lái)控制電動(dòng)汽車的充放電。

由電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)分配的負(fù)荷需求PD是V2G調(diào)峰的基礎(chǔ)，每個(gè)電動(dòng)汽車電池的荷電狀態(tài)(State of Charge,SOCs)作為評(píng)估可容納功率范圍的指標(biāo)。V2G優(yōu)化電力配置使電動(dòng)汽車工作在合適的放電狀態(tài)，其目標(biāo)函數(shù)表示如下：

(1)

式中,Pi是每個(gè)電動(dòng)汽車的進(jìn)給功率；N是參與V2G的電動(dòng)汽車數(shù)量。基于調(diào)峰反饋的SOC最優(yōu)功率策略可以提高電池饋電電流的能效，這可以減少電池?fù)p耗，盡可能延長(zhǎng)電動(dòng)汽車電池的壽命。

填充負(fù)荷低谷可以近似的表示為V2G充電站額定功率與接入充電站的電動(dòng)汽車額定功率之間差值的最小化函數(shù)，如式(2)所示：

(2)

調(diào)控電動(dòng)汽車充電的一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)為最小化負(fù)荷波動(dòng)，可以表示如下：

(3)

式中，LD為時(shí)間間隔T內(nèi)的平均負(fù)荷；Lm,t是時(shí)刻T節(jié)點(diǎn)m的負(fù)荷。一些約束條件如系統(tǒng)網(wǎng)損、節(jié)點(diǎn)電壓、負(fù)荷及電流運(yùn)算可以用來(lái)校準(zhǔn)負(fù)荷分布。

2.2 基于微網(wǎng)的V2G

微網(wǎng)通常包含電動(dòng)汽車、風(fēng)電、微型渦輪機(jī)以及其他新能源電源。V2G技術(shù)是將電動(dòng)汽車以儲(chǔ)能設(shè)備形式接入微網(wǎng)。

基于微網(wǎng)的V2G調(diào)度優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)一般是最小化發(fā)電成本的期望，如式(4)所示：

minE(Fall)

(4)

通過(guò)固定投資和操作成本分析微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)收益，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表示如下：

(5)

在微網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)V2G使電動(dòng)汽車能夠集成進(jìn)包含風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式能源的居民電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中。這樣電動(dòng)汽車就可以輔助新能源向居民及商業(yè)建筑用戶發(fā)電，提高新能源的利用范圍。

2.3 基于電池替換的V2G

電動(dòng)公交車的電池容量大，充電耗時(shí)較長(zhǎng)。隨著電動(dòng)公交車的推廣普及，交通系統(tǒng)開(kāi)始嘗試基于電池替換的V2G。此方法中只有充電站的儲(chǔ)備電池能夠參與V2G。為了提高電池組的利用率，充電站需要結(jié)合公交車的行程時(shí)間來(lái)規(guī)劃電池的裝卸時(shí)間。充放電循環(huán)次數(shù)與電動(dòng)汽車儲(chǔ)存的剩余電量關(guān)系表示如下：

an=a0-anb

(6)

式中，an是電池經(jīng)過(guò)n次充放電后的電力保有率；a0,a和b是由電池類型決定的參數(shù)。一個(gè)典型的電動(dòng)汽車發(fā)電模型為在一定條件下最小化微網(wǎng)的操作成本，這可以表示為式(7)～(9)：

(7)

(8)

(9)

3 V2G技術(shù)的功能

(1)調(diào)節(jié)電壓和頻率

電力系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率來(lái)平衡有功功率的供求關(guān)系。啟停大型發(fā)電設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率成本較高，而電動(dòng)汽車在V2G系統(tǒng)中能夠通過(guò)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行快速的充放電來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率，這種方式較為經(jīng)濟(jì)，是對(duì)傳統(tǒng)調(diào)頻方式的有力補(bǔ)充[7]。

電力系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓來(lái)平衡無(wú)功功率的供需。電動(dòng)汽車充電器嵌入電壓控制裝置后，能夠選擇合適的電流相角來(lái)補(bǔ)償容性無(wú)功和感性無(wú)功。當(dāng)系統(tǒng)的電壓水平較低時(shí)，電動(dòng)汽車停止充電，電壓水平較高時(shí)，電動(dòng)汽車恢復(fù)充電，這有利于系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

(2)平衡負(fù)荷

在晚上6點(diǎn)～11點(diǎn)，系統(tǒng)負(fù)荷通常處于較高水平，在此時(shí)間段V2G系統(tǒng)可以控制電動(dòng)汽車向系統(tǒng)放電，而在夜晚12點(diǎn)以后，系統(tǒng)負(fù)荷需求往往很低，此時(shí)電動(dòng)汽車可以進(jìn)行充電。V2G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的智能調(diào)度，使其分時(shí)段充電，這樣就可以平抑系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)[8]，降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。

(3)支持新能源

隨著間歇性新能源發(fā)電在電網(wǎng)電力供給側(cè)占比逐漸增加，電網(wǎng)的波動(dòng)將越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)新能源出力很高時(shí)，為了平衡系統(tǒng)負(fù)荷供需，電網(wǎng)調(diào)度員通常降低常規(guī)機(jī)組出力或者削減分布式電源。V2G系統(tǒng)能夠使電動(dòng)汽車在新能源出力較高時(shí)選擇充電，在新能源出力較低時(shí)選擇放電，這就提高了電力系統(tǒng)接納新能源的能力[9]。

4 電動(dòng)汽車的充電策略

決定電動(dòng)汽車價(jià)格的主要因素有電池的容量和大小。一些重要因素，例如對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的影響、經(jīng)濟(jì)成本、電動(dòng)汽車的排放收益主要取決于汽車的類型、充電電池的特點(diǎn)、充放電策略以及充電頻率。而減小充電電池的體積或重量能夠增加充電汽車的實(shí)用性。當(dāng)電池體積增加到某一程度時(shí)，將會(huì)增加每一臺(tái)電動(dòng)汽車的平均電量需求，而電動(dòng)汽車充電速率較高，會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)用電高峰時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)。

電動(dòng)汽車充電時(shí)，除了會(huì)增加大量負(fù)荷，影響系統(tǒng)頻率，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓產(chǎn)生重大影響。因此，需要研究電動(dòng)汽車充電的調(diào)度策略，根據(jù)充電時(shí)間和充電頻率來(lái)制定不同類型的充電策略。目前主要的充電策略有：非協(xié)調(diào)充電、協(xié)調(diào)充電、延時(shí)充電和非高峰充電。

(1)非協(xié)調(diào)充電

非協(xié)調(diào)充電是指電動(dòng)汽車每當(dāng)停泊時(shí)開(kāi)始充電。這種類型的充電策略不需要智能調(diào)度，電動(dòng)汽車車主在家里充電無(wú)需考慮時(shí)間因素。電動(dòng)汽車非協(xié)調(diào)充電的普及率會(huì)對(duì)分布式系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，其不斷提高系統(tǒng)的峰值負(fù)荷，這會(huì)對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。并且這種充電方式會(huì)增加電網(wǎng)分布參數(shù)如變壓器和電纜的負(fù)荷，增大變壓器的電流，從而減少電網(wǎng)的可靠性。

(2)協(xié)調(diào)充電

能夠優(yōu)化充電調(diào)度的協(xié)調(diào)充電策略可以避免電動(dòng)汽車充電對(duì)電力負(fù)荷的負(fù)面影響[10]，協(xié)調(diào)充電是指電動(dòng)汽車在某一特定時(shí)間段充電，這個(gè)時(shí)間段通常是系統(tǒng)負(fù)荷水平較低的時(shí)間。應(yīng)用協(xié)調(diào)充電策略可以減小分布式網(wǎng)絡(luò)的阻塞，減少新能源發(fā)電的浪費(fèi)，從而節(jié)省投資成本。

智能充放電策略能夠減少電力的日均成本，減小系統(tǒng)電壓的偏差，減少變壓器的負(fù)荷涌流和電力線路的潮流。為了實(shí)施智能充放電策略，分布式網(wǎng)絡(luò)需要安裝智能電表，實(shí)施智能控制和通信技術(shù)。通過(guò)對(duì)充放電使用實(shí)時(shí)非線性電價(jià)，使用智能充放電策略的電動(dòng)汽車車主還能夠獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收益

(3)延時(shí)充電和非高峰充電

延時(shí)充電是指電動(dòng)汽車在家充電時(shí)接到信號(hào)將充電推遲到某一特定時(shí)間的充電策略。這種策略通常作為協(xié)調(diào)/非協(xié)調(diào)充電策略的補(bǔ)充。非高峰充電是指電動(dòng)汽車在接收到電力公司的直接命令時(shí)才開(kāi)始充電，這種充電策略使分布式網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性更強(qiáng)，但是缺少一定的靈活性，需要和協(xié)調(diào)充電搭配使用。

5 結(jié)語(yǔ)

V2G技術(shù)可以提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，使電網(wǎng)調(diào)度更為靈活。V2G無(wú)論從經(jīng)濟(jì)層面還是技術(shù)層面都能給其參與者帶來(lái)明顯的收益。本文詳細(xì)闡述了V2G的三種實(shí)現(xiàn)方式，之后介紹了V2G的三個(gè)主要功能，最后給出了電動(dòng)汽車的四種充電策略。隨著V2G技術(shù)的推廣普及，充電策略日趨成熟，電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車的目標(biāo)將會(huì)實(shí)現(xiàn)。

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