電動汽車與電網互動的關鍵問題分析與展望

龔華容

摘要：電動汽車與電網互動可以實現削峰填谷、參與調頻、提供備用等作用，對于電網的安全經濟運行和提高新能源發電消納能力具有重要意義。本文對電動汽車與電網互動的集中式控制、分布式控制、分層控制策略進行了分析；并對電動汽車與電網互動的研究和應用進行了展望。

關鍵詞：電動汽車；控制策略；電動汽車與電網互動（V2G）；智能電網

隨著環境的不斷惡化以及能源的不斷消耗，各國政府已經意識到，節能減排甚至是零污染的汽車技術將是占領未來汽車領域制高點的關鍵，而發展能夠與電網互動（vehicletoGrid）的電動汽車技術則是解決這個技術難點的突破口。

一、電動汽車與電網互動的控制策略

（一）分布式控制

分布式控制是指電動汽車的充放電計劃在本地進行決策的控制方法，各電動汽車根據調控信號（該調控信號可以是價格信號、調頻信號、本地量測的電壓，電流信號，或者控制中心，集中商發布的其他控制信號），制定充放電計劃。多數情況下，控制中心/集中商需根據電動汽車反饋的充放電計劃修正控制信號，引導電動汽車實現預定的控制目標。分布式控制方法需要一個控制中心向各電動汽車廣播控制信號，控制中心與各電動汽車之間需要雙向通信，通過信息交互（在交互過程中往往需要進行迭代），實現控制目標。其基本思路是將原優化問題分解為各個電動汽車在已知控制信號的前提下的本地優化問題以及控制信號的迭代更新問題，需保證分解后問題的解仍可收斂至原問題的解，在設計算法的過程中往往運用了分布式計算的相關理論，例如對偶分解算法、ADMM（altematingdirectionmethodofmultipliers）算法等。分布式策略中，各電動汽車通過采集本地，臨近區域的信息（例如本地的頻率、電壓等信息），進行本地決策，控制信號為單向，不存在與控制中心之間的雙向通信。基于價格引導的手段，可以看作一種特殊的電動汽車分布式控制方法。電價作為控制信號，各電動汽車根據價格信號，以最小化充電費用為目標，進行本地決策。電網公司可通過調整電價間接影響電動汽車的充放電策略。總體而言，分布式控制適用于解決大規模分散電動汽車的優化控制問題，可將計算量分散至各電動汽車，減輕控制中心的計算負擔，減少計算時間；另外，當設計的分布式控制策略中各電動汽車通過量測本地信息（頻率、電壓、電流等信息）進行決策時，可有效減少通信成本，特別適用于通信難以實現或成本較高的場合。

（二）分層控制

分層控制是解決大規模V2G問題的另一種思路。將大規模的電動汽車群體分解為多個較小的電動汽車群體，各個小群體交由集中商，控制中心進行控制，實現小群體電動汽車的有序充放電，頂層控制則關注多個電動汽車群體之間的協調配合。通過分層控制，將大規模電動汽車互動控制問題轉化為規模較小的電動汽車互動控制問題以及多個集中商，控制中心之間的協調優化問題，降低了優化問題的規模和求解難度。各集中商/控制中心只需關注所轄電動汽車群體與電網的互動策略。

（三）集中式控制

集中式控制是指在一個控制中心匯總各電動汽車的信息，由控制中心集中決策各電動汽車的充放電計劃，并下達給各電動汽車的控制方法。集中式控制的優點在于其控制思路簡單清晰，策略易實現；缺點在于所有電動汽車信息的存儲與優化計算都在控制中心完成，在電動汽車大規模接入的情況下，可能會給控制中心帶來較大的存儲與計算負擔，當優化問題非凸或優化變量含有整數變量時，求解時間較長甚至難以求得最優解。

二、電動汽車與電網互動的成本一效益

在實施V2G之前應首先進行V2G的經濟性評估。Kempton教授率先研究了純電動汽車、插電式混合動力汽車、燃料電池汽車這3種電動汽車參與電網調頻服務與備用服務的成本效益，研究結果表明，電動汽車通過V2G參與電網調頻服務所帶來的收益最高。用戶駕駛行為的不確定性會對其實際收益產生較大影響，在德國電力市場機制下，用戶通過V2G參與電網調頻的凈收益較低，對用戶的吸引力較小。電動汽車只參與下調頻服務時，調頻的容量為2.9-6kW，月收益可達48.7-365.3元。當電動汽車參與上調（需要放電）服務時，凈收益大幅減少。其原因主要是，參與上調服務需要進行更多的投資，如充放電機、計量裝置、線路的升級改造等。在丹麥電力市場中，電動汽車參與V2G二次調頻服務的每月收益為49.8～1327.4元（以1.12元=1丹麥克朗計算）。停車場通過管理電動汽車參與V2G進行套利的調度模型，該模型在考慮電網約束和車輛行駛約束的基礎上，以車主利潤最大化為目標，在美國CAISO市場下每日電價曲線及不同停車場容量下的套利情況。通過V2G降低風電出力不確定性的電動汽車充放電策略，并進行了成本效益分析，結果表明所提模型能夠減少風電功率偏離所導致的懲罰金額，并且能夠保證電動汽車用戶從中獲得高于V2G服務成本的收益。電動汽車在充、換電這2種不同模式下參與V2G充放電的成本效益，并且對V2G的容量成本效益以及機組運行成本效益進行了仿真分析，結果表明單輛私家電動汽車在5年內可創造超過萬元的效益。

三、應用前景分析

據統計，目前90%以上的乘用車輛平均每天行駛時間1h左右，95%的時間處于閑置狀態，并且76%的駕駛者日行駛里程在75km以內，故乘用車具有行駛里程短、停駛時間長的特點，蘊藏與電網進行互動的巨大潛力。以提供調頻服務為例，2016年我國電動汽車保有量接近100萬輛。按每輛車以5千瓦的功率每日向電網倒送10度電計算，每日可提供1000萬度的電力支撐。按照估算，區域內1000輛電動汽車同時參與調頻服務，其調頻效果與30MW發電機組相當。另外，電動汽車與電網互動技術可以大大提高電網對風能、太陽能等新能源發電的接納能力。風能和太陽能因其具不可預測性、波動性和間歇性，目前所建風力發電廠60%以上能量都因為不夠穩定而無法接入電網。應用該技術，可用電動汽車電池來儲存風力和太陽能發出的電能，再穩定送入電網。

四、結語

隨著智能電網建設的不斷推進，電動汽車的大規模推廣應用，電動汽車與電網互動的經濟效益和社會效益將逐步顯現，電動汽車與電網互動必將具有廣闊的市場應用前景。

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