電動(dòng)汽車有序充放電管理策略設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車作為正在培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，已成為新能源汽車發(fā)展的主要方向，也將成為21世紀(jì)最有潛力的交通工具。隨著我國(guó)建設(shè)電動(dòng)汽車換電站、充電站和充電樁計(jì)劃的逐步清晰，電動(dòng)汽車充電設(shè)施的建設(shè)已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。隨著電動(dòng)汽車銷量的逐步增加，電動(dòng)汽車的充電問題受到各國(guó)政府和電力公司的重視。我國(guó)從“九五”開始明確支持電動(dòng)汽車的發(fā)展和示范運(yùn)行，北京、上海、深圳等示城市紛紛開展了電動(dòng)汽車充電設(shè)施的建設(shè)工作。國(guó)家電網(wǎng)公司在“十二五”期間，將建設(shè)充換電站2351座、充電樁22萬個(gè)。

可以預(yù)計(jì)，隨著未來電動(dòng)汽車的普及，將有大量電動(dòng)汽車接人電網(wǎng)充放電。如果沒有相應(yīng)的政策和手段來對(duì)其充放電行為進(jìn)行引導(dǎo)，那么大規(guī)模的電動(dòng)汽車無序充放電行為將對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生非常不利的影響。本文將電動(dòng)汽車有序充放電管理作為研究對(duì)象，研究電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的負(fù)荷特性，從我國(guó)實(shí)際國(guó)情出發(fā)，結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)，提出對(duì)其進(jìn)行有序充放電管理的建議。

1.電動(dòng)汽車能源供給模式分析

電動(dòng)汽車的行駛依靠電池提供動(dòng)力，而電池的電力，必須來自于電網(wǎng)，所以發(fā)展電動(dòng)汽車，電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車的能源供給方式即電動(dòng)汽車的充電模式是首先需要解決的問題。

1.1 電動(dòng)汽車充電模式

電動(dòng)汽車有多種充電方式可供選擇，現(xiàn)今普遍采用常規(guī)充電、快速充電和換電池充電3種模式。其他充電方式，例如無線式充電、移動(dòng)式充電等尚處于試驗(yàn)研究階段。

(1)常規(guī)充電。常規(guī)充電或慢速充電充電電流小，約為15A，充電時(shí)間一般需要5—8h，充電器和安裝成本比較低，可以充分利用電力低谷時(shí)段進(jìn)行充電，比較適合家庭、停車場(chǎng)等場(chǎng)所。但是，充電時(shí)間過長(zhǎng)，不能滿足車輛的緊急運(yùn)行需要。

(2)快速充電?？焖俪潆娪址Q應(yīng)急充電，是以較大電流在電動(dòng)汽車停車的20min至2h內(nèi)為其提供的短時(shí)充電，快速充電站建設(shè)設(shè)施成本比較高，充電電流比較大，一般充電電流為150~400A，可能對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生有害影響。

(3)換電池充電。換電池充電是指茌電動(dòng)汽車的電池電量不足時(shí)，選擇附近的電池更換門店或是移動(dòng)電池更換車，直接更換電動(dòng)汽車的電池組，用充滿電的蓄電池更換已經(jīng)耗盡的蓄電池，這有利于提高車輛使用效率，也提高了用戶使用的方便性和快捷性;而且對(duì)更換下來的蓄電池可以利用低谷時(shí)段進(jìn)行充電，降低了充電成本，提高了車輛運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性;從另一個(gè)側(cè)面來看，也解決了充電時(shí)間乃至電池質(zhì)量、續(xù)駛里程及價(jià)格等難題。

但由于電池組重量較大，更換電池的專業(yè)化要求較強(qiáng)，需配備專業(yè)人員借助專業(yè)機(jī)械來快速完成電池的更換、充電和維護(hù)，而且這種模式下，電池與電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)化、電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)改進(jìn)和充電站的建設(shè)與管理、電池更換門店的規(guī)劃以及電池的流通管理等問題都需要研究解決。

(4)無線式充電。電動(dòng)汽車無線充電方式原理就像在車?yán)锸褂玫囊苿?dòng)電話，將電能轉(zhuǎn)換成一種符合現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的特殊激光或微波束，在汽車頂上安裝專用天線接收即可。有了無線充電技術(shù)，公路上行駛的電動(dòng)汽車可通過安裝在電線桿或其他高層建筑上的發(fā)射器快速補(bǔ)充電能，電費(fèi)從汽車上安裝的預(yù)付卡中扣除。

(5)移動(dòng)式充電。電動(dòng)汽車移動(dòng)式充電(MAC)分為接觸式和感應(yīng)式2種。對(duì)接觸式的MAC系統(tǒng)而言，需要在車體底部安裝一個(gè)接觸摸，與嵌在路面上的充電元件相接觸，接觸拱便可獲得瞬時(shí)高電流，當(dāng)電動(dòng)汽車巡航通過MAC區(qū)時(shí)，其充電過程為脈沖充電。對(duì)于感應(yīng)式的MAC系統(tǒng)，車載式接觸拱由感應(yīng)線圈所取代，嵌在路面上的充電元件由可產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的高電流繞組所取代。

1.2 電動(dòng)汽車充電模式分析

電動(dòng)汽車現(xiàn)今普遍采用的常規(guī)充電、快速充電和換電池充電3種充電模式各有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。

(1)常規(guī)充電模式簡(jiǎn)單方便，建設(shè)分散式充電樁成本低，但是，針對(duì)我國(guó)目前私人電動(dòng)汽車擁有量很低且城市停車位緊張的局面，充電樁的規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)均存在不少困難，而且這種方式負(fù)荷隨機(jī)性強(qiáng)，如果沒有相應(yīng)的管理措施，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但將來隨著私人電動(dòng)汽車保有量的增加，這種模式將占電動(dòng)汽車充電的很大比例。

(2)快速充電模式主要服務(wù)于沒有條件實(shí)現(xiàn)慢充、中長(zhǎng)途旅行和應(yīng)急充電的用戶，這種方式需要占用土地建設(shè)大量充電站，且充電站的布局要合理。雖是快充，但充電的等候時(shí)間相對(duì)于目前加油站還是要長(zhǎng)。針對(duì)我國(guó)現(xiàn)狀，建設(shè)大量的快充站，在土地征用、城市規(guī)劃等方面也存在不少網(wǎng)難，快充電站很難完全主導(dǎo)電動(dòng)汽車的充電，主要是作為其他模式的補(bǔ)充。

(3)換電池充電模式要求車載電池必須標(biāo)準(zhǔn)化，更換逮度要快。但目前不少電動(dòng)汽車制造企業(yè)的核心技術(shù)是電池本身，而電池的成本占據(jù)電動(dòng)汽車總成本的一半甚至更高，要求汽車制造商接受這種模式需要國(guó)家相關(guān)部門的大力推動(dòng)，尤其是要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以保障實(shí)施。而對(duì)于供電企業(yè)來說，建設(shè)換電站簡(jiǎn)單方便，可以通過引入專用線路給充電站供電，易于控制電池的充電，減少對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)的沖擊，而且換電站的大量電池，還可以起到儲(chǔ)能站的作用，當(dāng)電網(wǎng)需要電量的時(shí)候，可將電池電量快速返送回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)備用、調(diào)峰、調(diào)頻等，這種方式對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行有利。當(dāng)前我國(guó)私人電動(dòng)車較少，一般都是電動(dòng)公交車、出租車、旅游景區(qū)車、政府公務(wù)車、環(huán)衛(wèi)車等，這些車輛車型單一，行駛時(shí)間、里程有規(guī)律，適合換電模式。

鑒于我國(guó)目前電動(dòng)汽車和充電技術(shù)的發(fā)展水平，換電方式適合在公交公司、出租車公司、政府以及具有同一類型汽車的公司使用，這些公司或部門可以把需要充電的電池集中起來在負(fù)荷低谷期進(jìn)行充電。電動(dòng)公交車可以采用晚上常規(guī)充電、白天結(jié)合快速更換電池的方式以保證正常運(yùn)行。對(duì)于私人擁有的電動(dòng)汽車可以盡量選擇在夜間或者上班時(shí)間利用充電樁進(jìn)行慢速充電，而在緊急的情況下使用快速充電方式。

2. 電動(dòng)汽車充放電對(duì)電網(wǎng)的影響分析

電動(dòng)汽車作為智能電網(wǎng)中一種特別的負(fù)荷，除了從電網(wǎng)中獲取電能外，還能向電網(wǎng)回送電力，這就是電動(dòng)汽車的V2G模式，即電動(dòng)汽車一電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)(Vehicle to Grid，V2G)。

2.1 電動(dòng)汽車V2G模式

V2G技術(shù)描述的是一種新型電網(wǎng)技術(shù)，電動(dòng)汽車不僅作為電力消費(fèi)體，同時(shí)，在電動(dòng)汽車閑置時(shí)可通過蓄電池放電為電網(wǎng)提供電力，實(shí)現(xiàn)在受控狀態(tài)下電動(dòng)汽車的能量與電網(wǎng)之間的雙向互動(dòng)和交換。利用電動(dòng)汽車大規(guī)模接人形成的規(guī)模效益，配備V2G技術(shù)支持，電動(dòng)汽車電池既可為車供能，又能作為智能電網(wǎng)的移動(dòng)儲(chǔ)能單元接人電網(wǎng)，用于削峰填谷、旋轉(zhuǎn)備用，提高電網(wǎng)供電靈活性、可靠性和能源利用效率。

有文獻(xiàn)資料顯示，一天當(dāng)中900/0的電動(dòng)車輛都可以參加V2CJ服務(wù)，即使在交通的高峰期也有80%多的車輛是停著的，而且對(duì)于私家電動(dòng)車一天當(dāng)中只有4%~5%的時(shí)間是行駛的，也即95%的時(shí)間可以參加V2G服務(wù)。即便是白天出勤率高的電動(dòng)公交車、出租車、環(huán)衛(wèi)車和貨運(yùn)車輛等，也可以在夜間負(fù)荷低谷時(shí)充電，起到填谷的作用。而且電動(dòng)汽車電池的充放電效率比一般的抽水蓄能電站運(yùn)行的平均綜合能源效率要高，充放電速度可達(dá)到毫秒級(jí)，對(duì)調(diào)節(jié)命令響應(yīng)快速準(zhǔn)確。V2CJ具有一定的調(diào)頻功能，且V2G站可以不受動(dòng)作次數(shù)和頻率限制實(shí)現(xiàn)功率上調(diào)和下調(diào)的交替工作，這一點(diǎn)與常規(guī)電廠比較具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著以風(fēng)能、光伏為代表的分布式電源的發(fā)展，由于風(fēng)能和光伏的間歇性特征，使發(fā)電輸出功率具有較大的波動(dòng)性，可以利用電功汽車充電站的V2G功能，使其作為備用容量對(duì)分布式電源接人所產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行平抑，以減少火電或其他常規(guī)機(jī)組的備用容量。

可見，V2G技術(shù)的應(yīng)用具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。V2G中的車輛在完成自身行駛功能的同時(shí)，不需要添加額外裝置，充分利用閑置的電動(dòng)汽車儲(chǔ)能能力，鼓勵(lì)用戶參與V2G服務(wù)，使電動(dòng)車用戶獲得收益，既節(jié)省增設(shè)固定儲(chǔ)能裝置投資，又可減少部分電廠的調(diào)節(jié)容量，進(jìn)而提高常規(guī)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、常規(guī)電廠、電動(dòng)汽車用戶多贏的好方式。

2.2 電動(dòng)汽車充放電對(duì)電網(wǎng)的影響

隨著電動(dòng)汽車的普及，電動(dòng)汽車將大規(guī)模接人電網(wǎng)充放電，大規(guī)模的電動(dòng)汽車無序充放電行為將對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。

(1)大規(guī)模電動(dòng)汽車充電將帶來一輪負(fù)荷增長(zhǎng)，若電動(dòng)汽車集中在負(fù)荷高峰期充電，將進(jìn)一步拉大電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，加重電力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

(2)電動(dòng)汽車用戶充電時(shí)間和空間分布的不確定性將導(dǎo)致電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有較大的隨機(jī)性，這將加大電網(wǎng)控制的難度和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

(3)電動(dòng)汽車屬于非線性負(fù)荷，充電所使用的電力電子設(shè)備將產(chǎn)生大量的諧波，降低電能質(zhì)量，減損電氣設(shè)備比如配電變壓器的使用壽命。

(4)電動(dòng)汽車的接人對(duì)配電網(wǎng)的規(guī)劃提出新的挑戰(zhàn)。配電網(wǎng)大量充電設(shè)施的建設(shè)以及大量的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷將改變配電網(wǎng)用電結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃準(zhǔn)則將無法適用于大規(guī)模電動(dòng)汽車接人的場(chǎng)景。

因?yàn)殡妱?dòng)汽車的充放電行為完全從屬于車主的意愿，使用常規(guī)的調(diào)度手段來使其按照電網(wǎng)側(cè)的安排進(jìn)行充放電是不現(xiàn)實(shí)的。然而，需求側(cè)響應(yīng)作為可以充分利用價(jià)格杠桿的手段，運(yùn)用得當(dāng)可以激勵(lì)電動(dòng)汽車用戶主動(dòng)對(duì)其充放電負(fù)荷進(jìn)行有效管理。

實(shí)施基于需求側(cè)響應(yīng)的電動(dòng)汽車充放電有序管理，可以在一定程度上有效整合規(guī)模龐大卻又時(shí)空特性分散的電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充放電，以減小對(duì)電力系統(tǒng)的影響，節(jié)約車主充電成本，有效提高電網(wǎng)的利用率。

3.電動(dòng)汽車允放電的負(fù)荷特性分析

根據(jù)電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，可將電動(dòng)汽車的充放電負(fù)荷分為分散充電樁充放電負(fù)荷、公交車充電站負(fù)荷、快充電站充電負(fù)荷和換電站負(fù)荷4種類型。

3.1 分散充電樁充放電負(fù)荷

使用分布式充電樁進(jìn)行常規(guī)充放電是私人電動(dòng)汽車的首選充電方式，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及，私家電動(dòng)汽車相對(duì)其他種類的電動(dòng)汽車而言，數(shù)量相對(duì)較大，分布范圍很廣，運(yùn)行和充電隨機(jī)性更強(qiáng)，但正是由于其極大的充電隨機(jī)性，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷大多在一定程度上是可以調(diào)控的，因而，研究電動(dòng)汽車分散充電樁充放電負(fù)荷特性，有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于改善充電樁規(guī)?；ㄔO(shè)時(shí)電網(wǎng)的負(fù)荷特性。對(duì)于電動(dòng)汽車用戶來說，如果沒有

電價(jià)等激勵(lì)因素，他們一般都會(huì)選擇在自己方便的時(shí)候給車充電，而且不考慮向電網(wǎng)放電。因?yàn)殡妱?dòng)汽車用戶的周車目的及頻率等因人而異，考慮到用戶用車情況及使用習(xí)慣的多樣化，電動(dòng)汽車充電時(shí)間的選擇就是一個(gè)隨機(jī)變量。由于充電時(shí)間選擇受用戶個(gè)人偏好等一些隨機(jī)因素影響，而這些影響因素的變化在自然狀態(tài)下是相互獨(dú)立的，互不干擾，同時(shí)也可以疊加，因此根據(jù)概率論與統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)理論，可以認(rèn)為電動(dòng)汽車充電時(shí)間的選擇這個(gè)隨機(jī)變量也是服從正態(tài)分布的。

3.2 公交車充電站負(fù)荷

電動(dòng)公交車屬于大容量大型電動(dòng)車，其充電設(shè)施建設(shè)模式為“1車1位1機(jī)”，即車輛數(shù)與充電機(jī)數(shù)基本一致。在充電站規(guī)?；l(fā)展階段，可以認(rèn)為大多數(shù)電動(dòng)公交車都能實(shí)現(xiàn)日間行駛夜間充電，只有少量需要直接更換電池進(jìn)行日間電能補(bǔ)給。鑒于此，可以考慮將公交車負(fù)荷當(dāng)作純可控負(fù)荷來處理，并不考慮其向電網(wǎng)回送電力的能力，且電動(dòng)公交車的這種負(fù)荷因?yàn)槠湫旭偩€路固定，在自然狀態(tài)下的負(fù)荷需求也是基本固定的。

3.3 快充電站負(fù)荷

快充電站可以在車輛行駛的間隙進(jìn)行快速充電，以滿足其運(yùn)行需要，由于其充電電流較大，所以可能會(huì)對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)產(chǎn)生有害影響。而且快充電站的負(fù)荷主要受充電車輛的影響，不確定性很大，而且電動(dòng)汽車到快充電站充電，一般都是電池電量很低急需充電續(xù)航的時(shí)候，所以快充電站的負(fù)荷隨機(jī)性大，且不可控性高，而且在充電過程中可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諸如諧波、電壓等電能質(zhì)量的影響。

3.4 換電站負(fù)荷

換電站有多種可行的運(yùn)營(yíng)模式。一種比較合適的換電站運(yùn)行模式是集中充電、配送電池、在換電門市完成換電。大規(guī)模的電池充電站可以建在比較偏僻且對(duì)于電網(wǎng)來說更易于控制的地方，通過物流配送的方式，送到規(guī)劃好的各個(gè)換電門市，這樣可以避免換電門市在市區(qū)占用大量的土地，又可以方便地對(duì)電池充放電進(jìn)行管理。在這種模式下，換電站的負(fù)荷比較容易控制，可以在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)集中充電，也可以在電網(wǎng)負(fù)荷高峰或是需要備用、調(diào)頻的時(shí)候集中快速放電，起到儲(chǔ)能站的作用。當(dāng)然，換電站的這種負(fù)荷的充放電調(diào)控受到用戶換電需求、電池特性等約束，有其調(diào)控的上下限。