電動汽車有序充放電管理策略設(shè)計(jì)

電動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。隨著我國建設(shè)電動汽車換電站、充電站和充電樁計(jì)劃的逐步清晰，電動汽車充電設(shè)施的建設(shè)已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。隨著電動汽車銷量的逐步增加，電動汽車的充電問題受到各國政府和電力公司的重視。我國從“九五”開始明確支持電動汽車的發(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汽車充電設(shè)施的建設(shè)工作。國家電網(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)，隨著未來電動汽車的普及，將有大量電動汽車接人電網(wǎng)充放電。如果沒有相應(yīng)的政策和手段來對其充放電行為進(jìn)行引導(dǎo)，那么大規(guī)模的電動汽車無序充放電行為將對電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生非常不利的影響。本文將電動汽車有序充放電管理作為研究對象，研究電動汽車充電負(fù)荷的負(fù)荷特性，從我國實(shí)際國情出發(fā)，結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)，提出對其進(jìn)行有序充放電管理的建議。

1.電動汽車能源供給模式分析

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

1.1 電動汽車充電模式

電動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、停車場等場所。但是，充電時(shí)間過長，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電池更換車，直接更換電動汽車的電池組，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，電池與電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)化、電動汽車的設(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。電動汽車無線充電方式原理就像在車?yán)锸褂玫囊苿与娫?，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)移動式充電。電動汽車移動式充電(MAC)分為接觸式和感應(yīng)式2種。對接觸式的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)電動汽車巡航通過MAC區(qū)時(shí)，其充電過程為脈沖充電。對于感應(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)磁場的高電流繞組所取代。

1.2 電動汽車充電模式分析

電動汽車現(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)充電模式簡單方便，建設(shè)分散式充電樁成本低，但是，針對我國目前私人電動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，將會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但將來隨著私人電動汽車保有量的增加，這種模式將占電動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)間相對于目前加油站還是要長。針對我國現(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家相關(guān)部門的大力推動，尤其是要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以保障實(shí)施。而對于供電企業(yè)來說，建設(shè)換電站簡單方便，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，這種方式對電網(wǎng)運(yùn)行有利。當(dāng)前我國私人電動車較少，一般都是電動公交車、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。

鑒于我國目前電動汽車和充電技術(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。對于私人擁有的電動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. 電動汽車充放電對電網(wǎng)的影響分析

電動汽車作為智能電網(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，這就是電動汽車的V2G模式，即電動汽車一電網(wǎng)互動技術(shù)(Vehicle to Grid，V2G)。

2.1 電動汽車V2G模式

V2G技術(shù)描述的是一種新型電網(wǎng)技術(shù)，電動汽車不僅作為電力消費(fèi)體，同時(shí)，在電動汽車閑置時(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)下電動汽車的能量與電網(wǎng)之間的雙向互動和交換。利用電動汽車大規(guī)模接人形成的規(guī)模效益，配備V2G技術(shù)支持，電動汽車電池既可為車供能，又能作為智能電網(wǎng)的移動儲能單元接人電網(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，而且對于私家電動車一天當(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，對調(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。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分布式電源接人所產(chǎn)生的擾動進(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汽車儲能能力，鼓勵(lì)用戶參與V2G服務(wù)，使電動車用戶獲得收益，既節(jié)省增設(shè)固定儲能裝置投資，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、電動汽車用戶多贏的好方式。

2.2 電動汽車充放電對電網(wǎng)的影響

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

(1)大規(guī)模電動汽車充電將帶來一輪負(fù)荷增長，若電動汽車集中在負(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)電動汽車的接人對配電網(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)模電動汽車接人的場景。

因?yàn)殡妱悠嚨某浞烹娦袨橥耆珡膶儆谲囍鞯囊庠?，使用常?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)電動汽車用戶主動對其充放電負(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)空特性分散的電動汽車進(jìn)行有序充放電，以減小對電力系統(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.電動汽車允放電的負(fù)荷特性分析

根據(jù)電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，可將電動汽車的充放電負(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)充放電是私人電動汽車的首選充電方式，隨著電動汽車的發(fā)展和普及，私家電動汽車相對其他種類的電動汽車而言，數(shù)量相對較大，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，研究電動汽車分散充電樁充放電負(fù)荷特性，有針對性地對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于改善充電樁規(guī)模化建設(shè)時(shí)電網(wǎng)的負(fù)荷特性。對于電動汽車用戶來說，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)殡妱悠囉脩舻闹苘嚹康募邦l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

電動公交車屬于大容量大型電動車，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，所以可能會對區(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。