電動汽車與電網互動策略研究

貴州大學機械工程學院 六盤水職業技術學院工業系 顧 雄

貴州大學機械工程學院 邱望標

電動汽車與電網互動策略研究

貴州大學機械工程學院 六盤水職業技術學院工業系 顧 雄

貴州大學機械工程學院 邱望標

電動汽車與電網互動可以提供削峰填谷、調頻服務和備用服務，對電網的安全穩定和經濟運行具有積極意義。提出了大規模電動汽車與電網互動的總體研究思路。電動汽車互動協調控制系統依托信息流的雙向互動，實現了車網互動的技術策略；依托資金流的雙向互動，實現了車網互動的市場策略，通過合理調整電動汽車充放電時間、充放電過程和充放量，實現了電動汽車與電網能量流雙向互動，最后展望了電動汽車與電網互動的應用前景。

電動汽車；互動協調控制系統；削峰填谷；調頻服務；備用服務

引言

能源與環境是當今全球最為關注的話題，能源危機及節能減排促成新能源產業成為當下最為熱門的新興產業，電動汽車產業作為新能源產業典型代表，越來越受到國家的高度重視。國家科技部編制的《電動汽車科技發展“十二五”專項規劃》明確提出，電動汽車是中國汽車未來發展的方向。2016年中國電動汽車保有量接近100萬輛，預計2017年全年電動汽車銷量將達到80-90萬輛，從而將電動汽車保有量推高至180萬輛左右。隨著電動汽車數量的不斷增加，電動汽車對電網的影響逐步顯現。一方面電動汽車作為大功率用電負荷，接入電網具有廣泛性和隨機性，對電網帶來極大的沖擊，給電網負荷預測、安全穩定運行帶來新的挑戰；另一方面電動汽車作為靈活分散的儲能設備，如果調控得當，可以為電網提供緊急功率支撐，對平抑電網波動和接納間歇式新能源具有積極意義。

在美國，福特汽車公司對六輛插電式電動汽車進行了與電網互動的試驗，研究了電動汽車與電網互動的控制方法，特立華大學將一輛電動汽車接入電網并接受調度命令；在歐洲，丹麥可持續能源國家實驗室對電動汽車負荷管理和儲能進行了一定的研究，目的是為提高電網的穩定性。在國內，國家電網公司在上海世博會期間，對單臺電動汽車與電網互動進行了演示?？偟膩碚f，國內外對電動汽車與電網互動策略的研究總體處于起步和探索階段，僅在少數的幾輛車上進行了研究和試驗，尚未開展大規模電動汽車與電網互動方面的研究。

本文研究大規模電動汽車與電網互動的技術策略和市場策略[1-4]，通過合理調整電動汽車充放電時間、充放電過程和充放量，引導電動汽車參與電網的削峰填谷，提供調頻和備用服務，發揮電動汽車作為大功率用電負荷和儲能設備的雙重作用，實現了電動汽車與電網能量流雙向有序互動。

1.總體研究思想

電動汽車與電網的互動可提供的服務內容主要有消峰填谷、調頻服務和備用服務。

消峰填谷即根據電網狀態信息、電動汽車充放電負荷信息、確定并發布實時電價，通過調整電價優化電動汽車充放電時間和過程，降低電網峰值負荷，平滑負荷曲線，提高設備利用率，降低電網運行成本；

調頻服務即通過調整或改變電動汽車充放電狀態，向電網提供緊急功率支撐，減少電網對發電機組的調頻容量需求和支付的調頻費用，大規模電動汽車具有可觀的儲能容量，且能夠快速改變充放電狀態，具備巨大的調頻服務潛力。

備用服務即在電網峰荷或故障時中斷和改變電動汽車充放電負荷，根據電網的實時運行特性調整充放電功率，減少電網對發電機備用容量需求和支付的備用費用。

為實現電動汽車與電網互動的服務內容，需要選擇恰當的互動策略。技術層面是依托信息流的雙向互動，提供電動汽車與電網互動的技術策略；政策層面是依托資金流的雙向互動，提供了電動汽車與電網互動的市場策略，最終實現電動汽車與電網能量流之間的互動。電動汽車與電網的互動如圖1。

圖1 電動汽車與電網互動示意圖

圖1中，電動汽車互動協調控制系統是電動汽車與電網互動的協調指揮中心，包括采集子系統、監控子系統、運行決策子系統、系統交互子系統及管理子系統等，負責采集電動汽車電池、充放電設施的相關信息，與關聯子系統進行交互，在線生成電動汽車與電網的互動策略。

依托信息流的雙向互動，即互動協調控制系統通過與電網配電自動化系統、用電信息采集系統的信息交互，綜合電網運行數據和電動汽車充放電信息，生成電動汽車與電網互動技術策略。

依托資金流的雙向互動，即互動協調控制系統通過與營銷業務系統之間雙向計量數據和計費信息交互，綜合靈活的電價政策和激勵機制，生成電動汽車與電網互動市場策略。

圖2 電動汽車與電網互動的技術策略

最終能量流的雙向互動，即互動協調控制系統通過綜合電動汽車與電網互動技術策略和市場策略，對智能充放電設施或智能車載終端的直接調度控制，調整電動汽車充放電時間、充放電過程和充放量，使電動汽車與電網之間能量流動滿足電網安全、經濟、穩定運行的要求[5-8]。

2.車網互動技術策略研究

電動汽車與電網的互動技術策略是根據不同的互動服務內容，選擇相應的互動協調控制策略，如圖2。

以削峰填谷為目的的技術策略，采用基于負荷預測與成本分析的控制方法。該方法以綜合成本最低為目標函數，綜合考慮次日負荷預測功率，次日不同峰谷水平的電網購電成本、用戶充放電支出成本以及用戶參與互動的響應程度。電動汽車互動協調控制系統基于綜合成本最低為目標，制訂合理的電動汽車充放電價格，向分散的交流充電樁、充電站和電池更換站發布，引導電動汽車有序充放電。

Cc：次日電動汽車充電價格；Cf：次日電動汽車放電價格；Pn：次日負荷預測功率；Ft：次日電網購電成本；Fc：用戶充電支出成本；Ff：用戶放電支出成本；Ud：用戶參與互動的響應程度。

以提供備用服務為目的的技術策略，采用基于成本最優的備用調用的控制方法。電動汽車提供備用服務的形式包括運行備用和事故備用。對運行備用，在保持電網可靠運行的前提下，采用基于超短期功率預測，考慮與電網連接電動汽車規模，以備用成本最小為目標，互動協調控制系統直接分配電動汽車運行備用功率（即充放電功率）大??；對于緊急備用，在事故情況下，以電網功率損失最小為目標，互動協調控制系統直接分配給電動汽車的事故備用功率（即充放電功率）大小。

運行備用：

緊急備用：

分配給電動汽車的充放電功率：

Cn：備用成本；Ln：功率損失；Pi：分配給第i臺電動汽車的充放電功率；Ps：電網超短期功率預測；Pb：總備用功率需求；N：參與電網互動的電動汽車總數預測；Ki：電動汽車提供充放電功率系數，Ki≤ 1。

以提供調頻服務為目的的技術策略，采用基于博弈論的全局優化的控制方法?；訁f調控制系統獲取電動汽車與電網連接及電池的狀態，計算能夠參與調頻的電動汽車電池容量；在分析系統負荷特性和頻率特性的基礎上，提出電動汽車參與調頻的優化控制方法。由于調頻服務是一個動態的過程，需要考慮在一段時間內的全局優化。

3.車網互動市場策略研究

同樣，電動汽車與電網的互動市場策略也是根據不同的互動服務內容，選擇相應的互動協調控制策略，如圖3。

圖3 電動汽車與電網互動的市場策略

以削峰填谷為目的的市場策略，采用基于實時電價的市場機制,該方法以經濟效益最大化為目標，考慮電網運行狀態信息、電動汽車充放電能力，電池狀態以及充放電需求等，在線生成充放電實時電價?；訁f調控制系統通過與營銷業務系統之間的信息交互，生成充放電實時電價并負責向充放電設施發布，引導電動汽車參與電網削峰填谷。

以提供備用和調頻服務為目的的市場策略，首先需要分析電動汽車參與電網互動的成本、電網公司能夠獲得的經濟效益和社會效益。對電網公司無法直接獲得的效益，考慮政府給予電動汽車用戶和電網公司方面一定的財政補貼，以支持電動汽車與電網的互動；通過電網公司與電動汽車互動用戶簽訂雙邊合同的方式，特別是考慮建設電網公司與用戶集群間的合同，電動汽車用戶參與電網互動可獲得一定的補償，但雙邊合同也會規定用戶應盡的義務、相應的考核和獎懲措施等，例如一年之內電動汽車車主對電網公司召喚充放電過程的響應度等，如圖4所示。

圖4 電動汽車與電網互動市場策略

4.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。

5.結語

本文圍繞電動汽車與電網互動可提供的三個服務內容——削峰填谷、備用服務和調頻服務，介紹了實現電動汽車與電網互動的技術策略和市場策略。

隨著智能電網建設[9-10]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。

[1]趙俊華,文福拴,薛禹勝,等．計及電動汽車和風電出力不確定性的隨機經濟調度．電力系統自動化,2010,34(20)：22-29．

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[5]姚建歆,王媚,羅偉明．電動汽車充電系統建設應用分析研究．華東電力,2008,36(8)．

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[7]陳清泉,孫立清．電動汽車的現狀和發展趨勢．科技導報,2005,23(4)：24-28．

[8]徐凡,俞國勤,顧臨峰,等．電動汽車充電站布局規劃淺析．華東電力,2009,37(10)．

[9]肖世杰．構建中國智能電網技術思考．電力系統自動化,2009,33(9)：1-4．

[10]姚建國,賴業寧．2010．智能電網的本質動因和技術需求．電力系統自動化,34(2)：1-4．

顧雄（1983—），男，助教，自動化專業。