廖蘭珍，宋文欽，肖 蔚

（1.廣西電網(wǎng)公司百色供電局，廣西 百色 533000；2.張家界電業(yè)局，湖南 張家界 427000）

0 引言

電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，相對以汽油燃燒作為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車而言，在環(huán)保、節(jié)能等方面占據(jù)明顯的優(yōu)勢。2012年，國家發(fā)布了《電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃（摘要）》，明確了我國電動(dòng)汽車的發(fā)展方向，“純電驅(qū)動(dòng)”將成為我國電動(dòng)汽車技術(shù)的未來發(fā)展方向。預(yù)計(jì)到2020年和2030年，我國電動(dòng)汽車使用電力驅(qū)動(dòng)情況下所使用的總電量分別為電網(wǎng)總發(fā)電量的6%和7%。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，未來電動(dòng)汽車的車載電池將會(huì)承載智能電網(wǎng)移動(dòng)儲(chǔ)能單元的功能，即在電網(wǎng)峰荷時(shí)段向電網(wǎng)輸送電能，在電網(wǎng)低谷期間由電網(wǎng)向電動(dòng)汽車的車載電池充電，能夠降低電網(wǎng)的峰谷差，對電網(wǎng)起到“填谷”作用，特別是在將來可能形成的可再生能源發(fā)電比例較高的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，通過電動(dòng)汽車的合理接入配電網(wǎng)進(jìn)行充放電，可以有效接納可再生能源發(fā)電。提高發(fā)電設(shè)備的綜合利用率，起到節(jié)能減排的效果[1]。電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能單元接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)將由一個(gè)放射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€(gè)分布式可控儲(chǔ)能和用戶互聯(lián)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這勢必會(huì)對配電網(wǎng)的運(yùn)行、規(guī)劃等方面產(chǎn)生巨大的影響。

1 電動(dòng)汽車充放電技術(shù)

電動(dòng)汽車充放電技術(shù)主要有單向無序電能供給模式和雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式。電動(dòng)汽車采用單向技術(shù)充電只能從電網(wǎng)中得到電能不能將多余的電能反供至電網(wǎng)中。采用雙向有序電能轉(zhuǎn)換的充電模式，電動(dòng)汽車車載電池可以作為一種移動(dòng)儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)進(jìn)行雙向電能轉(zhuǎn)換。

1.1 單向無序電能供給模式

單向無序電能供給模式V0G（Vehicles Plug-in Without Logic/Control）是指把電動(dòng)汽車作為普通用電設(shè)備，采用成熟的單向變流技術(shù)，可以隨時(shí)接入電網(wǎng)立即進(jìn)行充電的模式。V0G是目前電動(dòng)汽車充電常見的方式，如高爾夫車、機(jī)場擺渡車等都采用這種充電方式。目前，V0G充電技術(shù)裝備已經(jīng)成熟，而且已經(jīng)市場化。

V0G存在的最大問題是作為大功率用電負(fù)荷的電動(dòng)汽車充電行為難以約束，充電全時(shí)刻由車主自行掌控，這樣若大量的電動(dòng)汽車無序充電勢必會(huì)增加電網(wǎng)的調(diào)峰難度。

1.2 單向有序電能供給模式

1.2.1 TC模式

TC（Timed Charging） 模式，即時(shí)間控制模式，是一種單向有序電能供給的充電模式。這種模式通過控制開始充電的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰充電，避免了電動(dòng)汽車在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段充電對電網(wǎng)的影響，同時(shí)，還能讓用戶享受低谷電價(jià)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，但是，由于種種原因，TC模式還不能完全根據(jù)電網(wǎng)峰谷狀態(tài)靈活地控制充電過程。這種模式的充電也是采用單向變流技術(shù)，不需要與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，目前技術(shù)裝備已經(jīng)成熟，已進(jìn)入示范運(yùn)行階段。

1.2.2 V1G模式

V1G（Vehicles Plug-in With Logic/Control Regulated Charge）也是一種單向有序電能供給的充電模式。采用這種模式電動(dòng)汽車與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，電動(dòng)汽車充電受電網(wǎng)控制，可在電網(wǎng)允許的時(shí)段進(jìn)行充電。這種模式能夠最優(yōu)化安排電動(dòng)汽車充電，提高了電網(wǎng)的利用效率，減少了電動(dòng)汽車充電對電網(wǎng)的影響，但是，在V1G模式下，電動(dòng)汽車的車載電池不能向電網(wǎng)輸送電能。

1.3 雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式

雙向有序電能供給模式V2G（Vehicles Plug-in With Logic/Control Regulated Charge/Discharge）是指電動(dòng)汽車能夠與電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，并受其控制，進(jìn)而電動(dòng)汽車可以與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換（充電或者放電）。在V2G模式下，電動(dòng)汽車的車載電池將會(huì)承載電網(wǎng)移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備、備用電源的功能[2]。目前，V2G模式正處在研究及示范階段，還不具備商業(yè)化運(yùn)行的市場環(huán)境。為此還需要先進(jìn)電網(wǎng)通信、調(diào)度、控制與保護(hù)技術(shù)的配合，需要峰谷電價(jià)政策以及電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻、需求響應(yīng)等有償服務(wù)政策的支持。

2 電動(dòng)汽車充放電設(shè)備與管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車充放電是智能電網(wǎng)與用戶雙向互動(dòng)的一部分，其互動(dòng)的內(nèi)容主要包括電網(wǎng)電價(jià)、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、車輛能量狀態(tài)以及計(jì)費(fèi)信息等。電動(dòng)汽車通過充放電設(shè)備與電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)，但隨著電動(dòng)汽車的不斷增加及其分散的特點(diǎn)，僅由智能電網(wǎng)雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)與電動(dòng)汽車通信并控制其充放電操作難以實(shí)現(xiàn)。因此，需在智能電網(wǎng)雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)與電動(dòng)汽車之間增加電動(dòng)汽車充放電管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的信息互動(dòng)，并根據(jù)雙方需求進(jìn)行優(yōu)化控制電動(dòng)汽車的充放電操作[3]。電動(dòng)汽車充放電過程電能與信息互動(dòng)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車充放電時(shí)電能與信息互動(dòng)過程

2.1 電動(dòng)汽車充放電設(shè)備

電動(dòng)汽車充放電設(shè)備主要包括為帶有車載充放電機(jī)的小型電動(dòng)乘用車服務(wù)的交流充放電樁和為公交、環(huán)衛(wèi)、郵政等公共服務(wù)車輛服務(wù)的直流充放電機(jī)兩類，主要完成對電動(dòng)汽車的充放電操作。

2.1.1 交流充放電樁

交流充放電樁主要為帶有車載充放電機(jī)的小型電動(dòng)乘用車服務(wù)，分散地安裝在低壓配電網(wǎng)中，將電動(dòng)乘用車與智能電網(wǎng)連接后，交流充放電樁具有智能充放電控制功能，能夠與充放電管理系統(tǒng)及電動(dòng)汽車通信，實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)以及電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能情況，智能控制電動(dòng)汽車車載充放電機(jī)適時(shí)地進(jìn)行充放電操作，在電網(wǎng)低谷時(shí)段或電動(dòng)汽車有剛性充電需求時(shí)，對電動(dòng)汽車的車載動(dòng)力電池進(jìn)行充電；在電網(wǎng)高峰時(shí)段并且電動(dòng)汽車的車載動(dòng)力電池電能有富余時(shí)，由車載充放電機(jī)通過交流充電樁為電網(wǎng)供電。

交流充放電樁的主要功能包括與充放電管理系統(tǒng)通信；具備手動(dòng)設(shè)置定電量、定時(shí)間、自動(dòng)充放電等功能；具備遠(yuǎn)程接受充放電管理系統(tǒng)控制，自動(dòng)進(jìn)行充放電，雙向計(jì)量計(jì)費(fèi)的功能；具備完善的安全防護(hù)功能，包括急停開關(guān)、輸出側(cè)的剩余電流保護(hù)與過流保護(hù)、孤島保護(hù)等功能；人機(jī)交互功能。

2.1.2 直流充放電機(jī)

公交、郵政、救護(hù)、環(huán)衛(wèi)等社會(huì)公共用車具有行駛區(qū)域和行駛里程相對穩(wěn)定、停車場地固定，適宜在停車場所建設(shè)集中充放電站。由于社會(huì)公共服務(wù)用車車載電池容量很大，充電功率也很大，因此適宜采用地面直流充放電機(jī)對其進(jìn)行充放電操作。由于充放電站的集中性，可在站內(nèi)配置充放電管理系統(tǒng)，統(tǒng)籌安排站內(nèi)電動(dòng)汽車的充放電操作。

直流充放電機(jī)主要功能包括動(dòng)力電池管理系統(tǒng)通信，用于判斷電池類型，獲得動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)以及充電前和充電過程中動(dòng)力電池的狀態(tài)參數(shù)；與充放電管理系統(tǒng)通信，上傳充電機(jī)和動(dòng)力電池的工作狀態(tài)、參數(shù)、故障報(bào)警燈信息，接受控制命令；依據(jù)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，安全智能地完成充電過程；具有人機(jī)交互功能，能夠顯示包括電池類型、充放電模式、充放電電壓和電流等信息，具有手動(dòng)設(shè)定權(quán)限內(nèi)的參數(shù)以及出現(xiàn)故障時(shí)有相應(yīng)信息提示的功能；雙向計(jì)量計(jì)費(fèi)的功能；具備完善的安全防護(hù)功能，包括急停開關(guān)、輸出側(cè)的剩余電流保護(hù)與過流保護(hù)、孤島保護(hù)功能等；

2.2 電動(dòng)汽車充放電管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車充放電管理系統(tǒng)不僅通過充放電設(shè)備與電動(dòng)汽車通信，還與智能電網(wǎng)相關(guān)的系統(tǒng)通信，綜合采集電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)雙方的需求合理控制電動(dòng)汽車的充放電操作。電動(dòng)汽車充放電管理系統(tǒng)既可以統(tǒng)一調(diào)度管理同一停車區(qū)域的交流充放電樁，也可以統(tǒng)一調(diào)度管理某一個(gè)集中充放電站內(nèi)的直流充放電機(jī)。電動(dòng)汽車充放電管理系統(tǒng)的主要功能包括以下幾方面。

a）與相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備通信功能。與充放電設(shè)備通信，向充放電設(shè)備發(fā)送控制命令，統(tǒng)籌調(diào)度充放電操作；與動(dòng)力電池管理系統(tǒng)通信，了解電動(dòng)汽車（電池）的當(dāng)前狀態(tài)，適宜充電還是放電以及可以接受的充電或放電的功率；與智能電網(wǎng)通信，獲取電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，為調(diào)度電動(dòng)汽車充放電操作提供依據(jù)。

b）人工及自動(dòng)充放電管理功能。通過人機(jī)界面控制充放電設(shè)備，進(jìn)行充放電操作。綜合電動(dòng)汽車及電網(wǎng)狀態(tài)信息，動(dòng)態(tài)執(zhí)行充放電策略，實(shí)現(xiàn)合理優(yōu)化的雙向電能流動(dòng)。

c）對充放電設(shè)備、車載動(dòng)力電池相關(guān)電壓、電流、電池負(fù)荷狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集功能。

d）充放電故障報(bào)警記錄功能。單體電池內(nèi)阻超限報(bào)警，電壓超高、超低報(bào)警失電和故障報(bào)警并自動(dòng)記錄各種故障與報(bào)警的內(nèi)容與時(shí)間。

3 電動(dòng)汽車充放電對配電網(wǎng)的影響

隨著電動(dòng)汽車的推廣普及，將大量建設(shè)由多臺(tái)直流充放電機(jī)構(gòu)成的集中充放電站以及廣泛分布在各類停車場所的交流充放電樁，逐步形成完善的電動(dòng)汽車充放電設(shè)施，隨著充放電設(shè)施規(guī)模的不斷擴(kuò)大，它們對配電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 隨機(jī)性的快速充電對電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊

如果采用100 A以上的快速充電為電動(dòng)汽車進(jìn)行隨機(jī)的電能補(bǔ)充，單車的快速充電功率將達(dá)到數(shù)百千瓦以上。假若在某一時(shí)刻這種快速充電行為同時(shí)進(jìn)行，將會(huì)對當(dāng)?shù)氐呐潆娋W(wǎng)產(chǎn)生極大的功率沖擊，引起該地區(qū)配電網(wǎng)的局部過負(fù)荷問題，對電網(wǎng)造成不利影響[4]。所以，在電動(dòng)汽車普及過程中應(yīng)對電動(dòng)汽車使用者進(jìn)行正確引導(dǎo)，合理安排充電時(shí)間。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，可以考慮將儲(chǔ)能充電站在低谷時(shí)段存儲(chǔ)的電能為電動(dòng)汽車提供臨時(shí)性的電能快速補(bǔ)充，既能滿足電動(dòng)汽車的充電需求，又可避免快速充電對電網(wǎng)帶來的負(fù)荷沖擊。

3.2 對電能質(zhì)量的影響

由于電動(dòng)汽車采用電力電子型設(shè)備進(jìn)行雙向變流充放電操作，易產(chǎn)生諧波，造成諧波污染，給電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量問題，需要對電動(dòng)汽車充放電設(shè)備的諧波等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制[5]。針對充電設(shè)備帶來的諧波污染等問題，可以總結(jié)出以下對策[6]。

a）貫徹執(zhí)行與諧波相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，從總體上控制供電系統(tǒng)諧波水平。

b）增加換流裝置的相數(shù)，換流裝置是主要的諧波源之一，當(dāng)脈動(dòng)數(shù)由6增加到12時(shí)，可以大大降低諧波電流的有效值。

c）增裝無功補(bǔ)償裝置，提高系統(tǒng)承受諧波的能力。

d）加裝濾波裝置。對諧波污染可采用就地治理的辦法，在充電站就地完成諧波治理工作，未來的充電站建設(shè)可能越來越多地應(yīng)用綠色充電機(jī)（充電過程中能夠有效抑制諧波且功率因數(shù)較高的充電機(jī)）治理諧波。

3.3 對電網(wǎng)規(guī)劃的影響

電動(dòng)汽車普及以后，在每天的負(fù)荷高峰時(shí)段，電動(dòng)汽車車載電池存儲(chǔ)的能量將作為分布式電源按電網(wǎng)需求向配電網(wǎng)供電，由于電動(dòng)汽車的數(shù)量巨大，且具有移動(dòng)性和分散性的特點(diǎn)，電動(dòng)汽車充放電設(shè)施將對電網(wǎng)規(guī)劃中的配電容量設(shè)置、配電線路選型等產(chǎn)生巨大影響。因此，配電網(wǎng)規(guī)劃變得較為困難[7]，主要表現(xiàn)為電動(dòng)汽車隨機(jī)性的接入電網(wǎng)充電會(huì)影響系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測，使原有配電系統(tǒng)的規(guī)劃面臨更大的不確定性，難以確定后期的系統(tǒng)規(guī)劃。

未來，大量的電動(dòng)汽車將會(huì)借助完善的電動(dòng)汽車充放電設(shè)施與配電網(wǎng)緊密連接，通過智能充放電操作在配電網(wǎng)側(cè)顯著地平抑電網(wǎng)負(fù)荷、頻率波動(dòng)，極大地降低電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的需求，降低電網(wǎng)峰谷差，提高電網(wǎng)負(fù)荷率，降低電網(wǎng)備用發(fā)電容量需求，顯著改變了電網(wǎng)的運(yùn)行方式。因此，需要在電網(wǎng)規(guī)劃中考慮相關(guān)影響。

3.4 對配電網(wǎng)調(diào)度和繼電保護(hù)的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的受端是無源的輻射狀電網(wǎng)，其信息采集、配電調(diào)度等相對比較簡單，但未來電動(dòng)汽車的車載電池將承載智能電網(wǎng)移動(dòng)儲(chǔ)能單元的功能，不利于調(diào)度員準(zhǔn)確地進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，配電的調(diào)度過程也會(huì)復(fù)雜化，增加了監(jiān)控與調(diào)度的難度[8]。由于電動(dòng)汽車能夠?qū)崿F(xiàn)能量在車載電池與電網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換，使得傳統(tǒng)輻射狀供電模式的配電網(wǎng)發(fā)生根本性變化，潮流不再單向從變電站母線流向用戶負(fù)荷，配電網(wǎng)各種保護(hù)定值與機(jī)理也將隨之發(fā)生變化。繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)也將因此變得較為復(fù)雜，配合不好將會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，降低可靠性。

3.5 對配電設(shè)備的影響

電動(dòng)汽車的大規(guī)模使用，充放電的隨機(jī)性將引起負(fù)荷的瞬變，給配電容量配置、配電線路選型、繼電保護(hù)配合等帶來了很大困難，直接影響配電設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性、安全性和壽命。為滿足充電高峰時(shí)短時(shí)間的充電功率需求，需要配置高等級的配電容量，而在充電需求低谷時(shí)，會(huì)因配電設(shè)備的利用效率不高，造成資源浪費(fèi)。

3.6 對電網(wǎng)交易的影響

由于電動(dòng)汽車不僅可以從電網(wǎng)獲得能量補(bǔ)給，同時(shí)，還能向電網(wǎng)供電以及提供調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷響應(yīng)等輔助服務(wù)。因此，電網(wǎng)與電動(dòng)汽車交易模式將由單向變成雙向，由簡單變復(fù)雜，需要更加先進(jìn)、智能的電力市場交易技術(shù)來支撐。

4 結(jié)束語

隨著各國對電動(dòng)汽車研究的大力推進(jìn)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，未來，大量電動(dòng)汽車的充放電行為將會(huì)給配電網(wǎng)帶來較大影響，而電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能特性也將為電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供新的機(jī)遇。從負(fù)荷平衡的角度來看，電動(dòng)汽車使用和充電的時(shí)間特性具有削峰填谷的作用，因此，對電網(wǎng)的影響較小，有其積極的一面。電動(dòng)汽車充電的群聚效應(yīng)對配電網(wǎng)局部將產(chǎn)生較大的影響，這方面仍有待進(jìn)一步深入研究，以減少電動(dòng)汽車普及給電網(wǎng)帶來的影響。從電動(dòng)汽車充電未來的發(fā)展趨勢來看，短期內(nèi)主要考慮配電網(wǎng)規(guī)劃中電動(dòng)汽車充電設(shè)施的布點(diǎn)和容量配置，隨著電動(dòng)汽車走入普通家庭，研究大規(guī)模分布式的隨機(jī)充電對配電網(wǎng)影響將成為電動(dòng)汽車技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。

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