張海燕，李建偉

（1.廣東電網(wǎng)韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān) 512000；2.池州供電公司，安徽池州 247000）

1 前言

隨著能源日益緊張，低碳時代的到來，電動汽車（electric vehicles，EV）應(yīng)運而生。在 2012年兩會開幕之際，《科技日報》授權(quán)發(fā)布了《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃（摘要）》，明晰了我國電動汽車的發(fā)展方向。“純電驅(qū)動”將成為我國電動汽車技術(shù)的發(fā)展方向，會更加注重以充換電站為核心的能源供給基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，力求早日實現(xiàn)我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化運營。電動汽車使用電力來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用石油對汽車進(jìn)行驅(qū)動，可以緩解能源緊張的趨勢，減少溫室氣體的排放。預(yù)計到2020年和2030年我國汽車中乘用車保有量將會達(dá)到1.5億輛和2.5億輛的規(guī)模，這些車輛全部使用電力驅(qū)動的情況下，所使用電量分別為電網(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)，未來電動汽車的車載電池將會承載智能電網(wǎng)移動儲能單元的功能。在電網(wǎng)峰荷時段向電網(wǎng)輸送電能，電網(wǎng)低谷期間由電網(wǎng)向電動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，提高發(fā)電設(shè)備的綜合利用率，起到節(jié)能減排的效果［1-3］。在無經(jīng)濟(jì)利益和政策引導(dǎo)的情況下，大規(guī)模電動汽車無約束的充電勢必會對配電網(wǎng)的運行、規(guī)劃等方面產(chǎn)生巨大的影響。因此，了解電動汽車充放電技術(shù)，分析研究電動汽車充電對電網(wǎng)的影響對智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 電動汽車充放電模式

電動汽車充放電技術(shù)主要有單向無序電能供給模式，單向有序電能供給模式與雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式3種。

2.1 單向無序電能供給模式

單向無序電能供給模式（vehicles plug-in without Logic／control，VOG） 是指電動汽車接入電網(wǎng)即充電的模式。VOG是目前電動汽車充電常見的方式，將電動汽車（如電動公交車、機(jī)場擺渡車等）的車載電池作為普通用電設(shè)備接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，這種模式的充電設(shè)備主要采用單向變流技術(shù)，目前VOG充電技術(shù)裝備已經(jīng)成熟且市場化。

VOG無需與電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)通信，充電與否由車主掌控，如果大量的電動汽車無序充電勢必會增加電網(wǎng)的調(diào)峰難度。

2.2 單向有序電能供給模式

（1）TC模式

TC（timed charging）模式是指電動汽車充電在給定的時間進(jìn)行，這種模式通過控制開始充電的時間來實現(xiàn)錯峰充電，避免了電動汽車在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時段充電對電網(wǎng)的影響，還能讓用戶享受低谷電價帶來的經(jīng)濟(jì)效益。但是其控制方式簡單，不能根據(jù)實時電價或電網(wǎng)的峰谷狀態(tài)自動的掌控充電過程。TC模式的充電設(shè)備也是單向變流技術(shù)，不需要與電網(wǎng)進(jìn)行實時通信。

（2）V1G模式

V1G（vehicles plug-in with Logic／control regulated charge）模式是指電動汽車充電受電網(wǎng)控制，電動汽車與電網(wǎng)間實時通信，可在電網(wǎng)允許的時段進(jìn)行充電。這種模式能夠最優(yōu)化安排電動汽車充電，提高了電網(wǎng)的利用效率，減少了電動汽車充電對電網(wǎng)的影響。但是在V1G模式下，電動汽車不能向電網(wǎng)輸送電能。

2.3 雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式

雙向有序電能供給模式（vehicles plug-in with Logic／control regulated charge／discharge，V2G）是指電動汽車能夠與電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，并受其控制，進(jìn)而電動汽車的車載電池可以與電網(wǎng)之間實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換（充電或者放電）。在V2G模式下，電動汽車的車載電池將會承載電網(wǎng)移動儲能設(shè)備、備用電源的功能［4］。目前，國外發(fā)達(dá)國家正在進(jìn)行V2G的相關(guān)研究及示范工作。V2G模式需要先進(jìn)的電網(wǎng)通信、調(diào)度、控制與保護(hù)技術(shù)的支撐。

3 電動汽車充放電設(shè)備與管理系統(tǒng)

電動汽車充放電是智能電網(wǎng)與用戶雙向互動的，其互動的內(nèi)容主要包括電網(wǎng)電價、電網(wǎng)運行狀態(tài)、車輛能量狀態(tài)以及計費信息等。電動汽車通過充放電設(shè)備與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)電能的雙向流動，但隨著電動汽車使用數(shù)量的不斷增加，及其分布分散的特點，僅由智能電網(wǎng)雙向互動服務(wù)系統(tǒng)與電動汽車通信并控制其充放電操作難以實現(xiàn)，因此需在智能電網(wǎng)雙向互動服務(wù)系統(tǒng)與電動汽車之間增加電動汽車充放電管理系統(tǒng)來實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)之間的信息互動，并根據(jù)雙方需求進(jìn)行優(yōu)化控制電動汽車的充放電操作［5］。電動汽車充放電過程電能與信息互動如圖1所示。

3.1 電動汽車充放電設(shè)備

圖1 電動汽車充放電過程電能與信息互動

電動汽車充放電設(shè)備主要包括：①為帶有車載充放電機(jī)的小型電動乘用車服務(wù)的交流充放電樁；②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)。主要完成對電動汽車的充放電操作。

（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)的小型電動乘用車服務(wù)，分散地安裝在低壓配電網(wǎng)中，將電動乘用車與智能電網(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)及電動汽車通信，實時掌握電網(wǎng)的運行狀態(tài)以及電動汽車的儲能情況，智能的控制電動汽車車載充放電機(jī)適時的進(jìn)行充放電操作，在電網(wǎng)低谷時段或電動汽車有剛性充電需求時，對電動汽車的車載動力電池進(jìn)行充電；在電網(wǎng)高峰時段并且電動汽車的車載動力電池電能有富余時，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：①與充放電管理系統(tǒng)通信；②具備手動設(shè)置定電量、定時間、自動充放電等功能；③具備遠(yuǎn)程接受充放電管理系統(tǒng)控制，自動進(jìn)行充放電，雙向計量計費的功能；④具備完善的安全防護(hù)功能，包括具備急停開關(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；⑤人機(jī)交互功能。

（2）直流充放電機(jī)

公交、郵政、救護(hù)、環(huán)衛(wèi)等社會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)電動汽車的充放電操作。

直流充放電機(jī)主要功能包括：①與動力電池管理系統(tǒng)通信，用于判斷電池類型，獲得動力電池系統(tǒng)參數(shù)以及充電前和充電過程中動力電池的狀態(tài)參數(shù)；②與充放電管理系統(tǒng)通信，上傳充電機(jī)和動力電池的工作狀態(tài)、參數(shù)、故障報警燈信息，接受控制命令；③依據(jù)動力電池管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，安全智能的完成充電過程；④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；⑤具有手動設(shè)定權(quán)限內(nèi)的參數(shù)以及出現(xiàn)故障時有提示相應(yīng)信息的功能；⑥雙向計量計費的功能；⑦具備完善的安全防護(hù)功能，包括具備急停開關(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；

3.2 電動汽車充放電管理系統(tǒng)

電動汽車充放電管理系統(tǒng)，不僅通過充放電設(shè)備與電動汽車通信，還與智能電網(wǎng)相關(guān)的系統(tǒng)通信，綜合采集電動汽車與電網(wǎng)的實時狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)雙方的需求合理控制電動汽車的充放電操作。電動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)度管理某一個集中充放電站內(nèi)的直流充放電機(jī)。

電動汽車充放電管理系統(tǒng)的主要功能包括：①與相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備通信功能。與充放電設(shè)備通信，準(zhǔn)確地向充放電設(shè)備發(fā)送控制命令，統(tǒng)籌調(diào)度充放電操作；與動力電池管理系統(tǒng)通信，了解電動汽車（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)前運行狀態(tài)，為調(diào)度電動汽車充放電操作提供依據(jù)。②人工及自動充放電管理功能。通過人機(jī)界面控制充放電設(shè)備，進(jìn)行充放電操作。綜合電動汽車及電網(wǎng)狀態(tài)信息，動態(tài)執(zhí)行充放電策略，實現(xiàn)合理優(yōu)化的雙向電能流動。③對充放電設(shè)備、車載動力電池相關(guān)電壓、電流、電池荷狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集。④充放電故障報警記錄功能。單體電池內(nèi)阻超限報警，電壓超高、超低報警失電和故障報警并自動記錄各種故障與報警的內(nèi)容與時間。

4 電動汽車充放電對配電網(wǎng)的影響

隨著電動汽車的推廣普及，將會大量建設(shè)由多臺直流充放電機(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汽車充放電設(shè)施。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)在以下幾個方面。

4.1 隨機(jī)性的快速充電對電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊

隨著電動汽車技術(shù)的不斷成熟，電動汽車將會大規(guī)模的進(jìn)入人民生活。如果采用100A以上的快速充電為電動汽車進(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。假若在某一時刻多個快速充電行為同時進(jìn)行，將會對當(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［6］。所以在電動汽車普及過程中應(yīng)對電動汽車使用者進(jìn)行正確引導(dǎo)，合理安排充電時間。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，可以考慮將儲能充電站在低谷時段存儲的電能為電動汽車提供臨時性的電能快速補(bǔ)充，既能滿足電動汽車的充電需求，又可避免快速充電對電網(wǎng)帶來的負(fù)荷沖擊。

4.2 對電能質(zhì)量的影響

由于電動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［7］。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［8］：① 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。②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)脈動數(shù)由6增加到12時，可以大大降低諧波電流有效值。③增裝無功補(bǔ)償裝置，提高系統(tǒng)承受諧波的能力。④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。

4.3 對電網(wǎng)規(guī)劃的影響

電動汽車普及以后，在每天的負(fù)荷高峰時段，電動汽車車載電池存儲的能量將作為分布式電源按電網(wǎng)需求向配電網(wǎng)供電，由于電動汽車的數(shù)量巨大，且具有移動性和分散性的特點，因此電動汽車充放電設(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。配電網(wǎng)規(guī)劃變得較為困難［9］，主要表現(xiàn)為：電動汽車隨機(jī)性地接入電網(wǎng)充電會影響系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測，使原有的配電系統(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，大量的電動汽車將會借助完善的電動汽車充放電設(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)顯著的平抑電網(wǎng)負(fù)荷、頻率波動，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，顯著改變電網(wǎng)運行方式。因此，需要在電網(wǎng)規(guī)劃中考慮相關(guān)影響［10］。

4.4 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，但未來電動汽車的車載電池將承載智能電網(wǎng)移動儲能單元的功能，不利于調(diào)度員的準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測，配電的調(diào)度過程也會復(fù)雜化，增加了監(jiān)控與調(diào)度的難度［11］。同時，由于電動汽車能夠?qū)崿F(xiàn)能量在車載電池與電網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換，將使得傳統(tǒng)輻射狀供電模式的配電網(wǎng)發(fā)生根本性變化，潮流不再單向地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)計也將因此變得較為復(fù)雜，配合不好將會導(dǎo)致保護(hù)誤動，降低可靠性。

4.5 對配電設(shè)備的影響

電動汽車的大規(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。為滿足充電高峰時短時間的充電功率需求，需要配置高等級的配電容量，而在充電需求低谷時，會因配電設(shè)備的利用效率不高，造成資源浪費。

4.6 對電網(wǎng)交易的影響

電動汽車不僅可以從電網(wǎng)獲得能量補(bǔ)給，還能向電網(wǎng)供電，起到提供調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷響應(yīng)等輔助服務(wù)的功能，因此電網(wǎng)與電動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。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著能源的日益緊缺，電動汽車必然會迅速發(fā)展，大量電動汽車的充電行為將給電網(wǎng)帶來較大影響，而電動汽車的儲能特性也將為電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運行提供了新的機(jī)遇。從負(fù)荷平衡的角度來看，電動汽車使用和充電的時間特性具有削峰填谷的作用，因此對電網(wǎng)的影響有其積極的一面。電動汽車充電的群聚效應(yīng)對配網(wǎng)局部將產(chǎn)生較大的影響，仍有待進(jìn)一步深入研究，以減少電動汽車普及給電網(wǎng)帶來的影響。為適應(yīng)電動汽車的發(fā)展，我國對充電設(shè)施的建設(shè)非常迅猛，但缺乏成熟的理論和方法來規(guī)劃充電站的布點和容量。從電動汽車充電未來的發(fā)展趨勢來看，短期內(nèi)主要考慮配電網(wǎng)規(guī)劃中電動汽車充電設(shè)施的布點和容量配置，而未來，隨著電動汽車走入普通家庭，大規(guī)模分布式的家庭充電將成為研究電動汽車充電對電網(wǎng)影響不可忽略的重要部分。

［1］孫逢春.電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.科學(xué)中國人，2006（8）：44-47.

［2］張文亮，武 斌，李武峰，等.我國純電動汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（4）：1-5.

［3］楊孝綸.電動汽車技術(shù)發(fā)展趨勢及前景（上）［J］.汽車科技，2007（6）：10-13.

［4］田立亭，史雙龍，賈 卓.電動汽車充電功率需求的統(tǒng)計學(xué)建模方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（11）：126-130.

［5］康繼光，衛(wèi)振林，程丹明，等.電動汽車充電模式與充電站建設(shè)研究［J］.電力需求側(cè)管理，2009，11（5）：64-66.

［6］李俄收，吳文民.電動汽車蓄電池充電對電力系統(tǒng)的影響及對策［J］.華東電力，2010，38（1）：109-113.

［7］陳新琪，李 鵬，胡文堂，等.電動汽車充電站對電網(wǎng)諧波的影響分析［J］.中國電力，2008，41（9）：31-36.

［8］陳玉進(jìn).電動汽車充電設(shè)備特點及對電網(wǎng)影響探討［J］.湖北電力，2009，33（6）：48-50.

［9］王 敏，丁 明.含分布式電源的配電系統(tǒng)規(guī)劃［J］.電力系統(tǒng)自動化學(xué)報，2004，16（6）：5-9.

［10］徐 凡，俞國勤，顧臨峰，等.電動汽車充電站布局規(guī)劃淺析［J］.華東電力，2009，17（10）：1678-1682.

［11］韋 鋼，吳偉力，胡丹云，等.分布式電源及其并網(wǎng)時對電網(wǎng)的影響［J］.高電壓技術(shù)，2007，35（7）：36-40.