電動(dòng)汽車充放電對(duì)電網(wǎng)的影響分析

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(shí)代的到來，電動(dòng)汽車（electric vehicles，EV）應(yīng)運(yùn)而生。在 2012年兩會(huì)開幕之際，《科技日?qǐng)?bào)》授權(quán)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）》，明晰了我國電動(dòng)汽車的發(fā)展方向?！凹冸婒?qū)動(dòng)”將成為我國電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展方向，會(huì)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(shí)現(xiàn)我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化運(yùn)營。電動(dòng)汽車使用電力來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用石油對(duì)汽車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以緩解能源緊張的趨勢(shì)，減少溫室氣體的排放。預(yù)計(jì)到2020年和2030年我國汽車中乘用車保有量將會(huì)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(dòng)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(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。在電網(wǎng)峰荷時(shí)段向電網(wǎng)輸送電能，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(duì)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(dòng)汽車無約束的充電勢(shì)必會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行、規(guī)劃等方面產(chǎn)生巨大的影響。因此，了解電動(dòng)汽車充放電技術(shù)，分析研究電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的影響對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 電動(dòng)汽車充放電模式

電動(dòng)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(dòng)汽車接入電網(wǎng)即充電的模式。VOG是目前電動(dòng)汽車充電常見的方式，將電動(dòng)汽車（如電動(dòng)公交車、機(jī)場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)汽車無序充電勢(shì)必會(huì)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(dòng)汽車充電在給定的時(shí)間進(jìn)行，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(duì)電網(wǎng)的影響，還能讓用戶享受低谷電價(jià)帶來的經(jīng)濟(jì)效益。但是其控制方式簡單，不能根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)或電網(wǎng)的峰谷狀態(tài)自動(dòng)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(shí)時(shí)通信。

（2）V1G模式

V1G（vehicles plug-in with Logic／control regulated charge）模式是指電動(dòng)汽車充電受電網(wǎng)控制，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)間實(shí)時(shí)通信，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(duì)電網(wǎng)的影響。但是在V1G模式下，電動(dòng)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(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)汽車的車載電池可以與電網(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［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(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，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)汽車使用數(shù)量的不斷增加，及其分布分散的特點(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［5］。電動(dòng)汽車充放電過程電能與信息互動(dòng)如圖1所示。

3.1 電動(dòng)汽車充放電設(shè)備

圖1 電動(dòng)汽車充放電過程電能與信息互動(dòng)

電動(dòng)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(dòng)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(duì)電動(dòng)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(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，智能的控制電動(dòng)汽車車載充放電機(jī)適時(shí)的進(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(duì)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：①與充放電管理系統(tǒng)通信；②具備手動(dòng)設(shè)置定電量、定時(shí)間、自動(dòng)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(dòng)進(jìn)行充放電，雙向計(jì)量計(jì)費(fèi)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(huì)公共用車具有行駛區(qū)域和行駛里程相對(duì)穩(wěn)定、停車場(chǎng)地固定，適宜在停車場(chǎng)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(duì)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：①與動(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)；②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；③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(dòng)設(shè)定權(quán)限內(nèi)的參數(shù)以及出現(xiàn)故障時(shí)有提示相應(yīng)信息的功能；⑥雙向計(jì)量計(jì)費(fèi)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(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：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(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)。②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)。③對(duì)充放電設(shè)備、車載動(dòng)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(shí)時(shí)采集。④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。

4 電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)的影響

隨著電動(dòng)汽車的推廣普及，將會(huì)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(chǎng)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。充放電設(shè)施規(guī)模的不斷擴(kuò)大，它們對(duì)配電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 隨機(jī)性的快速充電對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷成熟，電動(dòng)汽車將會(huì)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(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)刻多個(gè)快速充電行為同時(shí)進(jìn)行，將會(huì)對(duì)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(duì)電網(wǎng)造成不利影響［6］。所以在電動(dòng)汽車普及過程中應(yīng)對(duì)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(duì)電網(wǎng)帶來的負(fù)荷沖擊。

4.2 對(duì)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(duì)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［7］。針對(duì)充電設(shè)備帶來的諧波污染等問題，可以總結(jié)出以下對(duì)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(dòng)數(shù)由6增加到12時(shí)，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(duì)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(duì)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)，因此電動(dòng)汽車充放電設(shè)施將對(duì)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(dòng)汽車隨機(jī)性地接入電網(wǎng)充電會(huì)影響系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)，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(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)顯著的平抑電網(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，顯著改變電網(wǎng)運(yùn)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(duì)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(duì)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)度員的準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)，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［11］。同時(shí)，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，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(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。

4.5 對(duì)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(jí)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)。

4.6 對(duì)電網(wǎng)交易的影響

電動(dòng)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(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(chǎng)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(dòng)汽車必然會(huì)迅速發(fā)展，大量電動(dòng)汽車的充電行為將給電網(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)行提供了新的機(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(duì)電網(wǎng)的影響有其積極的一面。電動(dòng)汽車充電的群聚效應(yīng)對(duì)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(dòng)汽車普及給電網(wǎng)帶來的影響。為適應(yīng)電動(dòng)汽車的發(fā)展，我國對(duì)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(diǎn)和容量。從電動(dòng)汽車充電未來的發(fā)展趨勢(shì)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，而未來，隨著電動(dòng)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(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)影響不可忽略的重要部分。

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