電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的關(guān)鍵問(wèn)題分析與展望

龔華容

摘要：電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷、參與調(diào)頻、提供備用等作用，對(duì)于電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和提高新能源發(fā)電消納能力具有重要意義。本文對(duì)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的集中式控制、分布式控制、分層控制策略進(jìn)行了分析；并對(duì)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；控制策略；電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)（V2G）；智能電網(wǎng)

隨著環(huán)境的不斷惡化以及能源的不斷消耗，各國(guó)政府已經(jīng)意識(shí)到，節(jié)能減排甚至是零污染的汽車技術(shù)將是占領(lǐng)未來(lái)汽車領(lǐng)域制高點(diǎn)的關(guān)鍵，而發(fā)展能夠與電網(wǎng)互動(dòng)（vehicletoGrid）的電動(dòng)汽車技術(shù)則是解決這個(gè)技術(shù)難點(diǎn)的突破口。

一、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的控制策略

（一）分布式控制

分布式控制是指電動(dòng)汽車的充放電計(jì)劃在本地進(jìn)行決策的控制方法，各電動(dòng)汽車根據(jù)調(diào)控信號(hào)（該調(diào)控信號(hào)可以是價(jià)格信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)、本地量測(cè)的電壓，電流信號(hào)，或者控制中心，集中商發(fā)布的其他控制信號(hào)），制定充放電計(jì)劃。多數(shù)情況下，控制中心/集中商需根據(jù)電動(dòng)汽車反饋的充放電計(jì)劃修正控制信號(hào)，引導(dǎo)電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。分布式控制方法需要一個(gè)控制中心向各電動(dòng)汽車廣播控制信號(hào)，控制中心與各電動(dòng)汽車之間需要雙向通信，通過(guò)信息交互（在交互過(guò)程中往往需要進(jìn)行迭代），實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。其基本思路是將原優(yōu)化問(wèn)題分解為各個(gè)電動(dòng)汽車在已知控制信號(hào)的前提下的本地優(yōu)化問(wèn)題以及控制信號(hào)的迭代更新問(wèn)題，需保證分解后問(wèn)題的解仍可收斂至原問(wèn)題的解，在設(shè)計(jì)算法的過(guò)程中往往運(yùn)用了分布式計(jì)算的相關(guān)理論，例如對(duì)偶分解算法、ADMM（altematingdirectionmethodofmultipliers）算法等。分布式策略中，各電動(dòng)汽車通過(guò)采集本地，臨近區(qū)域的信息（例如本地的頻率、電壓等信息），進(jìn)行本地決策，控制信號(hào)為單向，不存在與控制中心之間的雙向通信。基于價(jià)格引導(dǎo)的手段，可以看作一種特殊的電動(dòng)汽車分布式控制方法。電價(jià)作為控制信號(hào)，各電動(dòng)汽車根據(jù)價(jià)格信號(hào)，以最小化充電費(fèi)用為目標(biāo)，進(jìn)行本地決策。電網(wǎng)公司可通過(guò)調(diào)整電價(jià)間接影響電動(dòng)汽車的充放電策略?？傮w而言，分布式控制適用于解決大規(guī)模分散電動(dòng)汽車的優(yōu)化控制問(wèn)題，可將計(jì)算量分散至各電動(dòng)汽車，減輕控制中心的計(jì)算負(fù)擔(dān)，減少計(jì)算時(shí)間；另外，當(dāng)設(shè)計(jì)的分布式控制策略中各電動(dòng)汽車通過(guò)量測(cè)本地信息（頻率、電壓、電流等信息）進(jìn)行決策時(shí)，可有效減少通信成本，特別適用于通信難以實(shí)現(xiàn)或成本較高的場(chǎng)合。

（二）分層控制

分層控制是解決大規(guī)模V2G問(wèn)題的另一種思路。將大規(guī)模的電動(dòng)汽車群體分解為多個(gè)較小的電動(dòng)汽車群體，各個(gè)小群體交由集中商，控制中心進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)小群體電動(dòng)汽車的有序充放電，頂層控制則關(guān)注多個(gè)電動(dòng)汽車群體之間的協(xié)調(diào)配合。通過(guò)分層控制，將大規(guī)模電動(dòng)汽車互動(dòng)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為規(guī)模較小的電動(dòng)汽車互動(dòng)控制問(wèn)題以及多個(gè)集中商，控制中心之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化問(wèn)題，降低了優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)模和求解難度。各集中商/控制中心只需關(guān)注所轄電動(dòng)汽車群體與電網(wǎng)的互動(dòng)策略。

（三）集中式控制

集中式控制是指在一個(gè)控制中心匯總各電動(dòng)汽車的信息，由控制中心集中決策各電動(dòng)汽車的充放電計(jì)劃，并下達(dá)給各電動(dòng)汽車的控制方法。集中式控制的優(yōu)點(diǎn)在于其控制思路簡(jiǎn)單清晰，策略易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)在于所有電動(dòng)汽車信息的存儲(chǔ)與優(yōu)化計(jì)算都在控制中心完成，在電動(dòng)汽車大規(guī)模接入的情況下，可能會(huì)給控制中心帶來(lái)較大的存儲(chǔ)與計(jì)算負(fù)擔(dān)，當(dāng)優(yōu)化問(wèn)題非凸或優(yōu)化變量含有整數(shù)變量時(shí)，求解時(shí)間較長(zhǎng)甚至難以求得最優(yōu)解。

二、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的成本一效益

在實(shí)施V2G之前應(yīng)首先進(jìn)行V2G的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。Kempton教授率先研究了純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車這3種電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)與備用服務(wù)的成本效益，研究結(jié)果表明，電動(dòng)汽車通過(guò)V2G參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)所帶來(lái)的收益最高。用戶駕駛行為的不確定性會(huì)對(duì)其實(shí)際收益產(chǎn)生較大影響，在德國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制下，用戶通過(guò)V2G參與電網(wǎng)調(diào)頻的凈收益較低，對(duì)用戶的吸引力較小。電動(dòng)汽車只參與下調(diào)頻服務(wù)時(shí)，調(diào)頻的容量為2.9-6kW，月收益可達(dá)48.7-365.3元。當(dāng)電動(dòng)汽車參與上調(diào)（需要放電）服務(wù)時(shí)，凈收益大幅減少。其原因主要是，參與上調(diào)服務(wù)需要進(jìn)行更多的投資，如充放電機(jī)、計(jì)量裝置、線路的升級(jí)改造等。在丹麥電力市場(chǎng)中，電動(dòng)汽車參與V2G二次調(diào)頻服務(wù)的每月收益為49.8～1327.4元（以1.12元=1丹麥克朗計(jì)算）。停車場(chǎng)通過(guò)管理電動(dòng)汽車參與V2G進(jìn)行套利的調(diào)度模型，該模型在考慮電網(wǎng)約束和車輛行駛約束的基礎(chǔ)上，以車主利潤(rùn)最大化為目標(biāo)，在美國(guó)CAISO市場(chǎng)下每日電價(jià)曲線及不同停車場(chǎng)容量下的套利情況。通過(guò)V2G降低風(fēng)電出力不確定性的電動(dòng)汽車充放電策略，并進(jìn)行了成本效益分析，結(jié)果表明所提模型能夠減少風(fēng)電功率偏離所導(dǎo)致的懲罰金額，并且能夠保證電動(dòng)汽車用戶從中獲得高于V2G服務(wù)成本的收益。電動(dòng)汽車在充、換電這2種不同模式下參與V2G充放電的成本效益，并且對(duì)V2G的容量成本效益以及機(jī)組運(yùn)行成本效益進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明單輛私家電動(dòng)汽車在5年內(nèi)可創(chuàng)造超過(guò)萬(wàn)元的效益。

三、應(yīng)用前景分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前90%以上的乘用車輛平均每天行駛時(shí)間1h左右，95%的時(shí)間處于閑置狀態(tài)，并且76%的駕駛者日行駛里程在75km以內(nèi)，故乘用車具有行駛里程短、停駛時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，蘊(yùn)藏與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)的巨大潛力。以提供調(diào)頻服務(wù)為例，2016年我國(guó)電動(dòng)汽車保有量接近100萬(wàn)輛。按每輛車以5千瓦的功率每日向電網(wǎng)倒送10度電計(jì)算，每日可提供1000萬(wàn)度的電力支撐。按照估算，區(qū)域內(nèi)1000輛電動(dòng)汽車同時(shí)參與調(diào)頻服務(wù)，其調(diào)頻效果與30MW發(fā)電機(jī)組相當(dāng)。另外，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)可以大大提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電的接納能力。風(fēng)能和太陽(yáng)能因其具不可預(yù)測(cè)性、波動(dòng)性和間歇性，目前所建風(fēng)力發(fā)電廠60%以上能量都因?yàn)椴粔蚍€(wěn)定而無(wú)法接入電網(wǎng)。應(yīng)用該技術(shù)，可用電動(dòng)汽車電池來(lái)儲(chǔ)存風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)出的電能，再穩(wěn)定送入電網(wǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，電動(dòng)汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將逐步顯現(xiàn)，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)必將具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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