電動汽車V2G關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

萬雄　彭憶強(qiáng)　鄧鵬毅　楊麗蓉　毛攀

摘 要：V2G（Vehicle-to-grid）技術(shù)能夠優(yōu)化能源效率，參與電網(wǎng)調(diào)度，促進(jìn)電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。文章首先闡述了V2G的概念，其次從電動汽車儲能應(yīng)用研究、電動汽車可調(diào)度容量研究和電動汽車移動儲能對于配網(wǎng)影響及其協(xié)同控制研究等三個方面，綜述了國內(nèi)外V2G技術(shù)的研究狀況。最后介紹了國內(nèi)外部分有關(guān)V2G的示范應(yīng)用，并對V2G關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究狀況進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：電動汽車;V2G（Vehicle-to-grid）;電網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù)中圖分類號：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-09-04

Abstract： V2G （Vehicle-to-grid） technology can optimize energy efficiency， participate in power grid dispatching， and promote the security， stability， reliability and economy of power grid. Firstly， the concept of V2G is introduced. Secondly， the research status of V2G technology at home and abroad is summarized from three aspects： the application research of energy storage of electric vehicles， the research of dispatchable capacity of electric vehicles and the impact of mobile energy storage of electric vehicles on distribution network and its collaborative control. Finally， some demonstration applications of V2G at home and abroad are introduced， and the research status of key technologies of V2G at home and abroad is summarized.Keywords： Electric vehicle; V2G（Vehicle-to-grid）; Power grid; Key technologiesCLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-09-04

前言

隨著我國電動汽車保有量的快速增加，大規(guī)模的電動汽車隨機(jī)地接入電網(wǎng)充電，會造成電網(wǎng)負(fù)荷急劇增加，加大電網(wǎng)的用電波動，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此需要深入挖掘電動汽車的移動儲能特性，并結(jié)合V2G關(guān)鍵技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)電動汽車的有序充放電。

1 V2G概念

V2G（Vehicle-to-grid）即為車到電網(wǎng)，它的核心思想在于電動汽車和電網(wǎng)的互動，利用V2G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電動汽車和電網(wǎng)之間的雙向通信和雙向能量流，能夠有效管理電動汽車的充放電過程，最小化電動汽車負(fù)荷對電網(wǎng)的沖擊，同時充分利用電動汽車電池資源增加電網(wǎng)能量管理靈活性和穩(wěn)定性^[1]。在V2G模式（如圖1所示）下，電動汽車具有負(fù)荷和儲能雙重屬性，電動汽車在接入電網(wǎng)充電時相當(dāng)于電網(wǎng)的負(fù)荷;相反，電動汽車可將自身電量輸出到電網(wǎng)，此時電動汽車則作為電網(wǎng)的儲能單元。

2 V2G關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外研究狀況

2.1 電動汽車儲能應(yīng)用研究

在國外，Kempton 等學(xué)者首先對電動汽車的潛在儲能特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)通過對電動汽車充放電過程的有序控制，即讓電動汽車在電網(wǎng)系統(tǒng)低負(fù)荷時充電、高負(fù)荷時放電，能夠提高電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性^[2]。此外，Saber等人分析了在停車場內(nèi)控制電動汽車充放電對發(fā)電成本的影響^[3]。 Bessa分析了電動汽車參與電網(wǎng)輔助服務(wù)，如調(diào)頻、應(yīng)急備用等的成本和收益^[4]。在消納風(fēng)能等波動性較大的清潔能源方面，Lunda等研究了V2G技術(shù)對提高風(fēng)能發(fā)電接入電網(wǎng)能力的作用^[5]。在考慮電動汽車用戶使用具有隨機(jī)性的前提下，Dallinger 等研究了電動汽車的儲能特性，最終證明了電動汽車V2G技術(shù)能夠在保證電池壽命不被損傷條件下，發(fā)揮可靠的儲能作用^[6]。

國內(nèi)對于電動汽車儲能的研究起步較晚，但隨著國內(nèi)電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車移動儲能方面的研究也取得了大量突出的成就。清華大學(xué)、北京交通大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的一些團(tuán)隊(duì)對于電動汽車移動儲能研究取得了一些成果。清華大學(xué)胡澤春教授等提出了一種基于電動汽車使用和停放特性并考慮時空分布的充電負(fù)荷預(yù)測方法^[7]，利用了停車生成率模型和蒙特卡洛仿真對電動汽車移動負(fù)荷進(jìn)行建模和仿真。東南大學(xué)黃學(xué)良教授團(tuán)隊(duì)植根于三級CS選擇模型和CS能量控制算法（CSECA），提出了一種基于計(jì)費(fèi)預(yù)約和計(jì)費(fèi)樁裝訂服務(wù)的高效計(jì)費(fèi)服務(wù)系統(tǒng)，能夠加快電動汽車的平均充電速度，提高充電站新能源的平均即時利用率^[8]。北京交通大學(xué)姜久春教授等在電動汽車移動儲能的研究方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，他們提出了綜合考慮電網(wǎng)約束、電池約束和車主使用需求的電動汽車移動儲能系統(tǒng)模型^[9]，在模型的基礎(chǔ)上，還對電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻等輔助服務(wù)進(jìn)行了研究，分析了電動汽車V2G技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)上的優(yōu)勢，提出了電動汽車輔助電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)和運(yùn)行原理^[10]。

2.2 電動汽車可調(diào)度容量研究

當(dāng)電網(wǎng)處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時，需要電動汽車參與調(diào)頻、調(diào)峰等輔助服務(wù)，則需要電動汽車能夠提供滿足電網(wǎng)需求的可調(diào)度容量。對此，Kempton教授率先展開了在該方面的研究，他提出了決定電動汽車可調(diào)度能力的幾個要素，首先是線路的容量輸送能力，其次是電動汽車中存儲的能量，最后是電動汽車逆變器的額定最大功率。但是這僅僅是從技術(shù)條件進(jìn)行了分析，忽略了電動汽車用戶的駕駛、出行等特性。文獻(xiàn)^[11]基于一輛電動汽車的可調(diào)度能力特性，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析得到了電動汽車群體的可調(diào)度能力。

此外，國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)^[12]綜合分析了電動汽車用戶的出行特性和充電特性，計(jì)算出了電動汽車充電調(diào)度時間和充電功率的可行域。文獻(xiàn)^[13]根據(jù)電動汽車的充電特性，建立了電動汽車SOC隨時間變化的使用模型，最終計(jì)算出電動汽車在一天中的可用容量。

2.3 電動汽車移動儲能對于配網(wǎng)影響及其協(xié)同控制研究

在含電動汽車移動儲能對于配網(wǎng)影響及其協(xié)同控制研究層面，文獻(xiàn)^[14]對德國和瑞典的電動汽車調(diào)頻服務(wù)進(jìn)行了分析，研究得出在德國電動汽車通過參與輔助服務(wù)每車每月可獲得30～80歐元的收益，但是在瑞典則不能取得收益。文獻(xiàn)^[15]研究了英國電動汽車在多場景下進(jìn)行車網(wǎng)互動的效果。文獻(xiàn)^[16，17]提出了微網(wǎng)下電動汽車通過V2G技參與電力系統(tǒng)調(diào)頻服務(wù)的控制策略。文獻(xiàn)^[18]提出了一種利用插電式混合動力汽車（PHEV）、工作循環(huán)協(xié)調(diào)控制的可控?zé)峒矣秒娖骱头稚⑹綗犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組對二次調(diào)頻（負(fù)載頻率控制）信號進(jìn)行跟蹤的方法?？刂苿幼髟趨⑴c單元上的分布由聚合器執(zhí)行，聚合器利用允許包含單元和網(wǎng)格約束的模型預(yù)測控制策略。除個別動態(tài)行為外，還考慮了機(jī)組在白天的不同可用性。文獻(xiàn)^[19]提出了一種新的附加負(fù)載頻率控制（LFC）方法。在風(fēng)電與光伏發(fā)電高度集成的電力系統(tǒng)模型上進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該方法的有效性。使電動汽車荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）被控制在85%±5%范圍內(nèi)。

在國內(nèi)相關(guān)研究中，文獻(xiàn)^[20]根據(jù)電動汽車的移動儲能特性，提出微電網(wǎng)下電動汽車作為儲能應(yīng)用的工程化配置方案，進(jìn)而降低微電網(wǎng)的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)^[21]在同時滿足電池、電網(wǎng)和車主約束的基礎(chǔ)上提出了電動汽車作為分布式儲能的控制策略，不僅能夠提高電動汽車儲能運(yùn)用的可調(diào)度性，還能減少電動汽車充放電的切換次數(shù)，進(jìn)而防止電動汽車電池的過度衰減。文獻(xiàn)^[22]基于電動汽車的出行特性、電池狀態(tài)和用戶參與意愿等，提出了大規(guī)模電動汽車有序充電策略。文獻(xiàn)^[23]在風(fēng)光儲一體的系統(tǒng)中，提出了動態(tài)電價調(diào)整策略，將電動汽車最大化地參與到微電網(wǎng)的調(diào)度，最后對比分析了電動汽車無序充電和有序充放電情況下微電網(wǎng)的等效負(fù)荷以及儲能運(yùn)行情況。文獻(xiàn)^[24]建立了 電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)的模型，研究了該模型對車網(wǎng)互動服務(wù)的控制作用和效果。文獻(xiàn)^[25]提出了基于線性矩陣不等式并且具有一定魯棒性的電動汽車參與負(fù)荷頻率混合控制方法。文獻(xiàn)^[26]提出了計(jì)及電動汽車靜態(tài)頻率特性的負(fù)荷頻率控制方法，通過仿真計(jì)算表明，電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻響應(yīng)速度更快，經(jīng)濟(jì)性更高。

3 國內(nèi)外V2G示范應(yīng)用

2016年日產(chǎn)公司首次在英國安裝了8臺V2G充電樁，供內(nèi)部員工使用。除此之外，日產(chǎn)公司的電力設(shè)備供應(yīng)商Enel公司也于2016年年初啟動了V2G試點(diǎn)項(xiàng)目，在英國境內(nèi)供投放了100臺V2G充電樁。2018年，英國政府繼續(xù)支持啟動了21個V2G試點(diǎn)，最多支持75%的項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

2014年美國西南研究院（SWRI）開始推廣V2G集中管理控制系統(tǒng)，以此來管理大規(guī)模的電動汽車的充放電，當(dāng)電網(wǎng)頻率遠(yuǎn)低于正常工作頻率時，可以通過該系統(tǒng)延遲汽車充電時間。同年，在美國國防部和加州能源委員會的支持下，洛杉磯空軍基地也開展了V2G的示范項(xiàng)目，首次將V2G技術(shù)應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。

日本已經(jīng)將電動汽車V2X技術(shù)作為促進(jìn)電動汽車推廣和普及的關(guān)鍵策略之一。如V2H（Vehicle-to-Home）技術(shù)，即利用蓄電池中存儲的電力為住宅供電，以及V2G技術(shù)（Vehicle-to-grid），即將電動汽車接入電網(wǎng)，參與削峰填谷及消納再生能源等輔助服務(wù)。日本三大新能源車企，日產(chǎn)、三菱、豐田目前均在研發(fā)可實(shí)現(xiàn)V2G的系統(tǒng)，并有少量的試點(diǎn)應(yīng)用。2018年5月，在日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）提供補(bǔ)貼支持下，豐田通商聯(lián)合中部電力公司啟動了豐田愛知縣的V2G示范項(xiàng)目。

目前，我國已經(jīng)在北京、蘇州等城市開展了V2G的試點(diǎn)研究。2017年，國網(wǎng)江蘇電力公司開展相關(guān)科研項(xiàng)目，在蘇州工業(yè)園區(qū)內(nèi)建成60臺交直流充放電樁，可以通過即插即用裝置與控制中心進(jìn)行認(rèn)證和互動，獲得電網(wǎng)調(diào)度曲線和負(fù)荷曲線，提高用戶參與到車網(wǎng)互動的意愿。2018年，國網(wǎng)江蘇電力公司在蘇州同里建設(shè)綜合能源服務(wù)中心，建成帶有虛擬同步機(jī)功能的V2G充電樁。

4 結(jié)論

基于V2G技術(shù)使電動汽車與電網(wǎng)互動能夠合理分配電網(wǎng)負(fù)荷，用戶也可從參與電網(wǎng)調(diào)度服務(wù)中獲得相應(yīng)的收益，降低了電動汽車整個生命周期的使用成本，V2G技術(shù)的使用將有利于電動汽車的推廣和普及。

國內(nèi)外已對電動汽車作為儲能參與到配電網(wǎng)的互動問題展開了研究。而對電動汽車移動儲能特性研究較少，處于起始階段，因此建立電動汽車移動儲能特性模型，提取電動汽車儲能特性與駕駛行為、SOC、充電行為的相關(guān)性，提出了電動汽車作為電網(wǎng)移動儲能服務(wù)的可用容量評估方法，是研究電動汽車V2G技術(shù)的基礎(chǔ)，對后續(xù)削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓的推進(jìn)具有重要意義。

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