電動(dòng)汽車充電優(yōu)化研究現(xiàn)狀

陳浩然

摘 ?要：能源轉(zhuǎn)型是目前全球面臨的重要挑戰(zhàn)，而交通行業(yè)電氣化是能源轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)。近些年全球電動(dòng)汽車得到快速發(fā)展。而隨著電動(dòng)汽車保有量的增加，諸多由于電動(dòng)汽車充電產(chǎn)生的問題開始浮現(xiàn)，如集中性充電對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的增加等。因此需要對(duì)電動(dòng)汽車的充電行為進(jìn)行優(yōu)化。本文對(duì)電動(dòng)汽車充電行為優(yōu)化進(jìn)行相關(guān)分析及研究總結(jié)，為相關(guān)研究提供借鑒。

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源的快速消耗伴隨著大量的污染排放，造成全球氣候變暖，引發(fā)嚴(yán)重氣候?yàn)?zāi)害，同時(shí)，傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，導(dǎo)致全球環(huán)境惡化和能源緊張。為了緩解氣候變化，全球能源系統(tǒng)必須經(jīng)歷深刻的轉(zhuǎn)變，從主要基于化石燃料的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾矢叩幕诳稍偕茉吹南到y(tǒng)。終端能源部門的數(shù)字化、分散化和電氣化是被國際能源署認(rèn)為的推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的三大趨勢(shì)。其中交通運(yùn)輸行業(yè)的電氣化是重要部分。電動(dòng)汽車在運(yùn)輸領(lǐng)域有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：首先，電動(dòng)汽車以電作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車使用更便宜的燃料，這意味著每公里的電力成本通常低于汽油或柴油的成本。其次，電動(dòng)汽車幾乎無污染排放。它們有助于減少顆粒物質(zhì)和噪音排放。

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的轉(zhuǎn)型，電動(dòng)汽車提供了一個(gè)可以將更多的可再生能源引入整體發(fā)電組合可行的機(jī)會(huì)。然而，與傳統(tǒng)電網(wǎng)負(fù)荷性質(zhì)不同的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，受到電動(dòng)汽車充電行為與用戶使用習(xí)慣的影響，在時(shí)間上和空間上均有隨機(jī)性。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車占比越來越高，大規(guī)模電動(dòng)汽車同時(shí)接入電網(wǎng)進(jìn)行不受控制的充電，將會(huì)帶來突然性的高峰負(fù)荷，不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，通過不同的策略手段，充分利用電動(dòng)汽車負(fù)載靈活性，調(diào)控電動(dòng)汽車充電，使無序充電向有序充電轉(zhuǎn)化，進(jìn)而緩解對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響。

2.電動(dòng)汽車有序充電策略研究

目前，充電功率控制和充電時(shí)間控制是電動(dòng)汽車有序充電策略的兩大方向。

充電功率控制上，Yagcitekin and Uzunoglu（2016）以智能電網(wǎng)概念為基礎(chǔ)，提出了一種基在工作地點(diǎn)的停車場(chǎng)里，電動(dòng)汽車充電智能優(yōu)化算法，該算法在優(yōu)化電動(dòng)汽車的充電功率的同時(shí)，還控制每個(gè)變壓器的功率需求，變壓器容量，而且可以將電動(dòng)汽車導(dǎo)航到適當(dāng)?shù)某潆娬荆档统潆姵杀静⒎乐沽俗儔浩鞯倪^載[1]。

然而，通過控制充電功率方式時(shí)，電動(dòng)汽車用戶作為被動(dòng)參與者，只能被動(dòng)地受到調(diào)控，影響了參與充電調(diào)控的積極性，也在一定程度上影響了充電優(yōu)化效果。而充電時(shí)間控制則可以調(diào)動(dòng)電動(dòng)汽車用戶的積極性。對(duì)電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的研究表明，通過使用各種激勵(lì)手段，刺激鼓勵(lì)電動(dòng)汽車用戶在非高峰充電時(shí)段為車輛充電，達(dá)到對(duì)電動(dòng)汽車的充電行為的調(diào)控目的。所以，可以采取分時(shí)電價(jià)政策，定制合適的電價(jià)差，引導(dǎo)用戶自主選擇充電時(shí)段，激勵(lì)電動(dòng)汽車用戶在滿足出行需求的前提下，主動(dòng)參與充電調(diào)控。齊先軍等（2016）基于峰谷分時(shí)電價(jià)，提出了一種控制和優(yōu)化相結(jié)合的有序充電方法，通過控制器控制總負(fù)荷不高于住宅區(qū)功率限制值，并對(duì)此限值進(jìn)行優(yōu)化，保證電動(dòng)汽車最大程度地達(dá)到用戶預(yù)期荷電狀態(tài)，結(jié)果表明，基于功率限制的有序充電策略能有效地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，降低峰谷差[2]。

3.電動(dòng)汽車與可再生能源相結(jié)合研究

一些研究表明，包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的一般汽車停放時(shí)間約為其使用壽命的95%[3]。當(dāng)電動(dòng)汽車滲透率不斷增大，它們可以保持與電網(wǎng)的連接，成為支持系統(tǒng)運(yùn)行的有吸引力的靈活性解決方案，在可再生能源發(fā)電高峰時(shí)期充電用來促進(jìn)電力消納。綜上所述，未來的電力系統(tǒng)將越來越多地基于可再生能源，而運(yùn)輸系統(tǒng)將越來越多地被電氣化。未來可能會(huì)看到一個(gè)集成的，無排放的電力和運(yùn)輸系統(tǒng)，可再生能源不僅為電網(wǎng)提供動(dòng)力，還為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。擴(kuò)大電動(dòng)汽車部署也是電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)機(jī)會(huì)，有可能在電力系統(tǒng)中增加急需的靈活性，并支持高可再生能源的整合。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：1.電動(dòng)汽車與集中式可再生能源相互作用。2.電動(dòng)汽車與分布式可再生能源相互作用。

1.電動(dòng)汽車與集中式可再生能源相互作用

Chen et al.（2018）以2020年北京作為案例，采用小時(shí)模擬車輛充電行為和電力系統(tǒng)運(yùn)行，在一系列不同的風(fēng)力滲透水平情境下，探討不同類型的電動(dòng)車輛（公共汽車，出租車和私人輕型車輛）和不同模式（快速或慢速）的環(huán)境影響。結(jié)果顯示，慢速充電下，電動(dòng)私人輕型車輛可有效較少CO2的排放。然而，快速充電會(huì)得到相反結(jié)果。此外，電動(dòng)公交車和出租車是減少NOX排放的最有效方案[4]。

2.電動(dòng)汽車與分布式可再生能源相互作用

安裝在停車場(chǎng)上方的太陽能電池板具有巨大的潛力，可以為電動(dòng)汽車提供太陽能發(fā)電。這種方式可以減小充電對(duì)電網(wǎng)的影響。減少影響的程度取決于光伏、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展程度。新澤西州的一項(xiàng)研究估計(jì)了安裝在15平方米的停車場(chǎng)上方的光伏發(fā)電量。結(jié)果表明，在其工作半徑24公里之內(nèi)，其產(chǎn)生的能量就足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)通勤者往返工作[5]。

4.總結(jié)與展望

現(xiàn)有文獻(xiàn)將電動(dòng)汽車與可再生能源相結(jié)合進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)風(fēng)能整合研究較多，對(duì)太陽能相結(jié)合研究較少;同時(shí)，對(duì)太陽能結(jié)合分析時(shí)，多為對(duì)一個(gè)虛擬電廠或一個(gè)實(shí)際停車場(chǎng)或公共充電站為例，缺乏對(duì)未來分布式太陽能發(fā)展后，電動(dòng)汽車充電對(duì)城市帶來的效益評(píng)估。關(guān)于對(duì)光伏發(fā)電和電動(dòng)汽車充電進(jìn)行建模的組合，需要對(duì)本地配電網(wǎng)中的聯(lián)合使用和發(fā)電的可變性進(jìn)行改進(jìn)的建模。特別地，對(duì)于各種充電情景，例如家庭充電，工作地點(diǎn)充電和公共停車場(chǎng)充電等。城市規(guī)模的研究落后于以前在各個(gè)領(lǐng)域取得的進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

[1] ?YAGCITEKIN B，UZUNOGLU M. A double-layer smart charging strategy of electric vehicles taking routing and charge scheduling into account[J]. Applied Energy，2016，167：407–419.

[2] ?齊先軍，李冬偉，紀(jì)姝彥. 采用功率限制的住宅區(qū)電動(dòng)汽車有序充電控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（12）：3715–3721.

[3] ?PASAOGLU G，HONSELAAR M，THIEL C. Potential vehicle fleet CO2 reductions and cost implications for various vehicle technology deployment scenarios in Europe[J]. Energy Policy，2012，40：404–421.

[4] ?CHEN X，ZHANG H，XU Z，等. Impacts of fleet types and charging modes for electric vehicles on emissions under different penetrations of wind power[J]. Nature Energy，2018，3（5）：413–421.

[5] ?BIRNIE D P. Solar-to-vehicle（S2V）systems for powering commuters of the future[J]. Journal of Power Sources，2009，186（2）：539–542.