智能配電網(wǎng)背景下的電動(dòng)汽車有序充電策略研究

劉 俊，方 豪，丁鵬云，李 健，彭俊春，王秋銀，黃孟陽(yáng)

（1.云南省能源研究院有限公司，云南 昆明 650599；2.云南省配售電有限公司，云南 昆明 650228）

0 前言

隨著新能源電動(dòng)汽車的加速發(fā)展，新能源電動(dòng)汽車充電負(fù)荷規(guī)模越來(lái)越大，將會(huì)對(duì)區(qū)域電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生巨大的影響。這些影響主要包括：電力負(fù)荷發(fā)展加快，對(duì)供電系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和現(xiàn)有電網(wǎng)規(guī)劃提出新的要求，需要改進(jìn)現(xiàn)有的供電系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，并要求現(xiàn)有電網(wǎng)規(guī)劃還必須滿足新能源電動(dòng)汽車大規(guī)模接入的要求；新能源電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)具有較大的偶然性和不可預(yù)測(cè)性，將加大電網(wǎng)控制的難度；影響傳統(tǒng)配電網(wǎng)安全、可靠及經(jīng)濟(jì)供電；大量新能源電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)直接接入配電網(wǎng)，將影響配網(wǎng)供電設(shè)備的利用率、配網(wǎng)損耗、配網(wǎng)供電質(zhì)量、配網(wǎng)靜態(tài)安全以及暫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等［1］。

能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日益受到各國(guó)重視，世界各國(guó)都在加大對(duì)清潔能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和傳統(tǒng)能源的高效利用，在此背景下，智能電網(wǎng)技術(shù)（Smart Distribution Grid，簡(jiǎn)稱SDG）應(yīng)運(yùn)而生。智能配電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前正在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展和建設(shè)。

圖1 智能配電網(wǎng)示意圖

1 智能配電網(wǎng)背景下的電動(dòng)汽車有序充電

1.1 智能配電網(wǎng)的基本概念

智能配電網(wǎng)（圖1）系統(tǒng)是聚集通信技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)整合配電網(wǎng)中的所有數(shù)據(jù)信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)在正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)、優(yōu)化、自愈及智能化管理，促進(jìn)分布式電源的大規(guī)模接入和消納，支持配網(wǎng)與用戶之間的互動(dòng)，以便保證提供用戶更加安全可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、清潔的電能［2］。

1.2 智能配電網(wǎng)的特征

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，SDG 的主要特性體現(xiàn)在：支持大量分布式電源的接入；支持與用戶互動(dòng)，創(chuàng)新用戶服務(wù)的著眼點(diǎn)在配電網(wǎng)；具有更高的安全性，能夠很好地抵御非自然損壞與自然災(zāi)害的破壞，避免出現(xiàn)大面積停電；具有更高的安全性、可靠度，供電可靠率達(dá)到99.99%，重點(diǎn)區(qū)域達(dá)99.9999%。盡可能地減少短時(shí)供電中斷；支持 DER 的大量接入，解決新能源發(fā)電并網(wǎng)問(wèn)題、支持分布式電源大量接入，允許的可再生能源發(fā)電、分布式電源滲透率大于50%；互動(dòng)性較高。支持能量互動(dòng)，用電信息互動(dòng)。

1.3 智能配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

智能配電網(wǎng)需要有電力系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的物理支持，還需要集成多種高端計(jì)算分析軟件［3］。智能配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括：配電自動(dòng)化、配電網(wǎng)自愈、有源配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、柔性交流配電（DFACTS）、高級(jí)量測(cè)體系（AMI）、用戶互動(dòng)技術(shù)。

1.4 智能配電網(wǎng)的典型模式

目前，智能配電網(wǎng)的典型模式有：泛能網(wǎng)、主動(dòng)配電網(wǎng)等。

1）泛能網(wǎng)：在泛能理念的指導(dǎo)下，利用智能數(shù)字技術(shù)，將能源網(wǎng)絡(luò)、物質(zhì)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)耦合形成的“能源互聯(lián)網(wǎng)”。將風(fēng)能、太陽(yáng)能、電能等多種能源，根據(jù)客戶需求進(jìn)行合理匹配和調(diào)度。泛能網(wǎng)打破傳統(tǒng)能源與可再生能源簡(jiǎn)單的并列模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷ブ文Ｊ?，形成高度有序的能源利用方案，?shí)現(xiàn)能效利用的最大化。

2）主動(dòng)配電網(wǎng)：傳統(tǒng)配網(wǎng)模式下，用戶負(fù)荷是剛性不可控的，電網(wǎng)只能被動(dòng)的作出調(diào)整。主動(dòng)配電網(wǎng)通過(guò)用戶的需求側(cè)響應(yīng)及反饋，通過(guò)靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控潮流，主動(dòng)控制和充分利用用戶側(cè)的分布式能源及儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式能源的消納，適應(yīng)隨機(jī)性和間歇性較強(qiáng)的用戶負(fù)荷接入。主動(dòng)配電網(wǎng)可以通過(guò)多種市場(chǎng)化激勵(lì)機(jī)制實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行，提高能源利用效率。

2 智能配電網(wǎng)背景下的電動(dòng)汽車有序充電策略

當(dāng)今，電動(dòng)汽車的充電策略主要是自由充電模式。大規(guī)模電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)自由充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電網(wǎng)高峰負(fù)荷增加、電壓偏移及波動(dòng)加大、供電效率及經(jīng)濟(jì)性下降、影響配網(wǎng)安全穩(wěn)定等一系列問(wèn)題。但是，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有可控、響應(yīng)速度快和電能利用效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，在智能配電網(wǎng)背景下，可以通過(guò)用戶和電網(wǎng)之間有效互動(dòng)，引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充電，減弱其對(duì)配網(wǎng)的不利影響。

2.1 電動(dòng)汽車的有序充電策略

當(dāng)前，電動(dòng)汽車主要有2 種典型的有序充電策略：電網(wǎng)智能控制模式和雙向互動(dòng)模式。

2.1.1 電網(wǎng)智能控制模式下有序充電

電網(wǎng)智能控制模式，也稱V1G 模式，電網(wǎng)智能化程度一般。電動(dòng)汽車與電網(wǎng)進(jìn)行單向電能交換，即只在電網(wǎng)允許時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充電，無(wú)法向電網(wǎng)反饋電能。該模式能夠充分利用電動(dòng)汽車充電負(fù)荷可控、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷特性合理安排充電時(shí)間，提高配網(wǎng)供電效率和供電經(jīng)濟(jì)性。該模式的充電設(shè)備仍然采用單向逆變技術(shù)，研究比較成熟，目前已進(jìn)入示范運(yùn)營(yíng)階段。

V1G 模式主要通過(guò)分時(shí)電價(jià)等激勵(lì)措施來(lái)引導(dǎo)電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充電。V1G 模式下電動(dòng)汽車有序充電方案（圖2）所示，圖2 中智能用電預(yù)測(cè)及管理系統(tǒng)預(yù)測(cè)配網(wǎng)用電需求，實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)為電網(wǎng)和用戶提供互動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)發(fā)布實(shí)時(shí)電價(jià)信息，引導(dǎo)電動(dòng)汽車充電。

圖2 V1G模式下電動(dòng)汽車有序充電方案

2.1.2 雙向互動(dòng)模式下電動(dòng)汽車有序充電

雙向有序充放電模式，簡(jiǎn)稱V2G 模式。即可把電網(wǎng)的交流電變成直流電實(shí)現(xiàn)充電，又能把電池里的直流電反向變成交流電對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。在該模式下，電動(dòng)汽車成為一個(gè)分布式移動(dòng)儲(chǔ)能單元，可以避開(kāi)用電高峰時(shí)段在用電低谷時(shí)段充電，減小電網(wǎng)峰谷差，大幅增加電網(wǎng)的調(diào)峰能力。V2G 功能的實(shí)現(xiàn)需要電網(wǎng)具有很高的智能化技術(shù)水平，同時(shí)還需要有先進(jìn)的雙向逆變充放電技術(shù)、精確的信息通信技術(shù)和電能雙向計(jì)量技術(shù)等。目前，V2G 技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)階段，還未在進(jìn)行商業(yè)化試運(yùn)行。

V2G 模式下，電動(dòng)汽車不但可以作為交通工具，還可以作為移動(dòng)式的分布式儲(chǔ)能單元。V2G 模式下電動(dòng)汽車有序充電方案（圖3），V2G 模式下電動(dòng)汽車有序充電主要由電池能量管理系統(tǒng)（BMS）、智能充放電設(shè)備和電網(wǎng)調(diào)控中心共同引導(dǎo)和控制。

圖3 V2G模式下電動(dòng)汽車有序充電方案

2.2 電動(dòng)汽車有序充電的意義

配電網(wǎng)與電動(dòng)汽車之間的雙向互動(dòng)，能夠改善電網(wǎng)負(fù)荷特性，參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，也可以作為應(yīng)急電源使用，此外，還能促進(jìn)新能源分布式發(fā)電的消納。

2.2.1 改善電網(wǎng)負(fù)荷特性

在配電網(wǎng)中，負(fù)荷峰谷差會(huì)比較大。在電網(wǎng)負(fù)荷的高峰時(shí)段，需要有足夠容量的電廠來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷變化，在低谷時(shí)則會(huì)有很多閑置容量，造成一定程度的浪費(fèi)。采用有序充電策略時(shí)，電動(dòng)汽車在負(fù)荷低谷進(jìn)行充電，從電網(wǎng)吸收電能；在負(fù)荷高峰時(shí)段向電網(wǎng)輸送電能?？s小電網(wǎng)峰谷差，起到很好的移峰填谷的作用。減少電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，提高電網(wǎng)設(shè)備利用率，延緩電網(wǎng)投資，提高電網(wǎng)供電的效率和供電的經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)

電網(wǎng)必須利用調(diào)整頻率來(lái)滿足負(fù)荷與系統(tǒng)功率之間的平衡。在電動(dòng)汽車有序充電模式下，可在用電低谷時(shí)段進(jìn)行充電，在用電高峰時(shí)段則可以進(jìn)行放電，能夠代替效率較低的電廠進(jìn)行調(diào)頻。當(dāng)電動(dòng)汽車大規(guī)模進(jìn)入電網(wǎng)時(shí)，電動(dòng)汽車?yán)糜行虺潆姴呗赃M(jìn)行充放電及調(diào)頻，能夠大幅度提高電網(wǎng)調(diào)頻的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2.3 用作應(yīng)急電源

在采用有序充電策略時(shí)，電動(dòng)汽車被看作一種移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能設(shè)備，可以作為應(yīng)急電源使用，可以保證重要負(fù)荷的應(yīng)急供電，節(jié)省對(duì)應(yīng)急供電裝置的投資。

2.2.4 促進(jìn)新能源分布式發(fā)電的消納

新能源（如風(fēng)電或光熱光伏）發(fā)電具有隨機(jī)性強(qiáng)、波動(dòng)性大的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響?？梢岳秒妱?dòng)汽車充電負(fù)荷可控的特點(diǎn)，將新能源分布式電站、電動(dòng)汽車充電站和一些其他控制保護(hù)設(shè)備等組成微網(wǎng)后并網(wǎng)，減小新能源分布式發(fā)電出力隨機(jī)性對(duì)大電網(wǎng)的影響。

2.3 應(yīng)用案例分析

下文以某市和某區(qū)配電網(wǎng)為例，假設(shè)呈貢某區(qū)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷滲透率為20%，簡(jiǎn)單分析電動(dòng)汽車自由充電策略、V1G 有序充電策略、V2G 有序充電策略的差別。

2.3.1 負(fù)荷特性

圖4 不同充電策略下電動(dòng)汽車日充電負(fù)荷特性曲線

圖4 給出了自由充電、V1G 有序充電、V2G 有序充電三種充電策略下電動(dòng)汽車的日充電負(fù)荷特性曲線。由圖中曲線分析可知：相比自由充電，V1G和V2G 有序充電策略均減小了白天9:00-17:00 時(shí)段內(nèi)的充電負(fù)荷，加大了在03:00-06:00 時(shí)段內(nèi)的充電負(fù)荷。

圖5 不同電動(dòng)汽車充電策略下某市日綜合負(fù)荷特性曲線

圖5 給出了在不同電動(dòng)汽車充電策略下某市日綜合負(fù)荷特性曲線，表1 給出了不同電動(dòng)汽車充電策略下某市綜合負(fù)荷的日負(fù)荷率和日負(fù)荷率。由圖中曲線分析可知：V1G 和V2G 有序充電策略下，時(shí)段9:00-18:00 和21:00-01:00 內(nèi)的綜合負(fù)荷有所降低，03:00-07:00 時(shí)段內(nèi)的綜合負(fù)荷有所增加。由表中數(shù)據(jù)分析可知：相比自由充電，V1G 和V2G 有序充電策略下日負(fù)荷率略有增加，日最小負(fù)荷率則大幅增加。綜上分析可知：有序充電模式下，減小了電動(dòng)汽車在負(fù)荷高峰用電時(shí)段內(nèi)的充電負(fù)荷，加大了在負(fù)荷低谷用電時(shí)段內(nèi)的充電負(fù)荷。因此，減小了配網(wǎng)供電的峰谷差。

表1 不同電動(dòng)汽車充電策略下某市綜合負(fù)荷的日負(fù)荷率和日最小負(fù)荷率

2.3.2 電壓水平和配網(wǎng)損耗

圖6 不同電動(dòng)汽車充電策略下某區(qū)變110kV側(cè)24h平均電壓變化情況

圖6 和7 分別給出了不同充電策略下某區(qū)變110kV 和10kV 側(cè)的24h 平均電壓變化情況。表2給出了不同充電策略下某區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)損變化情況。由圖中曲線由和表中數(shù)據(jù)分析可知：相比自由充電，V1G 和V2G 有序充電策略下，某區(qū)變?cè)?4h 內(nèi)的平均電壓波動(dòng)相對(duì)較??；某區(qū)配電網(wǎng)有功損耗均減小，而且V2G 有序充電策略下配網(wǎng)有功損耗減小更多。

圖7 不同電動(dòng)汽車充電策略下某區(qū)變10kV側(cè)24h平均電壓變化情況

表2 不同電動(dòng)汽車充電策略下某區(qū)配網(wǎng)的變化情況

綜上分析，相比自由充電，有序充電策略有利于減小了配網(wǎng)24h 內(nèi)的平均電壓波動(dòng)，還有利于減小配網(wǎng)有功損耗。

3 小結(jié)

在智能配電網(wǎng)背景下的電動(dòng)汽車有序充電策略應(yīng)用，可以減弱電動(dòng)汽車對(duì)配電網(wǎng)的不利影響，促進(jìn)電網(wǎng)對(duì)分布式能源的消納，提高配網(wǎng)的供電經(jīng)濟(jì)性和供電效率?？梢詾榕潆娋W(wǎng)和電動(dòng)汽車的協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。