關(guān)于未來充電的幾點探索

李 璞，賈心怡

關(guān)于未來充電的幾點探索

李 璞，賈心怡

(深圳市車電網(wǎng)絡(luò)有限公司，廣東 深圳 518057)

由于國家新能源政策的大力推進，當前國內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)具有一定的規(guī)模。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021－2035年)》指示，下一步充電行業(yè)的發(fā)展重點將從增量轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量提升，未來充電網(wǎng)絡(luò)在新能源汽車與能源、交通、信息等深度融合中扮演重要角色。本文針對如何實現(xiàn)上述要求，提供了一些在V2G模式及應(yīng)用方面的探索總結(jié)。

V2G；分布式；調(diào)度策略

0 引言

自2012年國務(wù)院通過了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》，提出到2020年電動汽車累計產(chǎn)銷量超過500萬輛的規(guī)劃。在國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃和政策雙重支持下，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2020年1月至11月，新能源汽車產(chǎn)銷111.9萬輛和110.9萬輛，結(jié)合2019年底新能源汽車381萬的保有量來看，500萬輛的規(guī)劃目標實現(xiàn)在即。另一方面，在“十二五”和“十三五”、“十四五”連續(xù)3個五年規(guī)劃中，充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)作為新能源汽車發(fā)展的支撐產(chǎn)業(yè)也獲得了政府的大力推廣。

當前充電產(chǎn)業(yè)在建設(shè)規(guī)模方面，根據(jù)中國充電聯(lián)盟的官方數(shù)據(jù)顯示，截至2020年10月，全國公共充電樁保有量已達66.7萬臺，私樁配建率接近70%，私樁建設(shè)數(shù)量達83.1萬臺，公樁和私樁數(shù)量相比2017年同期都增加了2倍以上；在充電技術(shù)方面，大功率充電、即插即充、無線充電、有序充電和V2G技術(shù)等也陸續(xù)在各地展開了試點示例。2020年作為被業(yè)內(nèi)廣泛看做分界點的一年，隨著補貼政策的逐步退坡，充電設(shè)施的建設(shè)正逐步從政策導向轉(zhuǎn)向市場導向，充電運營也朝著集成化、平臺化、智能化的方向發(fā)展。

2020年11月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021－2035年)》(以下簡稱《規(guī)劃(2021－2035)》)，明確指出要推動產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，促進智慧能源、智能交通、新一代信息通信與新能源汽車全面深度融合，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展新格局。關(guān)于如何實現(xiàn)智慧能源交通系統(tǒng)的深度融合，目前業(yè)內(nèi)主流的觀點是利用電動汽車作為國內(nèi)最大規(guī)模的分布式儲能這一特點，通過建設(shè)V2G充放電系統(tǒng)，減小充電對電網(wǎng)的影響，同時還可為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)[1-3]。文獻[4]分析了中國發(fā)展V2G技術(shù)的瓶頸問題，從頂層設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展環(huán)境等方面提出了中國加快發(fā)展V2G技術(shù)的對策建議。文獻[5-6]提出了基于V2G 技術(shù)的電動汽車充放電模型和實時調(diào)度策略。本文從梳理未來充電的發(fā)展目標入手，對提升充電基礎(chǔ)設(shè)施提出了進一步要求，對采用V2G模式解決電網(wǎng)難題和V2G實現(xiàn)架構(gòu)分別進行了總結(jié)和分析，探討了代理商在V2G中的作用，并對V2G的居民應(yīng)用場景應(yīng)實現(xiàn)的功能進行了設(shè)想。

1 未來充電的發(fā)展目標

《規(guī)劃(2021-2035)》提出的推動新能源汽車與能源融合發(fā)展，即是對充電基礎(chǔ)設(shè)施在電網(wǎng)和電動汽車間應(yīng)該承擔的角色提出了要求。有序充電和低規(guī)模效應(yīng)下的V2G應(yīng)用是第一步，目的是初步實現(xiàn)供給側(cè)(電網(wǎng))和需求側(cè)(電動汽車)之間的供需匹配和能效優(yōu)化；而要最大效力地發(fā)揮充電系統(tǒng)作用，需依靠V2G及智能充電網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，同時電力市場的開放程度也是關(guān)鍵。在這種情景下，電網(wǎng)和電動汽車可互為供給方和需求方，電動汽車的充電行為不再只單純給電網(wǎng)負荷施加壓力，而能實現(xiàn)雙方的互利互促與和諧發(fā)展。一個理想的電網(wǎng)—汽車充電系統(tǒng)應(yīng)具有兩個特點：(1)“完全響應(yīng)”—電網(wǎng)可在較寬的時間范圍內(nèi)對電力負載(主要為充電負載)進行細顆粒度的系統(tǒng)級柔性控制；(2)“無干擾性”—能識別客戶的真實意愿，對最終用戶的體驗沒有明顯影響(這里主要指車主的充電計劃)，即以非關(guān)鍵負荷作為削減或調(diào)控目標。

2 V2G模式探索

2.1 V2G技術(shù)對解決電網(wǎng)難題的關(guān)鍵優(yōu)勢

關(guān)于使用電動汽車V2G技術(shù)為電力系統(tǒng)發(fā)展服務(wù)的意義和關(guān)鍵優(yōu)勢，業(yè)內(nèi)有許多學者專家進行過討論，大致可總結(jié)為以下觀點。

1) 可預(yù)測度高。雖然無法預(yù)測單個負載，但大量電動汽車充電總負荷的變化卻可小于少數(shù)大型發(fā)電機的變化[7]。

2) 響應(yīng)速度快。利用化學儲能瞬間響應(yīng)調(diào)度需求，作為調(diào)峰、調(diào)頻資源參與AGC服務(wù)的相協(xié)調(diào)控制，而發(fā)電機則需要一些時間來進行任何有意義的輸出變化[8-9]。

3) 空間靈活性。負載分布在整個電網(wǎng)中，可提供針對突發(fā)事件在空間上的精確響應(yīng)。

4) 時間靈活性。時間靈活性水平可用于支持間歇性發(fā)電新能源(風電、光電、燃料機組)的日益普及，減少電力系統(tǒng)發(fā)電成本、碳排放量及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[10-11]。

5) 技術(shù)可行性。智能控制和通信技術(shù)的發(fā)展—低延遲、中等帶寬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理平臺、先進的電池技術(shù)、充電基礎(chǔ)設(shè)施等。

基于以上總結(jié)可以看出，電動汽車V2G技術(shù)確實有在負荷管控、負荷協(xié)調(diào)和應(yīng)急儲備方面為電網(wǎng)發(fā)展做出重大貢獻的優(yōu)勢特點。

2.2 對V2G實現(xiàn)架構(gòu)的探討

電動汽車充電與電網(wǎng)的互動形式主要可分為自治式、集群式和基于微網(wǎng)3種[12]。

1) 自治式

夜間時，家用電動汽車會停放在車庫里，給車輛配備含V2G功能的雙向充電機，根據(jù)電網(wǎng)提供的價格、區(qū)域用電量等信息，電動車結(jié)合自身電池狀態(tài)與電網(wǎng)互動。

2) 集群式

修建集中停放電動汽車的V2G停車場，根據(jù)電網(wǎng)提供的價格、區(qū)域用電量等信息，電動汽車結(jié)合自身電池狀態(tài)實現(xiàn)與電網(wǎng)互動。

3) 基于微網(wǎng)

基于微網(wǎng)的V2G，電動汽車并不直接與大電網(wǎng)相連，而是接入微網(wǎng)，同時微網(wǎng)也接入太陽能、風能等間歇性新能源，然后在微網(wǎng)的范圍內(nèi)進行調(diào)度。該種模式下考慮的主要目標為微網(wǎng)負荷波動、可再生能源利用率以及運營方收益[13]。

針對充電的控制系統(tǒng)可以分為以下3種。

1) 分散式控制系統(tǒng)

特點是易于聽取車主意愿，但很難完成終端所有負載的監(jiān)控，同時調(diào)度可靠性低，易造成過度響應(yīng)或無響應(yīng)，且難以滿足復雜的需求調(diào)度功能。

2) 集中式控制系統(tǒng)

該類系統(tǒng)的調(diào)度可靠性較高(但可能存在帶寬限制導致的延遲問題)，但對通信控制技術(shù)要求太高，不適用百萬級電動車接入電網(wǎng)，且難以識別車主真實意愿，易造成響應(yīng)疲勞。

3) 分布式控制系統(tǒng)

該類系統(tǒng)結(jié)合了前兩種的特點，調(diào)度響應(yīng)可靠性高，易實現(xiàn)大規(guī)模接入的通信控制，節(jié)點上能夠可監(jiān)控終端所有負載情況，可識別車主真實意圖從而防止響應(yīng)疲勞。

2.3 代理服務(wù)商的作用

V2G充電系統(tǒng)調(diào)度架構(gòu)如圖1所示，可以看出，基于我國電動汽車的未來規(guī)模，分布式控制系統(tǒng)應(yīng)是較為理想的一類。這種分布式系統(tǒng)可以通過不同層級的代理服務(wù)商來實現(xiàn)。

電網(wǎng)調(diào)度中心作為決策者與代理商簽署調(diào)度協(xié)議，代理商通過V2G系統(tǒng)將接入用戶的電動汽車電池資源整合并上報給電網(wǎng)。在分布式系統(tǒng)中，每個父節(jié)點都應(yīng)對其下級的子節(jié)點負責，即不但要保持負載控制納入電力系統(tǒng)運行的策略與現(xiàn)有系統(tǒng)一致，并響應(yīng)系統(tǒng)級要求，而且還要使負載控制方案獲得最終用戶的認可，如圖2所示。

圖1 V2G充電系統(tǒng)調(diào)度架構(gòu)

圖2 調(diào)度架構(gòu)中各方之間的關(guān)系

這里涉及到響應(yīng)疲勞的問題，設(shè)想如果充電的響應(yīng)能力隨著時間的流逝而逐漸減弱，那么先前招募的客戶可能會退出負載控制程序，而這種退出如果發(fā)生在最需要其能力的時候，例如在突發(fā)事件期間，將對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的負面影響。為了應(yīng)對不良事件的發(fā)生，必須要充分發(fā)揮代理服務(wù)商在調(diào)度機構(gòu)和V2G參與用戶之間的協(xié)調(diào)作用。

3 V2G應(yīng)用場景探索

3.1 居民小區(qū)的V2G應(yīng)用

私家電動汽車將占據(jù)今后純電汽車總量的80%以上，而對于私家電動汽車充電，居民小區(qū)是最廣泛的應(yīng)用場景，因此居民小區(qū)是最先被探索的V2G應(yīng)用場景之一。同時，居民小區(qū)也具有負荷周期規(guī)律性強，民生改善性明顯等優(yōu)勢，本文就居民小區(qū)的V2G應(yīng)用在功能實現(xiàn)方面做了以下探索總結(jié)。

1) 智能計量：實現(xiàn)智能小區(qū)居民用戶電、水、氣的三表集抄。

2) 配電自動化：采用小區(qū)配電系統(tǒng)信息采集、配電開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控、故障自動檢測與隔離、配變監(jiān)測等技術(shù)，實現(xiàn)從小區(qū)10kV進線到配變的全程監(jiān)控、故障告警、故障定位、電能質(zhì)量分析等功能。

3) 配電站房狀態(tài)監(jiān)視：實現(xiàn)對配電站房的水浸傳感、溫濕度傳感、煙霧傳感、門磁開關(guān)(鐵門)傳感與視頻監(jiān)控等綜合監(jiān)測。

4) 電動汽車充電樁：可實現(xiàn)電網(wǎng)與動力電池雙向能量流動，集中管理小區(qū)內(nèi)充電負荷和用能情況。

5) 自助電力服務(wù)：采用社區(qū)智能自助服務(wù)終端為社區(qū)電力用戶提供24小時電力查詢、電力繳費、電力購電、充值卡購電、業(yè)務(wù)辦理、業(yè)擴報裝、信息查詢、票據(jù)打印等多功能于一體的智能化業(yè)務(wù)窗口。

6) 電力光纖入戶：在客戶家庭安裝智能插座(面板)，實現(xiàn)客戶設(shè)備用能實時監(jiān)測與信息監(jiān)控；利用客戶信息服務(wù)APP或微信公眾號，通過信息推送、定制服務(wù)實現(xiàn)與客戶互動。

3.2 相關(guān)技術(shù)探索

1) V2G充電樁系統(tǒng)

考慮V2G在大規(guī)模應(yīng)用時，充電樁應(yīng)滿足以下要求：高度智能化的充放電控制；提供RS485、以太網(wǎng)等多種通信接口與監(jiān)控中心或調(diào)度中心實時通信；實時檢測充放電電纜的連接狀態(tài)，并接受上級指令限制車載充電機的輸出功率；多重保護，確保充放電過程中人身和車輛的安全；模塊化的設(shè)計，減輕運維成本。V2G充電樁系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示。

2) 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易

隨著V2G分布式能源的興起，導致電力市場的交易數(shù)量、規(guī)模和信息數(shù)據(jù)隨之增加，而區(qū)塊鏈的去中心化特性在該方面具有天然的應(yīng)用優(yōu)勢[14-15]。

圖3 V2G充電樁系統(tǒng)工作原理圖

(1) 交易成本降低。各用戶節(jié)點無需相互信任即可完成交易，降低了信用成本和管理成本，為大規(guī)模分布式能源進入交易市場提供可行性。

(2) 交易形式多樣。為交易提供了一個可信的廣播及存儲平臺，參與到該平臺的用戶可以進行點對點的直接交易，增強了能源供應(yīng)商與需求側(cè)用戶之間的互動，改變用戶參與交易的形式。

(3) 能源選擇多類型。數(shù)據(jù)具有追溯性，可追隨參與交易的電力來源類型，使決策雙方擁有更多的交易選擇。

4 結(jié)論

按照《規(guī)劃2021-2035年》的要求，未來充電系統(tǒng)應(yīng)作為一個連接智能電網(wǎng)與電動汽車的紐帶，以充電系統(tǒng)為核心，借助先進通信及區(qū)塊鏈交易手段，將能源流動過程中的多個相關(guān)參與方融合起來，實現(xiàn)全面協(xié)調(diào)發(fā)展。同時作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，未來充電系統(tǒng)也應(yīng)充分發(fā)揮其聚合作用，實現(xiàn)車—樁—網(wǎng)—人的四位一體，助力智慧城市的建設(shè)和發(fā)展。

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Some explorations on future EV charging

LI Pu, JIA Xinyi

(Shenzhen Car Energy Net Co., Ltd., Shenzhen 518057, China)

Due to the vigorous advancement of the national new energy policy, the current domestic charging infrastructure construction has already reached a considerable scale. According to the "New Energy Vehicle Industry Development Plan (2021-2035)", the next step is to shift the focus of the development of the charging industry from increment to quality improvement. The future charging network will play an important role in the deep integration of new energy vehicles with energy, transportation, and information. This paper provides a summary of some explorations in V2G modes and applications for how to achieve the above requirements.

V2G; distributed; scheduling strategy

2022-08-17；

2022-10-08

李 璞(1978—)，男，碩士，中級工程師，研究方向為新能源汽車供電、儲能系統(tǒng)等；E-mail: Lipu1@szclou.com

賈心怡(1991—)，女，碩士，工程師，研究方向為新能源汽車供電。E-mail: jiaxinyi@szclou.com