V2G參與電力系統(tǒng)應(yīng)用及相關(guān)研究

中國電能成套設(shè)備有限公司 懷文明 段百齊

V2G技術(shù)是指電動汽車給電網(wǎng)送電技術(shù)，核心是利用大量電動汽車的能源作為電網(wǎng)以及可再生能源的緩沖或者是過渡。電網(wǎng)并非超級大容量的UPS，是提前發(fā)電之后存儲等待使用，相反，電網(wǎng)是根據(jù)負荷用電需求來進行調(diào)整的，用電高峰期電網(wǎng)發(fā)電機組運行量增加，發(fā)電功率隨之增大跟上用電的需求。當進入用電低谷的時，關(guān)閉一部分發(fā)電機組降低發(fā)電功率。但是如果負荷調(diào)節(jié)跟不上需求就會出現(xiàn)頻率波動甚至出現(xiàn)停電故障。隨著電動汽車銷量增加，達到一定規(guī)模之后必然對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

1 V2G的經(jīng)濟效益

從現(xiàn)實情況來看，V2G發(fā)展為電動汽車和電網(wǎng)互動提供了可靠渠道，但是是否能激勵用戶參與到電力服務(wù)市場成為人們研究的重點，尤其是用戶的駕駛行為。當電動汽車數(shù)量增加到一定程度，可保證每天每一個時段都有閑置的能量和電網(wǎng)進行互動，通過調(diào)峰服務(wù)、旋轉(zhuǎn)備用等服務(wù)市場。在V2G的經(jīng)濟效益分析中，人們在早期的研究中，政府激勵電動汽車可起到較好的作用。但是考慮到負荷的特殊性，V2G不適合使用在基礎(chǔ)負荷服務(wù)中，相反在響應(yīng)速度快和持續(xù)時間短的輔助服務(wù)市場中更有市場。電動汽車提供的旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)市場所獲得的效益更高，即便因為被調(diào)度能量產(chǎn)生收益不高，也可以憑借在線支付容量彌補這一缺陷。

從對V2G的研究來看，無論是工程上還是經(jīng)濟效益上，V2G都具備顯著的效益，從直接效益上來看，V2G可通過電動車電池作為電網(wǎng)的緩沖，可以為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，如調(diào)峰和無功補償?shù)?；能夠為車主提供額外的收入，抵消購買調(diào)動汽車的花費，有利于清潔汽車的普及，能夠保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低電力系統(tǒng)的運行成本。從長遠發(fā)展來看，V2G還可以減少對發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施的投資，產(chǎn)生能源緩沖來為可再生能源的利用提供支持[1]。而大量使用電動汽車，最明顯優(yōu)勢在于能夠減少溫室氣體的排放，真正貫徹了我國的發(fā)展國策，實現(xiàn)了低碳節(jié)能環(huán)保。

2 V2G參與電力系統(tǒng)應(yīng)用以及研究

2.1 項目概況

此項目為北京第一個大范圍應(yīng)用的V2G示范科研項目，主要是用來測試虛擬電廠的一個載體。項目園區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施為：園區(qū)有35kW光伏，26臺V2G充電樁總裝機1000kW。試驗是利用員工租賃車輛進行研究，這一車輛日常作為租賃汽車使用，如果車輛停駛或是不用的時候，車輛上面搭載的動力電池當做移動儲能電源進行V2G反向放電，能夠為大樓提供電源。

2.2 項目內(nèi)容

本目研究包含基本的充電樁、控制柜、電纜、橋架等設(shè)備，在實驗園區(qū)附近進行充放電車位的改造，安裝V2G車樁網(wǎng)管理平臺及其他附屬設(shè)備、安裝車樁網(wǎng)管理平臺軟件開發(fā)、充放電控制柜供貨及安裝、充放電控制柜基礎(chǔ)施工、室內(nèi)外電纜供貨安裝、電纜管線建設(shè)、地面墻體拆除恢復(fù)等。規(guī)劃出V2G充放電車位置圖，分別在大樓地面西側(cè)、東側(cè)、光伏車棚三處共有26個V2G充放電車位。其中，西側(cè)充電樁車位4個；單個功率60kW以上；東側(cè)充電樁車位8個；單個功率30kW以上；光伏車棚處車位6個，單個功率20kW以上。北側(cè)8個單個功率30kW以上。研究主要是為滿足進行V2G的研究，因此圍繞整個園區(qū)展開，可以作為極好的示范作用。

2.3 V2G車樁管理平臺的技術(shù)要求

項目研究所開發(fā)平臺支持功能擴展，有獨立的數(shù)據(jù)庫，能夠滿足在充放電業(yè)務(wù)上的運營、管理需求。支持當前市場上的充電設(shè)備通訊協(xié)議，接口靈活，國內(nèi)主流充電設(shè)備均可從插入，接口標準是T/CEC 102-2016《電動汽車充換電服務(wù)信息交換》，支持與云系統(tǒng)和第三方平臺的數(shù)據(jù)對接，支持充電設(shè)施運營商、車輛制造商、第三方互聯(lián)網(wǎng)平臺互聯(lián)互通，原則上實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合與共享。

2.3.1 功能定位

本項目主要探討封閉場所保證充電利用率的光儲充放電場景的創(chuàng)新，涵蓋光伏、儲能、充放電等板塊，搭建國家電投的綜合管理平臺，將新能源微網(wǎng)項目接入到管控平臺，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、研究分析。平臺功能強大，可實現(xiàn)車輛管理、充電管理、能量管理、V2G應(yīng)用等。在現(xiàn)有的第三方車聯(lián)網(wǎng)V2G平臺的基礎(chǔ)上研發(fā)適用于招標人的車輛綠色出行服務(wù)軟件，涵蓋多系統(tǒng)的管理。

2.3.2 功能需求

滿足市場對用車的需求。在設(shè)計上，充分考慮不同來源的電動汽車，如公務(wù)汽車、不同租賃汽車，功能模塊則包含車輛管理、租車管理、用車管理等。由于具備數(shù)據(jù)共享等功能，所以會形成租賃記錄、實時定位、用戶信息記錄、車輛保險記錄、運維成本管理等信息，方便進行管理；充電樁的設(shè)計功能上滿足充放電引導(dǎo)、有序充放電、需求響應(yīng)及輔助服務(wù)，亦可以滿足V2G功能需求，可以配合示范園區(qū)項目展開部署，實現(xiàn)對所有充電樁數(shù)據(jù)的收集、整理，能夠?qū)崿F(xiàn)運營管理、監(jiān)控調(diào)度、運維管理、統(tǒng)計分析、財務(wù)管理，系統(tǒng)管理等。

光儲微網(wǎng)。在微電網(wǎng)運行過程中可監(jiān)控與優(yōu)化分析，強化管理系統(tǒng)的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動汽車充放電、智慧儲能、分布式光伏等多種能源柔性互聯(lián)的交直流混合的微網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)管控，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的交互管理。光儲微網(wǎng)系統(tǒng)能夠控制整個微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的能量流動，及時采集新能源智能微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的相關(guān)參數(shù)，了解各個設(shè)備運行實際情況的運行關(guān)鍵參數(shù)，如設(shè)備實時狀態(tài)、運行電壓、電流、功率、故障告警等相關(guān)信號，并可以在就地實現(xiàn)監(jiān)控。可通過無線通訊方式或有線的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將這些數(shù)據(jù)實時傳送到微網(wǎng)系統(tǒng)平臺，將數(shù)據(jù)存儲并對其進行分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)對微網(wǎng)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。負荷監(jiān)測、實時功率監(jiān)測、用電量監(jiān)測、汽車充放電監(jiān)測（充放電對比、分時段充電量和今日充放電量、充放電槍狀態(tài)監(jiān)控）[2]。

2.4 V2G參與電力系統(tǒng)應(yīng)用的可行性

2.4.1 車輛出行、充電時空分布特征和儲能調(diào)度、引導(dǎo)空間

車輛出行活動具有潮汐特征，在工作日，在時間上“早高峰”和“晚高峰”兩個時段用戶由于通勤的剛需，私家車輛多上路行駛，在空間上電動車資源主要從城郊向城內(nèi)流動，從社區(qū)向工商業(yè)園區(qū)流動。在日間工作，大部分車輛將長時間停留于車位中，少部分車輛有午間短途活動需求。

表1 車輛典型活動模式統(tǒng)計表

在非工作日，車輛出行在時間分布上與工作日類似，但長途出行增多，早晚高峰尖銳度下降。在到達園區(qū)后大部分車輛還剩余部分電量，在9:00-18:00長達9h的泊車時間內(nèi)包含兩個峰時段10：00-15：00；18:00-21:00，一個平時段或谷時段，有“峰平峰”等組合模式。

而電動車充電快充只需1h左右充滿，若車在峰時段放出電能，在谷時段或平時段補電，只需保證汽車在晚高峰到來時電池滿足車主電量需求即可。在18:00后的高峰時段，對于返回住地的汽車，可將其剩余電量完全放給電網(wǎng)，而后在凌晨開始的谷時段將有大量的時間補充低價電。以上行為將獲得低廉的用能價格，甚至可獲取相當?shù)氖找?，實現(xiàn)“免費零碳交通”。

在引導(dǎo)上，除了經(jīng)濟效益，可引入“碳積分”機制，將之與個人信用、企業(yè)資質(zhì)、社會福利等掛鉤，調(diào)動車主參與的熱情。對于社會運營的場站主體，價格具有極強的引導(dǎo)性，在凌晨的谷時段，峰谷電價場站充電功率顯著高于統(tǒng)一電價場站。市場的自發(fā)調(diào)節(jié)作用與調(diào)峰的需求不謀而合。在參與新能源大規(guī)模調(diào)峰后，用電成本將進一步降低，對于場站運營商和充電客戶都將是極具吸引力的利好。

2.4.2 智能調(diào)度系統(tǒng)

充電能量管理系統(tǒng)是面向充電運營商、充電站管理者，以及公交公司的一套電動汽車充電分析管理軟件，采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等前沿技術(shù)，將充電數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)、電費數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)等信息匯集到云端系統(tǒng)，對充電車輛進行監(jiān)控與管理，提高運營效率、降低充電成本，對充電場站運營狀況進行統(tǒng)計與分析，幫助管理者全面掌握運營狀況[3]。充電能量管理系統(tǒng)可提供充電監(jiān)視與統(tǒng)計、運營統(tǒng)計分析、充電負荷預(yù)測、智能充電調(diào)度等功能。

圖1 充電能量管理平臺架構(gòu)

2.4.3 關(guān)鍵技術(shù)

要充分發(fā)揮電動汽車支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的潛力，調(diào)度模式的變革至關(guān)重要，需要電網(wǎng)運行模式實現(xiàn)從“源隨荷動”到“源網(wǎng)荷儲車互動”的轉(zhuǎn)變，需要將系統(tǒng)運行優(yōu)化和分布式協(xié)同優(yōu)化綜合考慮，還需要將能源電力系統(tǒng)中時間維度的優(yōu)化和交通出行領(lǐng)域的時間、空間兩重維度的優(yōu)化組合起來，考慮充電網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)的調(diào)度結(jié)構(gòu)。具體來說，考慮電動汽車后，以新能源為主體的電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度可分為6層次，每個層次涵蓋不同的范圍，具備不同的職責(zé)和目標。

表2 新能源為主體的電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度

保障新能源交通體系安全穩(wěn)定運行關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾個方面：精細化電損和電能質(zhì)量分析與治理技術(shù)；多粒度、多周期、高精度充電負荷預(yù)測技術(shù)；適應(yīng)電力容量約束的充電功率分配優(yōu)化調(diào)度技術(shù)；虛擬電廠、分層調(diào)度技術(shù)；基于電價時空差異的充放電經(jīng)濟調(diào)度技術(shù)；充電網(wǎng)和電網(wǎng)調(diào)控實時、安全交互和聚合互動技術(shù)；充電需求靈活性分析和參與輔助服務(wù)優(yōu)化技術(shù)。

3 經(jīng)濟效益

在經(jīng)濟維度，新能源交通框架下的各參與主體均能獲得經(jīng)濟收益和能效優(yōu)化，新能源電源側(cè)通過參與調(diào)峰減少棄光棄風(fēng)現(xiàn)象，顯著增加售電收益。電網(wǎng)側(cè)可提高新能源消納占比，減少其他形式的儲能項目投資，減少市政配電設(shè)備投資，有力推進電網(wǎng)轉(zhuǎn)型。聚合商主體整合社會車載儲能資源參與調(diào)峰交易可獲取收益，在新生態(tài)下拓展商業(yè)模式和客戶資源。對于社會運營場站、私家車主等主體，降低的能源成本對其具有很強吸引力。

在V2G模式下，電動汽車可作為移動式儲能，與傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)有相同功能，用戶側(cè)可實現(xiàn)電力自發(fā)自用、峰谷價差套利、容量費用管理、提升電能質(zhì)量、提升供電可靠性；在發(fā)電側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源并網(wǎng)減少資源消耗；電網(wǎng)側(cè)具備電力調(diào)峰、系統(tǒng)調(diào)頻、備用容量功能；輸配側(cè)可緩解電網(wǎng)阻塞、延緩輸配電設(shè)備擴容、無功支持。除此以外還可以輔助設(shè)備的動態(tài)運行。在V2G模式下，電力企業(yè)一方面可以提高低谷時大電網(wǎng)負荷率和發(fā)電效率，改善電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)，增加風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電等“綠電”入網(wǎng)，另一方面還可減少為了滿足高峰負荷時的電網(wǎng)備用發(fā)電容量建設(shè)，從而實現(xiàn)電動車主和電力企業(yè)在V2G模式下的雙贏，可謂節(jié)能、環(huán)保、低碳、高效一舉多得。

綜上所述，V2G模式在現(xiàn)代社會的使用具備顯著優(yōu)勢，能夠緩解電網(wǎng)壓力、節(jié)省充電成本，是未來低碳環(huán)保發(fā)展的關(guān)鍵。但對于未來發(fā)展仍需要深入分析、論述，從而可實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。