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V2G技术与电动汽车充电策略研究

2017-03-13

电气开关 2017年4期
关键词:充放电电动汽车分布式

(广西大学电气工程学院,广西 南宁 530004)

1 引言

电动汽车是21世纪能源领域最重要的研究方向之一。大量电动汽车接入电网会增加系统负荷,并且电动汽车的充电时间有很强的不确定性,这将加大电力网络的控制难度,对电力系统的可靠性产生不利影响[1]。

电动汽车与电网互动(Vehicle-to-Girid,V2G)技术可以解决上述问题。V2G是指电能在电网和电动汽车间双向流动,其核心概念是使用大量电动汽车作为储能来平抑新能源并网引起的剧烈波动。

然而电动汽车接入电网必须接受一定的管理,否则在系统处于高峰负荷时段,大量电动汽车接入电网会对系统造成严重破坏[2]。而从车主的角度看,使用电动汽车要在满足车主可以使用汽车进行日常活动的前提下为电力系统提供辅助服务。因此,V2G技术需要结合协调充放电策略实施才能既不影响汽车的正常使用,又发挥电动汽车的缓冲作用。V2G技术实现了能源在电网与电动汽车之间实时控制、高速流动。

本文首先综述了V2G技术的实现方式。其次介绍了V2G技术的主要功能。为了使电力系统能够接纳越来越多的电动汽车充电负荷,还需要考虑电动汽车充电的调度问题。因此,本文最后分析了各种电动汽车充电策略。

2 V2G技术的实施

V2G技术能够使电动汽车直接向分布式电网发送潮流,从而实现电力的分布式存储。

实施V2G技术需要两种网络连接:

(1)电力网络。电力网络可以实现电动汽车与电网的电力交换,即实现电动汽车的充放电。

(2)通信网络。通信网络可以发送逻辑控制信号,这使得电动汽车能够向电网发送充放电信号,同时也可以接受到来自电网的反馈控制信号[3]。

带有V2G技术的电动汽车既是负荷又是分布式储能设备[4]。当分布式网络处于高峰负荷时段,电动汽车可以接入网络向其传送潮流,从而增加了系统的可靠度。

由于电动汽车的多样性、不同的用途、不同的电力供给模式以及充电站不同的控制策略[5],实现V2G有不同的方法。下面分别阐述三种主要的方法。

2.1 集中式V2G

集中式V2G是在某一区域基于电网的需求来安排电动汽车充电,这种方法使用特定的管理策略来控制电动汽车的充放电。

由电网调度系统分配的负荷需求PD是V2G调峰的基础,每个电动汽车电池的荷电状态(State of Charge,SOCs)作为评估可容纳功率范围的指标。V2G优化电力配置使电动汽车工作在合适的放电状态,其目标函数表示如下:

(1)

式中,Pi是每个电动汽车的进给功率;N是参与V2G的电动汽车数量。基于调峰反馈的SOC最优功率策略可以提高电池馈电电流的能效,这可以减少电池损耗,尽可能延长电动汽车电池的寿命。

填充负荷低谷可以近似的表示为V2G充电站额定功率与接入充电站的电动汽车额定功率之间差值的最小化函数,如式(2)所示:

(2)

调控电动汽车充电的一个优化目标为最小化负荷波动,可以表示如下:

(3)

式中,LD为时间间隔T内的平均负荷;Lm,t是时刻T节点m的负荷。一些约束条件如系统网损、节点电压、负荷及电流运算可以用来校准负荷分布。

2.2 基于微网的V2G

微网通常包含电动汽车、风电、微型涡轮机以及其他新能源电源。V2G技术是将电动汽车以储能设备形式接入微网。

基于微网的V2G调度优化模型目标函数一般是最小化发电成本的期望,如式(4)所示:

minE(Fall)

(4)

通过固定投资和操作成本分析微网的经济收益,优化目标函数表示如下:

(5)

在微网中实现V2G使电动汽车能够集成进包含风能、太阳能等分布式能源的居民电力供应网络中。这样电动汽车就可以辅助新能源向居民及商业建筑用户发电,提高新能源的利用范围。

2.3 基于电池替换的V2G

电动公交车的电池容量大,充电耗时较长。随着电动公交车的推广普及,交通系统开始尝试基于电池替换的V2G。此方法中只有充电站的储备电池能够参与V2G。为了提高电池组的利用率,充电站需要结合公交车的行程时间来规划电池的装卸时间。充放电循环次数与电动汽车储存的剩余电量关系表示如下:

an=a0-anb

(6)

式中,an是电池经过n次充放电后的电力保有率;a0,a和b是由电池类型决定的参数。一个典型的电动汽车发电模型为在一定条件下最小化微网的操作成本,这可以表示为式(7)~(9):

(7)

(8)

(9)

3 V2G技术的功能

(1)调节电压和频率

电力系统通过调节系统频率来平衡有功功率的供求关系。启停大型发电设备来调节系统频率成本较高,而电动汽车在V2G系统中能够通过对电网进行快速的充放电来调节系统的频率,这种方式较为经济,是对传统调频方式的有力补充[7]。

电力系统通过调节系统电压来平衡无功功率的供需。电动汽车充电器嵌入电压控制装置后,能够选择合适的电流相角来补偿容性无功和感性无功。当系统的电压水平较低时,电动汽车停止充电,电压水平较高时,电动汽车恢复充电,这有利于系统的电压稳定。

(2)平衡负荷

在晚上6点~11点,系统负荷通常处于较高水平,在此时间段V2G系统可以控制电动汽车向系统放电,而在夜晚12点以后,系统负荷需求往往很低,此时电动汽车可以进行充电。V2G技术能够实现对电动汽车的智能调度,使其分时段充电,这样就可以平抑系统的负荷波动[8],降低系统的经济成本。

(3)支持新能源

随着间歇性新能源发电在电网电力供给侧占比逐渐增加,电网的波动将越来越强。当新能源出力很高时,为了平衡系统负荷供需,电网调度员通常降低常规机组出力或者削减分布式电源。V2G系统能够使电动汽车在新能源出力较高时选择充电,在新能源出力较低时选择放电,这就提高了电力系统接纳新能源的能力[9]。

4 电动汽车的充电策略

决定电动汽车价格的主要因素有电池的容量和大小。一些重要因素,例如对电力网络的影响、经济成本、电动汽车的排放收益主要取决于汽车的类型、充电电池的特点、充放电策略以及充电频率。而减小充电电池的体积或重量能够增加充电汽车的实用性。当电池体积增加到某一程度时,将会增加每一台电动汽车的平均电量需求,而电动汽车充电速率较高,会进一步增加系统用电高峰时的负荷波动。

电动汽车充电时,除了会增加大量负荷,影响系统频率,还会对系统电压产生重大影响。因此,需要研究电动汽车充电的调度策略,根据充电时间和充电频率来制定不同类型的充电策略。目前主要的充电策略有:非协调充电、协调充电、延时充电和非高峰充电。

(1)非协调充电

非协调充电是指电动汽车每当停泊时开始充电。这种类型的充电策略不需要智能调度,电动汽车车主在家里充电无需考虑时间因素。电动汽车非协调充电的普及率会对分布式系统产生巨大影响,其不断提高系统的峰值负荷,这会对分布式网络的电能质量产生不利影响。并且这种充电方式会增加电网分布参数如变压器和电缆的负荷,增大变压器的电流,从而减少电网的可靠性。

(2)协调充电

能够优化充电调度的协调充电策略可以避免电动汽车充电对电力负荷的负面影响[10],协调充电是指电动汽车在某一特定时间段充电,这个时间段通常是系统负荷水平较低的时间。应用协调充电策略可以减小分布式网络的阻塞,减少新能源发电的浪费,从而节省投资成本。

智能充放电策略能够减少电力的日均成本,减小系统电压的偏差,减少变压器的负荷涌流和电力线路的潮流。为了实施智能充放电策略,分布式网络需要安装智能电表,实施智能控制和通信技术。通过对充放电使用实时非线性电价,使用智能充放电策略的电动汽车车主还能够获得相应的经济收益

(3)延时充电和非高峰充电

延时充电是指电动汽车在家充电时接到信号将充电推迟到某一特定时间的充电策略。这种策略通常作为协调/非协调充电策略的补充。非高峰充电是指电动汽车在接收到电力公司的直接命令时才开始充电,这种充电策略使分布式网络稳定性更强,但是缺少一定的灵活性,需要和协调充电搭配使用。

5 结语

V2G技术可以提高电网运行效率,增强电网的稳定性和可靠性,使电网调度更为灵活。V2G无论从经济层面还是技术层面都能给其参与者带来明显的收益。本文详细阐述了V2G的三种实现方式,之后介绍了V2G的三个主要功能,最后给出了电动汽车的四种充电策略。随着V2G技术的推广普及,充电策略日趋成熟,电动汽车代替传统燃油汽车的目标将会实现。

[1] 高赐威,张亮.电动汽车充电对电网影响的综述[J].电网技术,2011,2(35):127-131.

[2] 廖强强,周国定,葛红花,等.车网互联(V2G)支持高峰电力的技术经济分析[J].中国电力,2012,4(45):92-95.

[3] 陈杰,张跃宇.电动汽车接入电网的通信技术及其安全要求[J].智能电网,2013,1(1):88-92.

[4] 刘坚,湖泽春.电动汽车作为电力系统储能应用潜力研究[J].研究与探讨,2013,7(35):32-37.

[5] 侯悦,简宏丰.基于电动汽车与电网互动技术的充电站控制策略研究[J].河北电力技术,2012,3(31):11-14.

[6] 田文奇,和敬涵,姜久春,等.基于自适应变异粒子群算法的电动汽车换电池站充电调度多目标优化[J].电网技术,2012,11(36):25-29.

[7] 杨洪明,黄雨翔,刘保平,等.考虑分布式电动汽车参与电网调峰的配电网规划[J].电力科学与技术学报,2012,1(27):48-53.

[8] 宋旭东,徐智,郑丹.V2G模式下电动汽车平抑负荷波动的优化策略[J].陕西电力,2011,9:24-27.

[9] 王贵斌,赵俊华,文福拴,等.配电系统中电动汽车与可再生能源的随机协同调度[J].电力系统自动化,2012,19(36):22-29.

[10] 吴奎华,孙伟,张晓磊,等.电动汽车充电负荷建模及其对电网负荷特性的影响[J].山东电力技术,2013,5(195):5-8.

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