能源互联网与电动汽车车电互联

/广东电网有限责任公司电力科学研究院 徐凯琪 苏伟 魏增福

北京联合储能咨询服务有限公司 刘华靖 /

能源互联网与电动汽车车电互联

/广东电网有限责任公司电力科学研究院 徐凯琪 苏伟 魏增福

北京联合储能咨询服务有限公司 刘华靖 /

电动汽车既是一种交通工具，也是一种电力负荷，同时还是一种储能设施，车载电池不论在车辆使用阶段还是使用寿命结束之后都是一种十分有价值的储能资源，其存储的能量总量巨大，可以用来保障和优化电网运行。受政府激励政策的驱动，最近几年我国乃至全球范围内电动汽车发展非常迅速，其数量的快速增长已经奠定了一定的体量规模。能源互联网将会在大规模电动汽车普及应用的推动下迅速发展，掀起一场能源领域的深刻变革。

能源互联网；电动汽车；储能；车电互联

一、引言

目前，互联网与通信技术不断应用到经济、社会的各个领域，二者与能源体系的融合，促使了“能源互联网”这一新兴概念的产生，能源互联网是一种有可能改变现有的以传统化石能源为基础的发展模式，也是为解决传统化石能源枯竭，全球环境污染，气候变暖等问题，而建立的更加清洁、高效、安全与可持续的能源利用模式。

互联网的创新活力、灵活快捷等特征引领了信息技术的发展，为全球经济社会生活带来颠覆性革命。美国未来学家杰里米·里夫金在其著作《第三次工业革命》中，首次提出了能源互联网（Energy Internet ）的概念，他认为能源互联网是以可再生分布式能源与互联网交互为核心，实现分布式发电、能源存储和电动汽车大规模利用以及大众普遍参与的公平交易网络[1]。近年来，国内外对能源互联网的特征及关键技术装备，基本概念及组织架构等方面进行了广泛研究，推动了能源互联网的发展[2-5]。

电动汽车作为一种新的交通工具，也是一种分布式电力负载，同时也是一种储能设施，不仅能够响应节能减排的政策要求，还可以降低对传统化石能源依赖，是能源互联网中的重要组成部分，直接关系着能源互联网能否实现。能源互联网是涵盖了电力系统、交通系统、天然气系统和信息交换系统的新型能源利用模式，电动汽车将在能源互联网中扮演重要参与者的角色[4]。作为我国七大战略性新兴产业之一，电动汽车的发展在近年来也得到了大力推动。

电动汽车参与能源互联网活动主要通过车电互联技术、需求响应充电技术、有序充电管理等方式实现，本文主要关注车电互联技术（V2G）在电动汽车储能和能源互联网中的作用。

二、我国电动汽车的发展现状

国务院2012年出台的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020年）》提出，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆，累计产销量超过500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展[6]。随后，国家发改委、财政部、工信部以及各地方政府相继出台新能源汽车补贴、免征购置税、充电设施及充电价格方面的优惠政策[7-9]，形成了完善的战略规划、行业管理、推广应用、税收优惠、科技创新及基础设施政策扶持体系，有力带动了我国电动汽车产业的迅速增长。

2015年全国电动汽车销量达到33.1万辆，其中纯电动汽车24.8万辆，插电式混合动力汽车8.3万辆，接近2014年销量的4倍，占全国汽车总销量的1.32%。2015年全国新能源汽车保有量达到58.32万辆，其中纯电动汽车保有量33.2万辆，相比2014年增长317%。2016年1～6月，全国纯电动汽车销量12.6万辆，插电式混合动力汽车销量4.4万辆，同比分别增长162%和64%[10]。

电动汽车产业在我国发展迅速，给社会带来了经济效益的增长，但同时也将给电力系统带来诸多负面影响。

三、电动汽车车电互联对电力系统的影响

（一）电动汽车接入电网对电力系统的影响

电动汽车在我国的大规模推广应用，快速增长的充电需求对电网高峰负荷带来了明显的冲击，对电力系统的稳定运行有较大的影响。主要包括：①大量电动汽车充电给电网带来负荷快速增长，而电动汽车集中在负荷高峰期充电，会进一步加大电网负荷峰谷差，使电力系统负担加重；②电动汽车充电时间和行为具有较大的不确定性，使得电动汽车充电给电网带来了大量随机负荷，也加大了电网调度的难度；③电动汽车充电的非线性负荷，可能引起电能质量问题；大量的电动汽车在集中时间段内充电，带来的较大充电功率会使配电网的电压降低；④增加的众多充电设施会使配电网得负荷结构和特性发生较大改变，传统的电网规划需要随着改变[11，12]。

在能源互联网背景下，智能能源管理系统可根据电网实时的运行状态，灵活调节电动汽车充电的负荷功率，最大程度地降低电动汽车大规模接入给电网带来的负面影响[12]。此时大规模电动汽车的接入不仅能降低新建电力基础设施的投入，还可以实现削峰填谷、辅助服务、可再生能源发电消纳等价值，更有可能为电力系统和电动汽车用户带来一定的经济价值。

（二）国内外对电动汽车接入电网对电力系统的影响的研究

不论是纯电动汽车（BEV）还是插电式混合动力汽车（PHEV），都是新型的电力需求响应和分布式储能资源。采取有序充电管理和车电互联（V2G）的方式，将电动汽车视为一种电力需求响应和分布式储能资源，两者都是能源互联网中的参与者，都可以与电网进行交互联系。国内外对电动汽车接入电网给电力系统带来的影响进行了诸多研究：

1）电动汽车充电负荷对电力系统的影响。目前电动汽车发展仍处于初期，针对电动汽车用户的数据收集较为有限，国内外学者的研究多是通过建模仿真分析电动汽车充电电量和负荷特性。目前研究主要基于电动汽车数量规模的预测或假设，分析电动汽车充电对电网负荷[13]、电网经济运行调度[14]、电能质量、配电设备等方面的影响[15]。

2）电动汽车储能在电力系统中的应用。电动汽车大规模集中式充电会提升电网负荷，而电动汽车有序充电将帮助电网平抑高峰负荷，提高系统运行效率、降低系统容量投资成本及提高系统运行灵活性等[16，17]。此外，电动汽车的动力电池还可作为分布式储能单元，通过向电网或其他用户反向馈电，进一步提高电动汽车在系统中的应用价值[18]。目前的研究主要包括电动汽车有序充电控制和车电互联技术（V2G）。

3）电动汽车充放电成本效益研究。目前这方面研究集中在电动汽车参与电力市场辅助服务和需求响应的经济分析[19，20]。

四、能源互联网背景下电动汽车车电互联应用及存在的问题

（一）电动汽车车电互联技术概述

电动汽车与电网通讯技术及标准逐渐完善，电力双向互动技术日渐成熟，电动汽车未来可作为一种分布式储能设施参与电力系统运行。电动汽车V2G是一种车辆与电网之间的双向电力互动，体现了能量双向、实时、可控、高效地在车辆和电网之间流动，智能充电控制装置是实现双向交互的纽带。V2G技术融合了电力电子技术、通信技术、调度计量技术、需求侧管理技术等，是一种高端综合应用技术。

在能源互联网的技术支持下，电动汽车要实现V2G应用，需要通过在电网和车辆之间安装双向智能充电器和DC/ AC双向逆变器完成，既可以为电动汽车电池充电，又能够接收调度指令向电网回馈电能，达到双向能量流和资金流的连接。V2G技术的结构框架包括电网层、本地监控层、智能充放电装置层和车辆层等四个层面。

（二）电动汽车车电互联应用的实现方法

电网和电动汽车用户是V2G的两大参与方，决定着V2G技术的应用，应该在电网和电动汽车用户的角度分别对V2G应用进行技术开发和机制研究。

（1）从电网角度对V2G进行智能调度

从电网的角度对电动汽车的储能容量进行规划，实质上是对各个V2G单元以及电网其他发电单元进行电力调度。电网需要根据自身发电机组负荷状况、V2G单元实时容量等信息，事先计算出对各个V2G单元的需求，并给出合理的电价[21]。主要有两种问题解决方式，一是电网直接对接入的每台电动汽车和其他发电单元进行直接统一的调度，采用智能算法控制每台电动汽车的V2G活动[22]。二是在电网与电动汽车群之间建立中间运营商（Aggregator），其将一定区域内接入电网的电动汽车集中管理，服从电网统一调度[23]。

（2）从电动汽车用户角度对V2G进行智能充放电管理

电动汽车V2G智能充放电管理实际上是中间集成运营商根据电动汽车的充电需求对能量进行合理供应，同时根据电网需求将电动汽车能量及信息反馈给电网。主要有集中式V2G管理机制和自治式V2G管理机制。集中式与自治式V2G管理机制之间的区别是需要在系统最优化和车辆灵活性之间做出权衡。具体采用何种方式需要在综合考虑当地电网特点、V2G应用领域（例如调频或者调峰）、车主驾驶特点等因素后做出判断，目前尚没有一个统一的策略。

（三）电动汽车车电互联的应用

1）电动汽车车电互联参与调峰

随着电动汽车的普及，能源互联网技术的成熟，可以通过技术手段和经济手段的干预，对电动汽车充电行为进行有序管理，在电网系统负荷高峰放电、低谷充电，达到削峰填谷的作用，不仅可以保障电网稳定运行还能提高电网运行的安全性；充电设施通常分布在用电负荷较为集中的区域，充放电行为从配电网末端分散接入电网，可以直接快捷的参与供给负荷，与远距离调峰电厂相比，其网损较小，能源利用率较高[12]。

2）电动汽车车电互联参与调频

电动汽车作为分布式储能装置，可以为电网提供调频服务。在现有技术支持下，电动汽车双向充放电可在毫秒内完成，相比传统调频速度，电动汽车参与调频的响应速度更快。美国Delaware大学的研究人员在综合考虑电动汽车车载电池的功率容量、使用寿命、可转移电量、设备成本、车主的驾驶习惯、电力服务价格等因素后认为，浅充浅放对车载电池的影响最小，电动汽车适合参与周期短、响应速度快的电力服务。由于调频过程中电池充放电量是最少的，因此V2G技术最适合应用于调频服务[24]。

（四）能源互联网下电动汽车车电互联发展面临的问题

虽然电动汽车作为新型储能设施相比传统储能资源具有较大优势，但是也面临着诸多问题，这些问题也制约着其商业化发展。主要问题涉及动力电池成本、电池管理技术、经济性、商业模式、管理策略等方面。

从技术层面来看，只有将大量电动汽车聚集联系在一起，同时参与电网服务，才能将V2G资源利用最大化。利用互联网技术、信息技术和智能调度将大量电动汽车联系在一起，在能源互联网大的系统下，电动汽车V2G技术才能发挥其参与调峰调频等电力服务的潜力。智能充放电管理技术和电池管理技术等方面，都是需要技术突破的关键领域[25]。

从商业模式来看，现有的电力政策无法对电动汽车车主参与V2G提供足够的激励和刺激，如何既不影响车辆使用又能提高车辆参与V2G的收益和积极性，还需要通过政策手段和市场参与机制加以解决。

从市场交易来看，传统交易是电能从发电侧到用电侧单向流动，资金流也是从用户侧到电网公司再到发电侧的单向流动；V2G参与电网服务之后，电能和资金流在用户侧和发电侧之间双向流动。电网公司需要制定相关电力反购的政策和价格，来影响电动汽车的充放电行为，使电动汽车在满足个人出行的前提下，由经济性的驱使自愿为电网提供服务[12]。

从经济性看，V2G应用的经济性与动力电池的循环寿命有很大关系，目前动力电池容量保持率衰减至80%就不再适合继续用作电动汽车电源，在这之前大约可行驶15万公里，只能满足用户的出行需求，并没有V2G发挥作用的余地。但是随着动力电池容量和寿命的提高，V2G参与电力服务的潜力将提升，当电池累计可提供的续航里程大于电动汽车车主需求的出行里程数，电动汽车可以几乎无成本提供V2G服务，大幅提升动力电池的综合利用价值[12]。电动汽车动力电池的成本问题也是影响V2G经济性的重要方面，只能通过技术攻关来降低成本并提升性能。

综上，虽然电动汽车V2G有一些优势，但是目前动力电池技术和电动汽车V2G市场依然不成熟，许多问题亟待解决。随着电池技术、电动汽车技术、智能管理技术、能源互联网关键技术的不断发展，电动汽车储能与电网之间的联系将越来越紧密，其将带来可观的经济效益、社会效益和环境效益。

四、结束语

本文主要从电动汽车储能对电力系统的影响和电动汽车V2G技术的角度介绍了电动汽车储能在能源互联网大背景下的发展。包括电动汽车储能接入电网的国内外研究、V2G技术的应用和问题等方面。目前，已开展的V2G示范项目所采用的管理策略大多只适用于V2G运行的某一方面，尚无法建立起统一的策略和模式。对于电动汽车电池性能、用户行为的影响关注较少。未来需要建立起集成化、高效率、低成本、一致性的技术平台和设计标准，电动汽车储能才能在不同车型、不同电网系统、不同应用领域内全面推广。

作为能源互联网中的参与者，电动汽车储能和能源互联网的发展是相辅相成的。电动汽车储能作为一种新兴的、有潜力的储能资源，在参与电网服务和推动能源互联网发展中的作用将越来越明显；能源互联网的快速发展也将带动电动汽车储能的发展。

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[7] 财政部. 《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，http：//jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/ zhengcefagui/201504/t20150429_1224515.htm.

[8] 财政部. 《关于免征新能源汽车车辆购置税的公告》，http：//szs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/ zhengcefabu/201408/t20140806_1123100.htm.

[9] 上海市政府办公厅. 《上海市鼓励电动汽车充换电设施发展扶持办法》有关解读说明，http：//www.shanghai.gov.cn/nw2/nw2314/ nw3124/nw18452/nw20020/u21aw1128278.htm.

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