电动汽车与电网互动策略研究

2017-12-02贵州大学机械工程学院六盘水职业技术学院工业系

电子世界 2017年22期

关键词：调频充放电电动汽车

贵州大学机械工程学院六盘水职业技术学院工业系顾雄

贵州大学机械工程学院邱望标

电动汽车与电网互动策略研究

贵州大学机械工程学院六盘水职业技术学院工业系顾雄

贵州大学机械工程学院邱望标

电动汽车与电网互动可以提供削峰填谷、调频服务和备用服务，对电网的安全稳定和经济运行具有积极意义。提出了大规模电动汽车与电网互动的总体研究思路。电动汽车互动协调控制系统依托信息流的双向互动，实现了车网互动的技术策略；依托资金流的双向互动，实现了车网互动的市场策略，通过合理调整电动汽车充放电时间、充放电过程和充放量，实现了电动汽车与电网能量流双向互动，最后展望了电动汽车与电网互动的应用前景。

电动汽车；互动协调控制系统；削峰填谷；调频服务；备用服务

引言

能源与环境是当今全球最为关注的话题，能源危机及节能减排促成新能源产业成为当下最为热门的新兴产业，电动汽车产业作为新能源产业典型代表，越来越受到国家的高度重视。国家科技部编制的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》明确提出，电动汽车是中国汽车未来发展的方向。2016年中国电动汽车保有量接近100万辆，预计2017年全年电动汽车销量将达到80-90万辆，从而将电动汽车保有量推高至180万辆左右。随着电动汽车数量的不断增加，电动汽车对电网的影响逐步显现。一方面电动汽车作为大功率用电负荷，接入电网具有广泛性和随机性，对电网带来极大的冲击，给电网负荷预测、安全稳定运行带来新的挑战；另一方面电动汽车作为灵活分散的储能设备，如果调控得当，可以为电网提供紧急功率支撑，对平抑电网波动和接纳间歇式新能源具有积极意义。

在美国，福特汽车公司对六辆插电式电动汽车进行了与电网互动的试验，研究了电动汽车与电网互动的控制方法，特立华大学将一辆电动汽车接入电网并接受调度命令；在欧洲，丹麦可持续能源国家实验室对电动汽车负荷管理和储能进行了一定的研究，目的是为提高电网的稳定性。在国内，国家电网公司在上海世博会期间，对单台电动汽车与电网互动进行了演示。总的来说，国内外对电动汽车与电网互动策略的研究总体处于起步和探索阶段，仅在少数的几辆车上进行了研究和试验，尚未开展大规模电动汽车与电网互动方面的研究。

本文研究大规模电动汽车与电网互动的技术策略和市场策略[1-4]，通过合理调整电动汽车充放电时间、充放电过程和充放量，引导电动汽车参与电网的削峰填谷，提供调频和备用服务，发挥电动汽车作为大功率用电负荷和储能设备的双重作用，实现了电动汽车与电网能量流双向有序互动。

1.总体研究思想

电动汽车与电网的互动可提供的服务内容主要有消峰填谷、调频服务和备用服务。

消峰填谷即根据电网状态信息、电动汽车充放电负荷信息、确定并发布实时电价，通过调整电价优化电动汽车充放电时间和过程，降低电网峰值负荷，平滑负荷曲线，提高设备利用率，降低电网运行成本；

调频服务即通过调整或改变电动汽车充放电状态，向电网提供紧急功率支撑，减少电网对发电机组的调频容量需求和支付的调频费用，大规模电动汽车具有可观的储能容量，且能够快速改变充放电状态，具备巨大的调频服务潜力。

备用服务即在电网峰荷或故障时中断和改变电动汽车充放电负荷，根据电网的实时运行特性调整充放电功率，减少电网对发电机备用容量需求和支付的备用费用。

为实现电动汽车与电网互动的服务内容，需要选择恰当的互动策略。技术层面是依托信息流的双向互动，提供电动汽车与电网互动的技术策略；政策层面是依托资金流的双向互动，提供了电动汽车与电网互动的市场策略，最终实现电动汽车与电网能量流之间的互动。电动汽车与电网的互动如图1。

图1 电动汽车与电网互动示意图

图1中，电动汽车互动协调控制系统是电动汽车与电网互动的协调指挥中心，包括采集子系统、监控子系统、运行决策子系统、系统交互子系统及管理子系统等，负责采集电动汽车电池、充放电设施的相关信息，与关联子系统进行交互，在线生成电动汽车与电网的互动策略。

依托信息流的双向互动，即互动协调控制系统通过与电网配电自动化系统、用电信息采集系统的信息交互，综合电网运行数据和电动汽车充放电信息，生成电动汽车与电网互动技术策略。

依托资金流的双向互动，即互动协调控制系统通过与营销业务系统之间双向计量数据和计费信息交互，综合灵活的电价政策和激励机制，生成电动汽车与电网互动市场策略。

图2 电动汽车与电网互动的技术策略

最终能量流的双向互动，即互动协调控制系统通过综合电动汽车与电网互动技术策略和市场策略，对智能充放电设施或智能车载终端的直接调度控制，调整电动汽车充放电时间、充放电过程和充放量，使电动汽车与电网之间能量流动满足电网安全、经济、稳定运行的要求[5-8]。

2.车网互动技术策略研究

电动汽车与电网的互动技术策略是根据不同的互动服务内容，选择相应的互动协调控制策略，如图2。

以削峰填谷为目的的技术策略，采用基于负荷预测与成本分析的控制方法。该方法以综合成本最低为目标函数，综合考虑次日负荷预测功率，次日不同峰谷水平的电网购电成本、用户充放电支出成本以及用户参与互动的响应程度。电动汽车互动协调控制系统基于综合成本最低为目标，制订合理的电动汽车充放电价格，向分散的交流充电桩、充电站和电池更换站发布，引导电动汽车有序充放电。

Cc：次日电动汽车充电价格；Cf：次日电动汽车放电价格；Pn：次日负荷预测功率；Ft：次日电网购电成本；Fc：用户充电支出成本；Ff：用户放电支出成本；Ud：用户参与互动的响应程度。

以提供备用服务为目的的技术策略，采用基于成本最优的备用调用的控制方法。电动汽车提供备用服务的形式包括运行备用和事故备用。对运行备用，在保持电网可靠运行的前提下，采用基于超短期功率预测，考虑与电网连接电动汽车规模，以备用成本最小为目标，互动协调控制系统直接分配电动汽车运行备用功率（即充放电功率）大小；对于紧急备用，在事故情况下，以电网功率损失最小为目标，互动协调控制系统直接分配给电动汽车的事故备用功率（即充放电功率）大小。

运行备用：

紧急备用：

分配给电动汽车的充放电功率：

Cn：备用成本；Ln：功率损失；Pi：分配给第i台电动汽车的充放电功率；Ps：电网超短期功率预测；Pb：总备用功率需求；N：参与电网互动的电动汽车总数预测；Ki：电动汽车提供充放电功率系数，Ki≤ 1。

以提供调频服务为目的的技术策略，采用基于博弈论的全局优化的控制方法。互动协调控制系统获取电动汽车与电网连接及电池的状态，计算能够参与调频的电动汽车电池容量；在分析系统负荷特性和频率特性的基础上，提出电动汽车参与调频的优化控制方法。由于调频服务是一个动态的过程，需要考虑在一段时间内的全局优化。

3.车网互动市场策略研究

同样，电动汽车与电网的互动市场策略也是根据不同的互动服务内容，选择相应的互动协调控制策略，如图3。

图3 电动汽车与电网互动的市场策略

以削峰填谷为目的的市场策略，采用基于实时电价的市场机制,该方法以经济效益最大化为目标，考虑电网运行状态信息、电动汽车充放电能力，电池状态以及充放电需求等，在线生成充放电实时电价。互动协调控制系统通过与营销业务系统之间的信息交互，生成充放电实时电价并负责向充放电设施发布，引导电动汽车参与电网削峰填谷。

以提供备用和调频服务为目的的市场策略，首先需要分析电动汽车参与电网互动的成本、电网公司能够获得的经济效益和社会效益。对电网公司无法直接获得的效益，考虑政府给予电动汽车用户和电网公司方面一定的财政补贴，以支持电动汽车与电网的互动；通过电网公司与电动汽车互动用户签订双边合同的方式，特别是考虑建设电网公司与用户集群间的合同，电动汽车用户参与电网互动可获得一定的补偿，但双边合同也会规定用户应尽的义务、相应的考核和奖惩措施等，例如一年之内电动汽车车主对电网公司召唤充放电过程的响应度等，如图4所示。