电动汽车与电网互动的关键问题分析与展望

龚华容

摘要：电动汽车与电网互动可以实现削峰填谷、参与调频、提供备用等作用，对于电网的安全经济运行和提高新能源发电消纳能力具有重要意义。本文对电动汽车与电网互动的集中式控制、分布式控制、分层控制策略进行了分析；并对电动汽车与电网互动的研究和应用进行了展望。

关键词：电动汽车；控制策略；电动汽车与电网互动（V2G）；智能电网

随着环境的不断恶化以及能源的不断消耗，各国政府已经意识到，节能减排甚至是零污染的汽车技术将是占领未来汽车领域制高点的关键，而发展能够与电网互动（vehicletoGrid）的电动汽车技术则是解决这个技术难点的突破口。

一、电动汽车与电网互动的控制策略

（一）分布式控制

分布式控制是指电动汽车的充放电计划在本地进行决策的控制方法，各电动汽车根据调控信号（该调控信号可以是价格信号、调频信号、本地量测的电压，电流信号，或者控制中心，集中商发布的其他控制信号），制定充放电计划。多数情况下，控制中心/集中商需根据电动汽车反馈的充放电计划修正控制信号，引导电动汽车实现预定的控制目标。分布式控制方法需要一个控制中心向各电动汽车广播控制信号，控制中心与各电动汽车之间需要双向通信，通过信息交互（在交互过程中往往需要进行迭代），实现控制目标。其基本思路是将原优化问题分解为各个电动汽车在已知控制信号的前提下的本地优化问题以及控制信号的迭代更新问题，需保证分解后问题的解仍可收敛至原问题的解，在设计算法的过程中往往运用了分布式计算的相关理论，例如对偶分解算法、ADMM（altematingdirectionmethodofmultipliers）算法等。分布式策略中，各电动汽车通过采集本地，临近区域的信息（例如本地的频率、电压等信息），进行本地决策，控制信号为单向，不存在与控制中心之间的双向通信。基于价格引导的手段，可以看作一种特殊的电动汽车分布式控制方法。电价作为控制信号，各电动汽车根据价格信号，以最小化充电费用为目标，进行本地决策。电网公司可通过调整电价间接影响电动汽车的充放电策略。总体而言，分布式控制适用于解决大规模分散电动汽车的优化控制问题，可将计算量分散至各电动汽车，减轻控制中心的计算负担，减少计算时间；另外，当设计的分布式控制策略中各电动汽车通过量测本地信息（频率、电压、电流等信息）进行决策时，可有效减少通信成本，特别适用于通信难以实现或成本较高的场合。

（二）分层控制

分层控制是解决大规模V2G问题的另一种思路。将大规模的电动汽车群体分解为多个较小的电动汽车群体，各个小群体交由集中商，控制中心进行控制，实现小群体电动汽车的有序充放电，顶层控制则关注多个电动汽车群体之间的协调配合。通过分层控制，将大规模电动汽车互动控制问题转化为规模较小的电动汽车互动控制问题以及多个集中商，控制中心之间的协调优化问题，降低了优化问题的规模和求解难度。各集中商/控制中心只需关注所辖电动汽车群体与电网的互动策略。

（三）集中式控制

集中式控制是指在一個控制中心汇总各电动汽车的信息，由控制中心集中决策各电动汽车的充放电计划，并下达给各电动汽车的控制方法。集中式控制的优点在于其控制思路简单清晰，策略易实现；缺点在于所有电动汽车信息的存储与优化计算都在控制中心完成，在电动汽车大规模接入的情况下，可能会给控制中心带来较大的存储与计算负担，当优化问题非凸或优化变量含有整数变量时，求解时间较长甚至难以求得最优解。

二、电动汽车与电网互动的成本一效益

在实施V2G之前应首先进行V2G的经济性评估。Kempton教授率先研究了纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车这3种电动汽车参与电网调频服务与备用服务的成本效益，研究结果表明，电动汽车通过V2G参与电网调频服务所带来的收益最高。用户驾驶行为的不确定性会对其实际收益产生较大影响，在德国电力市场机制下，用户通过V2G参与电网调频的净收益较低，对用户的吸引力较小。电动汽车只参与下调频服务时，调频的容量为2.9-6kW，月收益可达48.7-365.3元。当电动汽车参与上调（需要放电）服务时，净收益大幅减少。其原因主要是，参与上调服务需要进行更多的投资，如充放电机、计量装置、线路的升级改造等。在丹麦电力市场中，电动汽车参与V2G二次调频服务的每月收益为49.8～1327.4元（以1.12元=1丹麦克朗计算）。停车场通过管理电动汽车参与V2G进行套利的调度模型，该模型在考虑电网约束和车辆行驶约束的基础上，以车主利润最大化为目标，在美国CAISO市场下每日电价曲线及不同停车场容量下的套利情况。通过V2G降低风电出力不确定性的电动汽车充放电策略，并进行了成本效益分析，结果表明所提模型能够减少风电功率偏离所导致的惩罚金额，并且能够保证电动汽车用户从中获得高于V2G服务成本的收益。电动汽车在充、换电这2种不同模式下参与V2G充放电的成本效益，并且对V2G的容量成本效益以及机组运行成本效益进行了仿真分析，结果表明单辆私家电动汽车在5年内可创造超过万元的效益。

三、应用前景分析

据统计，目前90%以上的乘用车辆平均每天行驶时间1h左右，95%的时间处于闲置状态，并且76%的驾驶者日行驶里程在75km以内，故乘用车具有行驶里程短、停驶时间长的特点，蕴藏与电网进行互动的巨大潜力。以提供调频服务为例，2016年我国电动汽车保有量接近100万辆。按每辆车以5千瓦的功率每日向电网倒送10度电计算，每日可提供1000万度的电力支撑。按照估算，区域内1000辆电动汽车同时参与调频服务，其调频效果与30MW发电机组相当。另外，电动汽车与电网互动技术可以大大提高电网对风能、太阳能等新能源发电的接纳能力。风能和太阳能因其具不可预测性、波动性和间歇性，目前所建风力发电厂60%以上能量都因为不够稳定而无法接入电网。应用该技术，可用电动汽车电池来储存风力和太阳能发出的电能，再稳定送入电网。

四、结语

随着智能电网建设的不断推进，电动汽车的大规模推广应用，电动汽车与电网互动的经济效益和社会效益将逐步显现，电动汽车与电网互动必将具有广阔的市场应用前景。

参考文献：

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