“电动汽车-充电桩-电网”的协调与互动

毛 玲，赵进国，赵晋斌

“电动汽车-充电桩-电网”的协调与互动

毛 玲，赵进国，赵晋斌

(上海电力大学，上海 200090)

随着太阳能、风能等新能源的大力发展，作为新能源消纳的主体之一，电动汽车的数量一直保持高速增长态势，这也带动着充电桩等相关产业的蓬勃发展，但同时也为电网稳定性带来了不小的挑战，实现三者之间的协调与互动成了现阶段的首要任务。首先对电动汽车、充电桩、电网的发展现状进行了分析介绍，然后总结归纳了现有的车-桩-网协调与互动技术，最后就未来“电动汽车-充电桩-电网”的协调与互动发展方向做了展望。

电动汽车；充电桩；协调与互动；电网稳定性

0 引言

随着可再生能源的浪潮迭起，新能源汽车备受关注，2020年10月9日，国务院常务会议通过的《新能源汽车产业发展规划》提出，2025年新能源汽车销量占比将达到25%左右，2035年国内公共领域用车实现全面电动化。电动汽车全面化也在刺激着充电桩等相关产业的飞速发展，但是电动汽车的随机性以及充电桩的不均衡发展将会给电网稳定运行带来冲击[1]。如何通过充电桩实现电动汽车与电网融合的利益最大化，成了目前阶段急需解决的一个重大问题。

目前，有许多学者提出了车-桩-网互动的技术策略，文献[2]首先分析了车-桩-网互动的几个综合效益指标，然后以几个典型有序充电模型为例，从稳定性、经济型、环境友好性方面探讨了其对电网综合效益的影响；文献[3]根据当前电网的负荷状态，通过智能算法的调度优化，满足了电动汽车对电网的削峰填谷；文献[4]通过对充电桩与电网的耦合关系分析以及综合评价指标体系的建立，提出了车-桩-网的协同规划研究方法，探讨了在能源互联网的大背景下一种新的规划运营模式。文献[5]根据某住宅小区的充电负荷模型，基于数学解析法探讨了有序充电行为对配电网的影响。

本文首先定量分析了电动汽车、充电桩、电网的现状，然后从虚拟同步机、均流技术、并网稳定性等多个方面介绍了车-桩-网协调与互动的最新研究进展，最后对未来该领域的发展做了展望。

1 背景

从上世纪九十年代初开始，我国汽车年产量和销量从原来不足一百万辆连续增长到了近年来的两千多万辆，随着汽车保有量的攀升，我国汽油消费量也呈现了指数型增长，在2019年，我国汽油消费量达到了12 845万吨，占到了石油消费总量的1/3，对我国石油消耗造成了严重负担。而目前我国的石油供给增长主要依靠进口，据《中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书(2019-2020)》显示，2019年我国原油对外依存度已经达到了70.8%，预计未来我国的原油对外依存度还将持续上升。

电动汽车作为一种使用清洁能源、零排放的新型交通工具，在近年来得到了广泛的使用。与传统的燃油车相比，其具有节能环保、成本低、效率高、噪音小的显著优势，低碳经济已经成为我国经济发展的主旋律，电动汽车作为新能源战略和智能电网的重要组成部分，必将成为今后中国汽车工业和能源产业发展的重点。

现阶段，电动汽车充电模式主要包括以下三种方式：有线充电、换电方式、无线充电。

有线充电通过导线将电能传输到电动汽车给电池充电，目前最主流的两种方式是交流充电和直流充电。交流充电的电流和功率较低，充电机功率一般为3.5 kW和7 kW，被称为慢充，交流充电对电池寿命和电网冲击的影响较小，但是其充电时间一般都在6 h以上，当面临紧急情况时，难以满足其补充需求。为了针对长距离旅行或者紧急情况的快速需求，直流充电应用而生，相比交流充电，直流充电的输入电流要大得多，其充电时间一般在10～30 min，大多数国内大型充电站都采用直流充电方式，其充电机功率非常大，能够输出30 kW或者更高的功率，目前国内的直流充电机最高甚至达到了500 kW—大功率液冷快充充电桩，其大幅度提高了电动汽车的充电效率，为用户节约了大量的时间，但同时它也伴随着巨大的电流冲击，降低了电池组的寿命，提高了电池组的成本，两种有线充电方式具体如表1所示。

表1 直流充电和交流充电

在全球大力发展电动汽车技术的今天，充电头接口标准的统一问题似乎成为了一个制约因素，目前的几个联盟都有着各自制定的接口标准：CHAdeMO充电标准、国标GB/T20234充电标准、testa充电标准、CCS1充电标准(美国)、CCS2充电标准(欧盟)，每个联盟的标准之间都存在一定的差异，这间接影响着全球的电动汽车发展前景。而在2019年7月，ChaoJi充电技术正式被提出，由CHAdeMO协会和中国电力企业联合会共同发布，其原理图如图2所示，ChaoJi充电技术采用液冷方式，并增加温度监控系统，将最大充电功率提升到了900 kW，且能同时兼容国际上GB2015、CHAdeMO、CCS1、CCS2四大充电系统，解决了国际上现有充电系统存在的一系列缺陷和问题，为世界提供了一个统一、安全、可靠、低成本的充电系统解决方案。

图1 ChaoJi充电连接组件原理图

电动汽车的换电技术通常包含换电站的设计、车辆结构的改进、充换电结合与换电算法几大类[6]。电动汽车换电站需要将取下来的空电池进行充能，待充能完毕后补充给后面的用户继续使用，而电动汽车用户只需要租用电池即可，但是电池更换系统的初始成本非常昂贵，并且相对于正常的充电站来说，换电站需要一个更大的空间来存放空电池和已充电的蓄电池。当电动汽车在换电站区域外进行长时间活动时，会在电动车辆后方加拖挂式小车来放置备用电池，或者对底盘结构进行改造以适应电池的更换，但是这样也对用户的安全性和便捷性造成了很大的困扰。而目前充换电结合和换电算法也只是停滞在研究层面，后续的改进也受到了很大的限制。

无线充电是基于电磁感应原理的一种无线电能传输技术，目前国内外大多采用电磁感应与磁耦合谐振，也有少部分采用微波式，但是微波传输过程中伴随着大量的能量损耗，其电磁辐射对人体健康也有着不容忽视的影响[7]。而相比微波式，电磁感应和磁耦合谐振具有更高的性价比，电磁感应式充电具有较高的能量转换效率，在近距离条件下(约0.1 m)可高达99%，磁耦合谐振式相较电磁感应式具有更高的成本，但是其能在一个较宽的范围内实现高传输效率，具体的结构如图2所示。

图2 电动汽车无线充电技术结构图

随着全国电动汽车的普及化，充电桩的数量也在大幅增加，2019年全国公共充电桩数量达到了51.6万台，其中15 kW以下的慢充桩数目占了42%，但使用占比只有2%；60 kW以上的快充桩数目占了31%，但使用占比却达到了54%。除了慢充桩和快充桩的供需不平衡，还存在着诸如：充电桩建设部分不均匀、燃油车霸占停车位、公共桩缺乏成熟商业模式、私人建桩难度大等一系列问题。因此，如何提高充电桩的可利用率来推动电动汽车的快速发展正变得迫在眉睫。

国家电网“十四五规划”提出要建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业，实现三步走跨越目标，2025年实现增量替代—根本扭转化石能源增长势头，煤电装机占比由2019年的51.8%下降至2025年的37.3%，清洁能源装机占比由2019年的41.9%提高到2025年的57.5%；2035年实现存量替代—加快煤电退出，清洁能源和电能成为生产侧和消费侧第一大能源；2050年实现全面转型—全面建成中国能源互联网，清洁能源占一次侧能源比重达到74%。而这也必然会导致电网转动惯量不断减小，系统调节频率能力持续下降，所以电网需要更多的灵活资源参与调节。

电动汽车的接入正好有效解决了这一问题，此外，随着电动汽车和充电桩数量的不断增加，未来电动汽车将会成为电网一种重要的新型负荷，但由于电动汽车充放电的不确定性，大规模电动汽车接入将会对电网产生一系列危害，比如：电网电压下降、谐波污染、三相不平衡、增加配电网的网损以及减少配电变压器的寿命等。同时，电动汽车具备其他负荷所不具有的储能特性，如图3所示，充分发挥电动汽车的充放电优势，在电网负荷低谷时根据管理需求将电能反馈给电网，实现可移动能量存储与电网电能的双向交换，解决电网负荷供需不平衡，具有非常重要的意义。

图3 电动汽车在分布式发电系统中的储能特性

电动汽车作为移动储能装置，在协同消纳新能源、削峰填谷等方面具有非常广阔的前景，然而，一般情况下电动汽车具有随机性和盲从性，很难直接实现与电网的融合，并且当电网处于峰值时刻时电动汽车的需求反而会比较大，而当峰谷时刻时电动汽车的需求反而会比较小，相关预测分析如表2所示。因此，电动汽车无序充电行为会加剧电网的峰谷差，对电网的整体稳定产生不利的影响，给电网带来巨大的损失。

表2 无序充电下对负荷的影响预测

文献[8-9]针对配电网的四个主要指标：电压质量、网损、峰值负荷、峰谷差，并以IEEE33节点配网系统作为算例进行分析，研究了电动汽车的无序充电行为对配电网的影响。随着电动汽车渗透率的上升会导致电网峰值负荷不断增加，进而影响电网的网络损耗，当渗透率增加到一定程度时，甚至会出现电压越限的情况，对电网的安全性造成极大的破坏，除此之外，还会引起谐波污染、电能质量检测与管理困难、降低功率因数、各级配电网保护动作跳闸风险等各种问题。

2 车-桩-网互动技术

电动汽车与电网互动(Vehicle-to-Grid, V2G)是指电动汽车与电网在公共信息共享的前提下，电动汽车通过充电桩参与电网调节的机制。其通过控制充放电速度和充放电方式的不同，对电网进行正弦整流、功率因数校正以及输出电压控制，从而实现电动汽车和电网的双向互动。V2G和源网荷储在原理上相似，在实际需求中又可以很好的融合，实现互补，如图4所示。

图4 “源网荷储”与“车桩网”

实质上，“车-桩-网”互动模式是从不同手段与层次实现电动汽车的有序充电行为，其对配电网的影响主要体现在五个方面。

1) 对配电网负荷特性的影响：平抑负荷波动、提高配网负荷率、降低最大负荷。

2) 对配电网需求侧资源发展的影响：增加需求侧资源种类。

3) 对电网规划建设的影响：减缓城市电网建设与局部配电网建设改造，降低城市建设改造成本。

4) 对配电网调度运行的影响：增大电网灵活调节能力。

5) 对供电服务的影响：提高供电服务水平，促进供电服务类型多样化。

以下本文将从虚拟同步机技术、一机多充均流技术、预同步技术、并网稳定性四个方面介绍车-桩-网互动技术。

2.1 充电桩与虚拟同步机技术

图5 LCL电压型控制逆变器控制策略

电动汽车不仅可以作为移动性负荷消纳新能源，同时也可以作为储能系统反向给电网供能。当充电桩作为虚拟同步电机直流侧储能系统时，会对电网侧直流母线电压的稳定和系统功率平衡起关键作用。文献[11]通过分析VSG各参数对系统稳定以及对储能充放电功率的影响，建立了储能模型，如图6所示，并得出了以保护储能为目标的实时功率限值，基于储能限值确定VSG控制参数边界，即系统稳定运行上边界；同时为了保证频率稳定和系统动态性能得出下边界。在这个取值区域内，在防止储能单元超限的同时兼顾了VSG动态响应以及系统的频率稳定。

图6 储能型虚拟同步机控制策略

2.2 一机多充均流技术

电动汽车接入电网会造成电网侧直流母线电压的下降，文献[12]分析了传统下垂控制中线路阻抗对系统功率分配和电压电能质量等方面造成的不良影响，并针对直流电网的特殊结构，提出了一种主动检测线路电阻的方法，经过脉冲注入和检测使变流器控制系统获得线路电阻信息，实现动态下垂系数补偿，仿真表明，该方法不需要在初始回路中增加额外的硬件设备，就可以提高共流精度并恢复直流母线电压。

2.3 预同步技术

文献[13]针对电动汽车入网问题，在电压控制型并网逆变器的基础上提出了一种可以快速且平稳完成预同步过程的控制方法，控制策略如图7所示。其通过控制并网电压的幅值、频率和相角来实现与电网的同步，既可以实现并网输电，又可以孤岛运行，且具备同步发电机工作特性。该方法包含同步检测单元和同步调节单元，其中，同步检测单元不仅可以生成并网信号，还可以为同步调节单元提供控制参考信息，而同步调节单元包含一次调节与二次调节，一次调节能够根据电网信息线性地反向调节轴压参考值，二次调节通过改变逆变器输出频率实现了相位角同步。通过仿真实验分析验证，所提出的改进单相锁相环技术在电网频率未知的情况下，使同步检测单元仍能保持精确性，且二次调节缩小了电网与逆变器之间的幅值和频率差值，在不影响并网效果的前提下，降低了对参数的要求，提高了逆变器的适应能力，即使在非理想情况下，逆变器也可以快速平稳地实现并网。

图7 预同步调节单元控制框图

2.4 并网稳定性

随着电动汽车通过充电桩接入电网，会导致并网系统的拓扑结构复杂化，引发新型次同步振荡以及超同步振荡问题。传统的阻抗分析法在应用于复杂并网系统的稳定性问题时存在一定的局限性。文献[14]将阻抗比的概念推广到了具有树结构的并网系统，从而获得系统的阻抗比矩阵，所推导出的等价开环函数与相应的稳定性设计流程可以较准确地判别系统的稳定性；文献[15]通过重塑阻抗判据来准确表征逆变器并网系统的真实相位裕度信息，重塑后的阻抗判据在采用变流控制参数的并网逆变器控制策略中，无需判定等效电流源是否稳定。文献[16]提出了一种基于储能系统的虚拟同步发电机来补偿电网的惯性和阻尼损失，如图8所示。该方法首次将自适应神经网络应用在VSG方面并提出了一种自适应控制策略，利用学习能力强、学习速度快的神经网络自适应调整虚拟惯性，提高了系统的响应能力，同时也减少了跟踪稳态频率时的频率超调，然后，在固定阻尼比的基础上根据惯性的变化自适应调整阻尼系数，进一步抑制了振荡，具有比较好的减振能力。

图8 基于RBF神经网络VSG原理图

3 研究展望

未来电动汽车-充电桩-电网间的互动将成为下一步的能源互联网发展的重要方向，也将成为电力电子、电力系统、通信、调度等多方面的综合体现，未来的一些研究工作可能会从下面四个方向具体展开。

1) 硬件性能优化：从目前交流桩以及直流桩的应用场景来说，直流充电桩因为其快速的充电速度有着用于共享的广阔前景，而一些新兴的宽禁带器件，如SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)，因为它们小型化、轻量化、高频化的特点，导致其具有良好的散热性能以及更高的功率密度，在直流充电桩的应用上也具有更大的应用空间。

2) 服务平台建设：通过搭建服务型平台，来促进车-桩-网的融合，利用充电桩的分布布局，可作为广告服务的宣传载体；利用充电桩接入数据网络的特点，可发展成为服务平台终端，如水电煤气缴费系统等。

3) 三网合一：将充电桩与智能电网、车联网等技术融合在一起，利用大数据优化充电桩位置布局，提高充电桩的利用率，通过合理安排充电时间，平滑电网负荷曲线，提高社会经济效益。

4) 统一兼容标准：ChaoJi充电技术解决了现有充电系统的一系列问题，下一步，推动ChaoJi充电系统纳入充电标准，使ChaoJi成为具有全球兼容性的通用标准很有必要。

4 结论

随着电动汽车的快速发展，未来电动汽车-充电桩-电网的融合会给电网减轻不小的负担，同时也会加快能源互联网的时代进程。本文首先对电动汽车、充电桩、电网的现状以及电动汽车无序充电行为对电网的影响进行了分析，然后，在电动汽车有序充电的基础上，提到了电力电子技术在车-桩-网融合上的应用，最后，从硬件性能优化、服务平台建设、三网合一和统一兼容标准四个方面展望了电动汽车-充电桩-电网间融合的重点研究方向。

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Research on the Operating Models of Electric Vehicle Public Charging Infrastructure

MAO Ling, ZHAO Jinguo, ZHAO Jinbin

(College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

with the vigorous development of new energy sources such as solar energy and wind energy, as one of the main bodies of new energy consumption, the number of electric vehicles is also increasing sharply, which also leads to the vigorous development of related industries such as charging piles。But at the same time, it also brings a great challenge to the stability of the power grid, thus realizing the coordination and interaction among the three has become the first task at this stage. First, the current situation of electric vehicle, charging pile and power grid is analyzed and introduced from the current background, then the existing vehicle-pile-network coordination and interaction technology is summarized, and finally the future development direction is prospected.

electric vehicle; charging pile; coordination and interaction; grid stability

2022-09-05；

2022-11-02

毛 玲(1981—)，女，博士，讲师，研究方向为电动汽车有序充电、电动汽车能源供给、多微机器人协作通信等；E-mail:maoling2290@shiep.edu.cn

赵进国(1997—)，男，硕士研究生，研究方向为电动汽车有序充电；E-mail:1767093975@qq.com

赵晋斌(1972—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向为电力电子电路，装置与系统，电力电子电路的智能化及模块化技术，现代电力电子技术在电力系统中的应用，新能源发电技术，无线电能传输技术。E-mail: zhaojinbin@ shiep.edu.cn