V2G参与电力系统应用及相关研究

中国电能成套设备有限公司 怀文明 段百齐

V2G技术是指电动汽车给电网送电技术，核心是利用大量电动汽车的能源作为电网以及可再生能源的缓冲或者是过渡。电网并非超级大容量的UPS，是提前发电之后存储等待使用，相反，电网是根据负荷用电需求来进行调整的，用电高峰期电网发电机组运行量增加，发电功率随之增大跟上用电的需求。当进入用电低谷的时，关闭一部分发电机组降低发电功率。但是如果负荷调节跟不上需求就会出现频率波动甚至出现停电故障。随着电动汽车销量增加，达到一定规模之后必然对电网产生影响。

1 V2G的经济效益

从现实情况来看，V2G发展为电动汽车和电网互动提供了可靠渠道，但是是否能激励用户参与到电力服务市场成为人们研究的重点，尤其是用户的驾驶行为。当电动汽车数量增加到一定程度，可保证每天每一个时段都有闲置的能量和电网进行互动，通过调峰服务、旋转备用等服务市场。在V2G的经济效益分析中，人们在早期的研究中，政府激励电动汽车可起到较好的作用。但是考虑到负荷的特殊性，V2G不适合使用在基础负荷服务中，相反在响应速度快和持续时间短的辅助服务市场中更有市场。电动汽车提供的旋转备用服务和调频服务市场所获得的效益更高，即便因为被调度能量产生收益不高，也可以凭借在线支付容量弥补这一缺陷。

从对V2G的研究来看，无论是工程上还是经济效益上，V2G都具备显著的效益，从直接效益上来看，V2G可通过电动车电池作为电网的缓冲，可以为电网提供辅助服务，如调峰和无功补偿等；能够为车主提供额外的收入，抵消购买调动汽车的花费，有利于清洁汽车的普及，能够保证电网的稳定性和可靠性，降低电力系统的运行成本。从长远发展来看，V2G还可以减少对发电基础设施的投资，产生能源缓冲来为可再生能源的利用提供支持[1]。而大量使用电动汽车，最明显优势在于能够减少温室气体的排放，真正贯彻了我国的发展国策，实现了低碳节能环保。

2 V2G参与电力系统应用以及研究

2.1 项目概况

此项目为北京第一个大范围应用的V2G示范科研项目，主要是用来测试虚拟电厂的一个载体。项目园区内基础设施为：园区有35kW光伏，26台V2G充电桩总装机1000kW。试验是利用员工租赁车辆进行研究，这一车辆日常作为租赁汽车使用，如果车辆停驶或是不用的时候，车辆上面搭载的动力电池当做移动储能电源进行V2G反向放电，能够为大楼提供电源。

2.2 项目内容

本目研究包含基本的充电桩、控制柜、电缆、桥架等设备，在实验园区附近进行充放电车位的改造，安装V2G车桩网管理平台及其他附属设备、安装车桩网管理平台软件开发、充放电控制柜供货及安装、充放电控制柜基础施工、室内外电缆供货安装、电缆管线建设、地面墙体拆除恢复等。规划出V2G充放电车位置图，分别在大楼地面西侧、东侧、光伏车棚三处共有26个V2G充放电车位。其中，西侧充电桩车位4个；单个功率60kW以上；东侧充电桩车位8个；单个功率30kW以上；光伏车棚处车位6个，单个功率20kW以上。北侧8个单个功率30kW以上。研究主要是为满足进行V2G的研究，因此围绕整个园区展开，可以作为极好的示范作用。

2.3 V2G车桩管理平台的技术要求

项目研究所开发平台支持功能扩展，有独立的数据库，能够满足在充放电业务上的运营、管理需求。支持当前市场上的充电设备通讯协议，接口灵活，国内主流充电设备均可从插入，接口标准是T/CEC 102-2016《电动汽车充换电服务信息交换》，支持与云系统和第三方平台的数据对接，支持充电设施运营商、车辆制造商、第三方互联网平台互联互通，原则上实现数据整合与共享。

2.3.1 功能定位

本项目主要探讨封闭场所保证充电利用率的光储充放电场景的创新，涵盖光伏、储能、充放电等板块，搭建国家电投的综合管理平台，将新能源微网项目接入到管控平台，进行数据统计、研究分析。平台功能强大，可实现车辆管理、充电管理、能量管理、V2G应用等。在现有的第三方车联网V2G平台的基础上研发适用于招标人的车辆绿色出行服务软件，涵盖多系统的管理。

2.3.2 功能需求

满足市场对用车的需求。在设计上，充分考虑不同来源的电动汽车，如公务汽车、不同租赁汽车，功能模块则包含车辆管理、租车管理、用车管理等。由于具备数据共享等功能，所以会形成租赁记录、实时定位、用户信息记录、车辆保险记录、运维成本管理等信息，方便进行管理；充电桩的设计功能上满足充放电引导、有序充放电、需求响应及辅助服务，亦可以满足V2G功能需求，可以配合示范园区项目展开部署，实现对所有充电桩数据的收集、整理，能够实现运营管理、监控调度、运维管理、统计分析、财务管理，系统管理等。

光储微网。在微电网运行过程中可监控与优化分析，强化管理系统的功能，能够实现对电动汽车充放电、智慧储能、分布式光伏等多种能源柔性互联的交直流混合的微网系统实现管控，从而实现对数据的交互管理。光储微网系统能够控制整个微网系统内的能量流动，及时采集新能源智能微网系统内产生的相关参数，了解各个设备运行实际情况的运行关键参数，如设备实时状态、运行电压、电流、功率、故障告警等相关信号，并可以在就地实现监控。可通过无线通讯方式或有线的内部网络，将这些数据实时传送到微网系统平台，将数据存储并对其进行分析和统计，实现对微网系统的远程监控。负荷监测、实时功率监测、用电量监测、汽车充放电监测（充放电对比、分时段充电量和今日充放电量、充放电枪状态监控）[2]。

2.4 V2G参与电力系统应用的可行性

2.4.1 车辆出行、充电时空分布特征和储能调度、引导空间

车辆出行活动具有潮汐特征，在工作日，在时间上“早高峰”和“晚高峰”两个时段用户由于通勤的刚需，私家车辆多上路行驶，在空间上电动车资源主要从城郊向城内流动，从社区向工商业园区流动。在日间工作，大部分车辆将长时间停留于车位中，少部分车辆有午间短途活动需求。

表1 车辆典型活动模式统计表

在非工作日，车辆出行在时间分布上与工作日类似，但长途出行增多，早晚高峰尖锐度下降。在到达园区后大部分车辆还剩余部分电量，在9:00-18:00长达9h的泊车时间内包含两个峰时段10：00-15：00；18:00-21:00，一个平时段或谷时段，有“峰平峰”等组合模式。

而电动车充电快充只需1h左右充满，若车在峰时段放出电能，在谷时段或平时段补电，只需保证汽车在晚高峰到来时电池满足车主电量需求即可。在18:00后的高峰时段，对于返回住地的汽车，可将其剩余电量完全放给电网，而后在凌晨开始的谷时段将有大量的时间补充低价电。以上行为将获得低廉的用能价格，甚至可获取相当的收益，实现“免费零碳交通”。

在引导上，除了经济效益，可引入“碳积分”机制，将之与个人信用、企业资质、社会福利等挂钩，调动车主参与的热情。对于社会运营的场站主体，价格具有极强的引导性，在凌晨的谷时段，峰谷电价场站充电功率显著高于统一电价场站。市场的自发调节作用与调峰的需求不谋而合。在参与新能源大规模调峰后，用电成本将进一步降低，对于场站运营商和充电客户都将是极具吸引力的利好。

2.4.2 智能调度系统

充电能量管理系统是面向充电运营商、充电站管理者，以及公交公司的一套电动汽车充电分析管理软件，采用物联网、云计算等前沿技术，将充电数据、电网数据、电费数据、车辆数据等信息汇集到云端系统，对充电车辆进行监控与管理，提高运营效率、降低充电成本，对充电场站运营状况进行统计与分析，帮助管理者全面掌握运营状况[3]。充电能量管理系统可提供充电监视与统计、运营统计分析、充电负荷预测、智能充电调度等功能。

图1 充电能量管理平台架构

2.4.3 关键技术

要充分发挥电动汽车支撑以新能源为主体的新型电力系统的潜力，调度模式的变革至关重要，需要电网运行模式实现从“源随荷动”到“源网荷储车互动”的转变，需要将系统运行优化和分布式协同优化综合考虑，还需要将能源电力系统中时间维度的优化和交通出行领域的时间、空间两重维度的优化组合起来，考虑充电网的新型电力系统的调度结构。具体来说，考虑电动汽车后，以新能源为主体的电力系统和交通系统的协同优化调度可分为6层次，每个层次涵盖不同的范围，具备不同的职责和目标。

表2 新能源为主体的电力系统和交通系统的协同优化调度

保障新能源交通体系安全稳定运行关键技术主要包含以下几个方面：精细化电损和电能质量分析与治理技术；多粒度、多周期、高精度充电负荷预测技术；适应电力容量约束的充电功率分配优化调度技术；虚拟电厂、分层调度技术；基于电价时空差异的充放电经济调度技术；充电网和电网调控实时、安全交互和聚合互动技术；充电需求灵活性分析和参与辅助服务优化技术。

3 经济效益

在经济维度，新能源交通框架下的各参与主体均能获得经济收益和能效优化，新能源电源侧通过参与调峰减少弃光弃风现象，显著增加售电收益。电网侧可提高新能源消纳占比，减少其他形式的储能项目投资，减少市政配电设备投资，有力推进电网转型。聚合商主体整合社会车载储能资源参与调峰交易可获取收益，在新生态下拓展商业模式和客户资源。对于社会运营场站、私家车主等主体，降低的能源成本对其具有很强吸引力。

在V2G模式下，电动汽车可作为移动式储能，与传统储能系统有相同功能，用户侧可实现电力自发自用、峰谷价差套利、容量费用管理、提升电能质量、提升供电可靠性；在发电侧能够实现可再生能源并网减少资源消耗；电网侧具备电力调峰、系统调频、备用容量功能；输配侧可缓解电网阻塞、延缓输配电设备扩容、无功支持。除此以外还可以辅助设备的动态运行。在V2G模式下，电力企业一方面可以提高低谷时大电网负荷率和发电效率，改善电网能源结构，增加风电、太阳能光伏发电等“绿电”入网，另一方面还可减少为了满足高峰负荷时的电网备用发电容量建设，从而实现电动车主和电力企业在V2G模式下的双赢，可谓节能、环保、低碳、高效一举多得。

综上所述，V2G模式在现代社会的使用具备显著优势，能够缓解电网压力、节省充电成本，是未来低碳环保发展的关键。但对于未来发展仍需要深入分析、论述，从而可实现可持续发展。