电动汽车接入电网技术综述

涂轶昀，李 灿，承 林

(1.上海电力学院，上海 200090;2.上海华东电集能源信息有限公司，上海 200002)

随着能源危机的加剧，各国政府都非常重视电动汽车的发展.美国能源部牵头实施了EV计划，通过免费为电动汽车用户建设家用充电桩来推广电动汽车的使用.在中国，科技部牵头实施了“十城千辆”计划[1].同时，根据《节能与新能源汽车产业发展规划(2011～2020年)》，未来10年我国政府财政将投入1 000亿元，打造新能源汽车产业链，并在税收政策上给予节能与新能源汽车推广以很大优惠.

电动汽车以车载电源为动力，是一种清洁汽车.而且电动汽车可以作为分布式电源，当停止行驶时，可以将电能反方向输送给电网，我们称之为“电动汽车接入电网”(Vehicle-to-Grid，V2G)技术.

电动汽车接入电网技术是2007年10月由美国特立华大学的KEMPTON William教授提出的，他领导的团队将一辆AC Propulsion“ebox”电动汽车成功地接入电网并接受调度命令[2].同时，电动汽车接入电网技术的经济效益得到了科研院校的广泛关注[3-5].文献[6]阐述了电动汽车接入电网技术的背景、基本概念、功能和实现条件，进行了初步的经济价值评估，并展望了其发展前景.

电动汽车大量接入电网后，不仅可以调节电网负荷特性，实现削峰填谷，而且可以为电网提供调频服务、旋转备用服务等辅助服务.同时，电动汽车的动力电池还可以作为分布式储能单元成为智能电网的组成部分.

2010年上海世博园区国家电网企业馆完成了单台电动汽车与电网双向互动的展示，演示时使用的车辆是上汽集团的纯电动汽车荣威350EV版，实现了电动汽车与电网之间的能量双向可控流动，展示了电动汽车作为分布式储能单元的应用潜力.

1 电动汽车接入电网的概念及系统架构

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆.

电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力电动汽车(插电式混合动力汽车可以向电网提供反方向服务)和燃料电池电动汽车3种.纯电动汽车的动力电源是电池，如锂离子电池、铅酸电池或镍氢电池等，这种汽车只需要用电动机，不需要内燃机.混合动力电动汽车，也叫油电混合式动力汽车，一般在启动和加速时用电池，正常行驶时用汽油.燃料电池电动汽车是通过电化学反应直接将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，其余与普通电动汽车基本相同[7-12].

电动汽车接入电网的系统架构如图1所示[12].

图1 电动汽车接入电网系统架构

传统的火电厂或可再生能源发出的电能经过输电系统、配电系统后向用户供电.当电动汽车接入电网后，可以接收调度中心发出的信号，进行反方向服务.这可以通过两种方式实现:一是在居民家中直接将电能反馈给配电网络;二是由电动汽车组成电动汽车群，在集电站统一将电能反馈给输电网络.

电力公司不希望与成千上万的电动汽车主单独交易，因此需要第3方机构(即集电站)聚集电动汽车的电能，进行电能交易或进入辅助服务市场，从而实现对电动汽车充电时间的远程管理和双向通讯.集电站可以是电网公司、移动手机运营商、通信服务运营商，甚至可以是以服务为导向的当地配电公司，与电网的通讯可以是电话、电视信号线、电力载波线或无线网络等.

2 电动汽车接入电网的作用

电动汽车可以向电网提供4种类型的电能或服务:基荷电能;峰荷电能;旋转备用服务;调频服务.其中，由电动汽车向电网提供基荷电能不太现实，因为单位运行费用太高，且运行时间太少;其余3种服务的经济价值很高，可以部分补偿电动汽车较高的初始投资;旋转备用服务和调频服务合并称为“辅助服务”.此外，电动汽车还可以提供可再生能源储能服务.

2.1 调峰服务

高峰负荷一般由调峰电厂暂时产生的电能提供.由于每年需要给峰荷提供电能的时间仅有几百小时，所以固定投资较低，而运行成本较高的电动汽车正满足此要求.一般峰荷持续时间为3～5 h，这对电动汽车来说是可行的.虽然会受到车载容量的限制，但可以通过电动汽车群或再充电过程来解决.与抽水蓄能电站类似，在高峰负荷期间，电动汽车通过放电向系统发出有功功率;在低谷负荷期间，电动汽车通过充电从系统吸取有功功率，从而调节电力系统有功负荷的峰谷差，起到调峰作用.

2.2 旋转备用服务

旋转备用是指能快速提供电能的附加发电容量，一般可在10 min以内响应电网需求，其作用在于即时补偿由于随机事件(如发电机因事故退出运行)引起的功率缺额.提供旋转备用服务的发电机要求低速运行且与电网保持同步.

旋转备用按随时备用和提供服务的时间付费.例如，一台1 MW 的发电机保持“旋转”和备用24 h可以称为1MW-日.如果旋转备用提供电能，则需要额外支付费用.这些都非常适用于电动汽车，因为只需要接入电网，并作为“旋转备用”存在几个小时，就可以获得使用费用.另外，作为旋转备用签订合同还可以限制响应数量和持续时间，一般是每年20个响应，每次最多1 h的持续时间.这对电动汽车来说是可行的，因为它一般有更多的电能储备，且能很快通过充电恢复行驶能力.

2.3 调频服务

调频服务是指频率控制，用于响应负荷需求来调节频率.在调度中心的实时控制下，且发电机组能在1 min内响应调度中心的信号时，调频服务可以实现增减发电功率的效果.

电动汽车可以通过与电力公司签订合同来提供调频服务.与旋转备用服务相比，调频服务的响应次数更多(一般一天400多次)，持续时间更短(一般一次几分钟).

2.4 可再生能源储能服务

电动汽车接入电网可以紧急支持可再生能源.目前应用最广泛的可再生能源是太阳能和风能，它们都是间歇性的.处于低水平时，可再生能源的间歇性可以通过现有的负荷管理机制来应对.但当可再生能源超过电力容量的10% ～30%时，就需要附加电源来应对电源发出的电能波动，即可以通过备用或储能来管理.“备用”是指发电机可以在可再生能源不足时立刻发出电能.“储能”是指吸收多余的电力，但是在反馈电力时有持续时间的限制.这样，当可再生能源提供的电能过剩时，电动汽车可以储存电能，而当可再生能源提供的电能不足时，电动汽车可以释放电能.

在电动汽车接入电网技术中，燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车可以提供备用.纯电动汽车和插电式混合动力电动汽车可以提供储能.

短期内，电动汽车应该用于实现高价值、对时间要求严格的服务——调频和旋转备用服务，此类服务由大约3%的电动汽车群提供.当这些市场饱和后，电动汽车群可以开始提供峰荷电能和可再生能源储能的服务.

3 电动汽车接入电网的经济价值和社会价值

电动汽车接入电网的经济价值和社会价值体现在以下3个方面.

(1)电网 电动汽车作为电源接入电网并提供调频和旋转备用服务后，可以减少电网运行方的备用容量，减少对新的发电厂和基础设施的投资需求，提高电力系统的可靠性，并可以通过增加电能储存缓冲来提高可再生能源的市场占有率，并且其价格更具竞争力.

(2)电动汽车车主 电动汽车在夜间电价低谷时段充电，作为负荷使用;在白天电价高峰时段放电，作为电源使用.这样电动汽车车主可以得到电价的价格差所形成的费用，部分补偿了电动汽车的初始投资费用，降低了电动汽车保有成本，促进了电动汽车的推广应用.

(3)自然环境 电动汽车的使用可以减少汽油使用量，解决能源紧缺问题，减少温室气体排放，部分替代火电厂，且可以与可再生能源集成.电动汽车不会产生废气，其噪音也比内燃机小，所以电动汽车被称为“零排放污染汽车”[13-18].

4 电动汽车接入对电力系统的影响

4.1 对电网规划的影响

当电动汽车大量接入电网后，应采取适当的引导措施，否则有可能出现“峰上加峰”的现象，增大电网调峰难度，加大电网建设压力，降低电网运行效率，从而影响电网的安全稳定运行.因此，在电网规划方面，需要充分考虑电动汽车充电负荷的时间和空间分布，权衡电网投资的经济性和电网运行的安全性.

另外，在大量充电设施(如交流充电桩、充电站与换电池站)布点规划的过程中，应综合考虑电动汽车车主驾驶行为、充电行为，以及交通信息与现有的配电网信息，实现充电设施在电网中的合理分布和优化配置[19-22].

4.2 对电网的影响

电动汽车的接入对输电网的影响是间接的.随着大量电动汽车的接入，导致用电负荷增长、电力系统过载，而充电负荷的时空不确定性将对输电网安全和经济运行产生影响.

与常规负荷相比，电动汽车充电负荷具有时空随机性强的特点，这给配电网运行带来了更多的不确定性，主要表现在配电网的电能质量、可靠性和经济运行等方面.

电动汽车的接入对配电网电能质量的主要影响包括电压下降、谐波污染和三相不平衡3个方面[23-26].其中电动汽车接入电网后对电力电子设备造成的谐波污染体现在以下4个方面:一是使测量仪表不准确;二是易损坏大容量电容器;三是加重的负荷使电力导线过热;四是使保护装置误报警.

在配电网经济运行方面，电动汽车接入后对配电网网损和配电变压器的寿命均有影响.

5 电动汽车接入电网的关键问题及相关研究

5.1 充电方式的确定及充电站的布局

目前，电动汽车的充电方式主要有充电模式和更换电池模式两种.充电模式可分为普通充电和快速充电.普通充电又叫慢速充电，每次充电所需的时间较长;快速充电是利用大电流给电动汽车充电，这种充电方式不仅会给电网带来较大冲击，而且会减少电池的使用寿命.更换电池模式是将空电池留在充电站利用小电流进行长时间充电.不同的充电方式可以应用于不同类型的汽车，如更换电池模式适合在公交公司、出租车公司使用，而私家车可以选择在夜间电价便宜时对汽车进行慢速充电.

充电方式的确定将直接影响电动汽车的发展和普及.普通充电的缺点是所需时间较长，而更换电池模式的缺点则是需要统一的电池规格.因此，2011年初国家电网汽车充电站确定以“换电为主，插充电为补充”的运营模式.以换电模式为主，可以利用低谷的低电价，将电池的高成本转嫁出去，有利于纯电动汽车市场销售的快速启动.

另外，充电站点的合理布局也是电动汽车发展过程中的关键问题之一.目前，我国充电设施建设如火如荼，但相应的充电站布点和容量规划缺乏成熟的理论和方法.充电站的合理布点和经济运行将促进电动汽车的广泛普及和应用.同时，充电站的规模决定着某个节点对电网影响的大小，而充电站的布点则涉及多个节点对电网的影响[27].

从电动汽车的发展趋势来看，短期内主要考虑配电网规划中电动汽车充电设施的布点和容量配置;而从长期来看，随着电动汽车走入家庭，以及充电技术和计量技术的发展，需充分考虑大规模分布式的家庭充电对电网的影响.

5.2 电动汽车的负荷特性模型

负荷特性建模是研究电动汽车充放电的基础性工作，其难点在于如何计及电动汽车的分散性和驾驶者习惯等人为因素的影响.

电动汽车充电负荷建模涉及动力电池的充电特性、电动汽车用户的用车行为、充电方式等多种因素.由于电动汽车尚未大规模接入，一般通过仿真实验分析充电负荷的大小和特性.另外，电动汽车充电过程中电压比较平稳，因此在研究电动汽车对电网的影响时，电动汽车负荷也可以看作恒功率负荷[28-30].

5.3 电动汽车充放电控制策略

电动汽车充放电控制主要是基于已有配电网络和常规用电约束，优化电动汽车大规模接入情况下的充电功率，使之能最大限度地利用已有配电网，协调控制各辆电动汽车的充放电顺序和时间，以提高配网运行的经济性.

文献[31]中讨论了电动汽车的两种充电模式，即非协调式和协调式，并提出了基于网损最小的二次规划法，实现了电动汽车的优化充电，最后以IEEE 14节点算例验证了所提方法的可行性和实用性.文献[32]以网损和充电成本最小为目标，基于网损灵敏度选择优先充电的电动汽车，提出了电动汽车实时有序充电控制策略，该策略可有效降低配电网的网损，并改善配电网的节点电压波形.

5.4 与其他可再生能源的协同调度运行

作为可移动的分布式储能单元，电动汽车可以与其他可再生能源(如风能和光伏发电)配合，协调电网的负荷曲线.

文献[33]针对电动汽车能量的双向流动性，提出了包含风、光、储、电动汽车等的微电网经济调度策略和模型，分析了电动汽车的加入对微电网经济性的影响，以全年总费用最小为目标，经过多次迭代得出了最优解.文献[34]将等效负荷曲线方差最小作为优化目标，建立了风电-电动汽车协同调度的模型，用电动汽车充电来抵消负荷下降而风电出力上升的功率不平衡，消纳过剩风电，具有技术上的可行性.

6 结语

含有分布式移动储能单元的电动汽车可以为电网提供削峰填谷、运行备用、事故备用、调频调压等辅助服务，对电网的安全、稳定、可靠、经济运行具有重要意义.同时，电动汽车动力电池移动储能应用还可进一步降低电力系统的投资和运营成本.

电动汽车接入电网后，对电网规划中的负荷预测、站点布置等均有影响，同时还会影响配电网的电能质量、可靠性和经济运行.为了促进电动汽车的发展和普及，完善其与电网的互动，研究充电方式和充电站的布局、电动汽车的负荷特性模型、电动汽车充放电控制策略，以及与其他可再生能源的协同调度运行显得尤为必要.

[1]胡泽春，宋永华，徐智威，等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报，2012，32(4):1-10.

[2]LETENDRE S，KEMPTON W.The V2G concept:a new model for power[J].Public Utilities Fortnightly，2002，140(4):16-26.

[3]张蓓蓓，孙广明.电动汽车与电网互动协调运行技术探讨[J].电网与清洁能源，2011，27(11):57-61.

[4]KEMPTON W，TOMIC J.Vehicle to grid fundamentals:calculating capacity and net revenue[J].Journal of Power Sources，2005，144(1):268-279.

[5]KEMPTON W，TOMIC J.Vehicle to grid implementation:from stabilizing the grid to supporting large-scale renewable energy[J].Journal of Power Sources，2005，144(1):280-294.

[6]KEMPTON W，TORU Kubo.Electric-drive vehicles for peak power in Japan[J].Energy Policy，2000，28(1):9-18.

[7]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社，2002:130-145.

[8]陈树勇，陈全世，田光宇，等.可外接充电式HEV的研究与发展[J].交通信息与安全，2009，27(3):134-139.

[9]陈全世，朱家琏，田光宇.先进电动汽车技术[M].北京:化学工业出版社，2007:25-30.

[10]崔玉峰，杨晴，张林山，等.国内外电动汽车发展现状及充电技术研究[J].云南电力技术，2010，38(2):9-12.

[11]曹秉刚.中国电动汽车技术新进展[J].西安交通大学学报，2007，41(1):114-118.

[12]KEMPTON W，LETENDRE S.Electric vehicles as a new power source for electric utilities[J].Trans.Res.D ，1997(3):157-175.

[13]KEMPTON W，TOMIC J，LETENDRE S，et al.Vehicle-to-Grid power:battery， hybrid， and fuel cell vehicles as resources for distributed electric power in California[R].Working Paper Series with number UCD-ITS-RR-01-03，Jun.，2001.

[14]KISSOCK J K.Combined heat and power for buildings using fuel cell cars[C]//Proceedings of the ASME International Solar Energy Conference，Albuquerque，NM，1998:13-18.

[15]SORTOMM E，EL-SHARKAWI M A.Optimal charging strategies for undirectional vehicle-to-grid[J].IEEE Trans.on Smart Grid，2011，2(1):131-138.

[16]SORTOMM E，HINDI M M，MACPHERSON S D J，et al.Coordinated charging of plug-in hybrid electric vehicles to minimize distribution system losses[J].IEEE Trans.on Smart Grid，2011，2(1):198-205.

[17]FERNANDEZ L P，ROMAN T G S，COSSENT R.Assessment of the impact of paug-in electric vehicles on distribution networks[J].IEEE Trans.on Power System，2011，26(1):206-213.

[18]BOSSEL U.Hydrogen:why its future in a sustainable energy economy will be bleak，not bright[J].Renewable Energy World，2004(2):155-158.

[19]高赐威，张亮.电动汽车充电对电网影响的综述[J].电网技术，2011，35(2):127-131.

[20]滕乐天，何维国，杜成刚，等.电动汽车能源供给模式及其对电网运营的影响[J].华东电力，2009，37(10):1 675-1 677.

[21]陆翌，陈新琪.2011年国际供电会议系列报道电动汽车和智能电网的标准化工作[J].电力系统自动化，2012，36(1):6-9.

[22]胡维昊，陈哲，王晓茹.大规模电动汽车接入电网的分析[J].电力科学与技术学报，2011，26(4):14-19.

[23]樊扬，左郑敏，朱浩骏，等.电动汽车充电模式对广东电网负荷特性的影响[J].广东电力，2011，24(12):58-61.

[24]谢莹华，谭春辉，张雪峰，等.电动汽车充放电方式对深圳电网日负荷曲线的影响[J].广东电力，2011，4(12):47-50.

[25]辛建波，温宇宾，李睿.电动汽车规模应用对江西电网的影响分析[J].江西电力，2010，34(4):1-5.

[26]杨健，王媚，张屹，等.电动汽车动力电池参与电网调峰的应用[J]. 华东电力，2010，38(11):1 685-1 687.

[27]徐凡，俞国勤，顾临峰，等.电动汽车充电站布局规划浅析[J].华东电力，2009，17(10):1 678-1 682.

[28]李俄收，吴文民.电动汽车蓄电池充电对电力系统的影响及对策[J].华东电力，2010，38(1):109-113.

[29]陈玉进.电动汽车充电设备特点及对电网影响探讨[J].湖北电力，2009，33(6):48-50.

[30]杨伟新，黄梅.基于Simulink的V2G充放电机建模与仿真[J].电子设计工程，2011，19(12):136-139.

[31]万路路，王磊，丁昊.配电网电动汽车优化充电研究[J].华东电力，2011，39(12):2 049-2 053.

[32]DEILAMI S，MASOUM A S，MOSES P S.Real-time coordination of plug-in electric vehicle charging in smart girds to minimize power losses and improve voltage profile[J].IEEE Trans.on Smart Grid，2011(3):456-467.

[33]茆美琴，孙树娟，苏建徽.包含电动汽车的风/光/储微电网经济性分析[J].电力系统自动化，2011，35(14):30-35.

[34]于大洋，宋曙光，张波，等.区域电网电动汽车充电与风电协同调度的分析[J].电力系统自动化，2011，35(14):24-29.