電動汽車充放電技術及其對電網的影響分析

廖蘭珍，宋文欽，肖 蔚

（1.廣西電網公司百色供電局，廣西 百色 533000；2.張家界電業局，湖南 張家界 427000）

0 引言

電動汽車作為新能源汽車的代表，相對以汽油燃燒作為動力的傳統汽車而言，在環保、節能等方面占據明顯的優勢。2012年，國家發布了《電動汽車科技發展“十二五”專項規劃（摘要）》，明確了我國電動汽車的發展方向，“純電驅動”將成為我國電動汽車技術的未來發展方向。預計到2020年和2030年，我國電動汽車使用電力驅動情況下所使用的總電量分別為電網總發電量的6%和7%。隨著智能電網建設的快速推進，未來電動汽車的車載電池將會承載智能電網移動儲能單元的功能，即在電網峰荷時段向電網輸送電能，在電網低谷期間由電網向電動汽車的車載電池充電，能夠降低電網的峰谷差，對電網起到“填谷”作用，特別是在將來可能形成的可再生能源發電比例較高的配電網系統中，通過電動汽車的合理接入配電網進行充放電，可以有效接納可再生能源發電。提高發電設備的綜合利用率，起到節能減排的效果[1]。電動汽車作為分布式儲能單元接入配電網后，配電網將由一個放射狀網絡變為一個分布式可控儲能和用戶互聯的復雜網絡，這勢必會對配電網的運行、規劃等方面產生巨大的影響。

1 電動汽車充放電技術

電動汽車充放電技術主要有單向無序電能供給模式和雙向有序電能轉換模式。電動汽車采用單向技術充電只能從電網中得到電能不能將多余的電能反供至電網中。采用雙向有序電能轉換的充電模式，電動汽車車載電池可以作為一種移動儲能單元與電網進行雙向電能轉換。

1.1 單向無序電能供給模式

單向無序電能供給模式V0G（Vehicles Plug-in Without Logic/Control）是指把電動汽車作為普通用電設備，采用成熟的單向變流技術，可以隨時接入電網立即進行充電的模式。V0G是目前電動汽車充電常見的方式，如高爾夫車、機場擺渡車等都采用這種充電方式。目前，V0G充電技術裝備已經成熟，而且已經市場化。

V0G存在的最大問題是作為大功率用電負荷的電動汽車充電行為難以約束，充電全時刻由車主自行掌控，這樣若大量的電動汽車無序充電勢必會增加電網的調峰難度。

1.2 單向有序電能供給模式

1.2.1 TC模式

TC（Timed Charging） 模式，即時間控制模式，是一種單向有序電能供給的充電模式。這種模式通過控制開始充電的時間來實現錯峰充電，避免了電動汽車在電網負荷高峰時段充電對電網的影響，同時，還能讓用戶享受低谷電價帶來的經濟效益，但是，由于種種原因，TC模式還不能完全根據電網峰谷狀態靈活地控制充電過程。這種模式的充電也是采用單向變流技術，不需要與電網進行實時通信，目前技術裝備已經成熟，已進入示范運行階段。

1.2.2 V1G模式

V1G（Vehicles Plug-in With Logic/Control Regulated Charge）也是一種單向有序電能供給的充電模式。采用這種模式電動汽車與電網進行實時通信，電動汽車充電受電網控制，可在電網允許的時段進行充電。這種模式能夠最優化安排電動汽車充電，提高了電網的利用效率，減少了電動汽車充電對電網的影響，但是，在V1G模式下，電動汽車的車載電池不能向電網輸送電能。

1.3 雙向有序電能轉換模式

雙向有序電能供給模式V2G（Vehicles Plug-in With Logic/Control Regulated Charge/Discharge）是指電動汽車能夠與電網的能量管理系統進行通信，并受其控制，進而電動汽車可以與電網之間實現能量轉換（充電或者放電）。在V2G模式下，電動汽車的車載電池將會承載電網移動儲能設備、備用電源的功能[2]。目前，V2G模式正處在研究及示范階段，還不具備商業化運行的市場環境。為此還需要先進電網通信、調度、控制與保護技術的配合，需要峰谷電價政策以及電動汽車接入電網提供調峰調頻、需求響應等有償服務政策的支持。

2 電動汽車充放電設備與管理系統

電動汽車充放電是智能電網與用戶雙向互動的一部分，其互動的內容主要包括電網電價、電網運行狀態、車輛能量狀態以及計費信息等。電動汽車通過充放電設備與電網相連，實現電能的雙向流動，但隨著電動汽車的不斷增加及其分散的特點，僅由智能電網雙向互動服務系統與電動汽車通信并控制其充放電操作難以實現。因此，需在智能電網雙向互動服務系統與電動汽車之間增加電動汽車充放電管理系統來實現電動汽車與電網之間的信息互動，并根據雙方需求進行優化控制電動汽車的充放電操作[3]。電動汽車充放電過程電能與信息互動如圖1所示。

圖1 電動汽車充放電時電能與信息互動過程

2.1 電動汽車充放電設備

電動汽車充放電設備主要包括為帶有車載充放電機的小型電動乘用車服務的交流充放電樁和為公交、環衛、郵政等公共服務車輛服務的直流充放電機兩類，主要完成對電動汽車的充放電操作。

2.1.1 交流充放電樁

交流充放電樁主要為帶有車載充放電機的小型電動乘用車服務，分散地安裝在低壓配電網中，將電動乘用車與智能電網連接后，交流充放電樁具有智能充放電控制功能，能夠與充放電管理系統及電動汽車通信，實時掌握電網的運行狀態以及電動汽車的儲能情況，智能控制電動汽車車載充放電機適時地進行充放電操作，在電網低谷時段或電動汽車有剛性充電需求時，對電動汽車的車載動力電池進行充電；在電網高峰時段并且電動汽車的車載動力電池電能有富余時，由車載充放電機通過交流充電樁為電網供電。

交流充放電樁的主要功能包括與充放電管理系統通信；具備手動設置定電量、定時間、自動充放電等功能；具備遠程接受充放電管理系統控制，自動進行充放電，雙向計量計費的功能；具備完善的安全防護功能，包括急停開關、輸出側的剩余電流保護與過流保護、孤島保護等功能；人機交互功能。

2.1.2 直流充放電機

公交、郵政、救護、環衛等社會公共用車具有行駛區域和行駛里程相對穩定、停車場地固定，適宜在停車場所建設集中充放電站。由于社會公共服務用車車載電池容量很大，充電功率也很大，因此適宜采用地面直流充放電機對其進行充放電操作。由于充放電站的集中性，可在站內配置充放電管理系統，統籌安排站內電動汽車的充放電操作。

直流充放電機主要功能包括動力電池管理系統通信，用于判斷電池類型，獲得動力電池系統參數以及充電前和充電過程中動力電池的狀態參數；與充放電管理系統通信，上傳充電機和動力電池的工作狀態、參數、故障報警燈信息，接受控制命令；依據動力電池管理系統提供的數據，動態調整充電參數，安全智能地完成充電過程；具有人機交互功能，能夠顯示包括電池類型、充放電模式、充放電電壓和電流等信息，具有手動設定權限內的參數以及出現故障時有相應信息提示的功能；雙向計量計費的功能；具備完善的安全防護功能，包括急停開關、輸出側的剩余電流保護與過流保護、孤島保護功能等；

2.2 電動汽車充放電管理系統

電動汽車充放電管理系統不僅通過充放電設備與電動汽車通信，還與智能電網相關的系統通信，綜合采集電動汽車與電網的實時狀態參數，根據雙方的需求合理控制電動汽車的充放電操作。電動汽車充放電管理系統既可以統一調度管理同一停車區域的交流充放電樁，也可以統一調度管理某一個集中充放電站內的直流充放電機。電動汽車充放電管理系統的主要功能包括以下幾方面。

a）與相關系統及設備通信功能。與充放電設備通信，向充放電設備發送控制命令，統籌調度充放電操作；與動力電池管理系統通信，了解電動汽車（電池）的當前狀態，適宜充電還是放電以及可以接受的充電或放電的功率；與智能電網通信，獲取電網當前運行狀態，為調度電動汽車充放電操作提供依據。

b）人工及自動充放電管理功能。通過人機界面控制充放電設備，進行充放電操作。綜合電動汽車及電網狀態信息，動態執行充放電策略，實現合理優化的雙向電能流動。

c）對充放電設備、車載動力電池相關電壓、電流、電池負荷狀態等數據進行實時采集功能。

d）充放電故障報警記錄功能。單體電池內阻超限報警，電壓超高、超低報警失電和故障報警并自動記錄各種故障與報警的內容與時間。

3 電動汽車充放電對配電網的影響

隨著電動汽車的推廣普及，將大量建設由多臺直流充放電機構成的集中充放電站以及廣泛分布在各類停車場所的交流充放電樁，逐步形成完善的電動汽車充放電設施，隨著充放電設施規模的不斷擴大，它們對配電網的影響主要表現在以下幾個方面。

3.1 隨機性的快速充電對電網負荷的沖擊

如果采用100 A以上的快速充電為電動汽車進行隨機的電能補充，單車的快速充電功率將達到數百千瓦以上。假若在某一時刻這種快速充電行為同時進行，將會對當地的配電網產生極大的功率沖擊，引起該地區配電網的局部過負荷問題，對電網造成不利影響[4]。所以，在電動汽車普及過程中應對電動汽車使用者進行正確引導，合理安排充電時間。隨著儲能技術的發展，可以考慮將儲能充電站在低谷時段存儲的電能為電動汽車提供臨時性的電能快速補充，既能滿足電動汽車的充電需求，又可避免快速充電對電網帶來的負荷沖擊。

3.2 對電能質量的影響

由于電動汽車采用電力電子型設備進行雙向變流充放電操作，易產生諧波，造成諧波污染，給電網帶來電能質量問題，需要對電動汽車充放電設備的諧波等技術指標進行嚴格控制[5]。針對充電設備帶來的諧波污染等問題，可以總結出以下對策[6]。

a）貫徹執行與諧波相關的國家標準，從總體上控制供電系統諧波水平。

b）增加換流裝置的相數，換流裝置是主要的諧波源之一，當脈動數由6增加到12時，可以大大降低諧波電流的有效值。

c）增裝無功補償裝置，提高系統承受諧波的能力。

d）加裝濾波裝置。對諧波污染可采用就地治理的辦法，在充電站就地完成諧波治理工作，未來的充電站建設可能越來越多地應用綠色充電機（充電過程中能夠有效抑制諧波且功率因數較高的充電機）治理諧波。

3.3 對電網規劃的影響

電動汽車普及以后，在每天的負荷高峰時段，電動汽車車載電池存儲的能量將作為分布式電源按電網需求向配電網供電，由于電動汽車的數量巨大，且具有移動性和分散性的特點，電動汽車充放電設施將對電網規劃中的配電容量設置、配電線路選型等產生巨大影響。因此，配電網規劃變得較為困難[7]，主要表現為電動汽車隨機性的接入電網充電會影響系統的負荷預測，使原有配電系統的規劃面臨更大的不確定性，難以確定后期的系統規劃。

未來，大量的電動汽車將會借助完善的電動汽車充放電設施與配電網緊密連接，通過智能充放電操作在配電網側顯著地平抑電網負荷、頻率波動，極大地降低電網調峰、調頻的需求，降低電網峰谷差，提高電網負荷率，降低電網備用發電容量需求，顯著改變了電網的運行方式。因此，需要在電網規劃中考慮相關影響。

3.4 對配電網調度和繼電保護的影響

傳統配電網的受端是無源的輻射狀電網，其信息采集、配電調度等相對比較簡單，但未來電動汽車的車載電池將承載智能電網移動儲能單元的功能，不利于調度員準確地進行負荷預測，配電的調度過程也會復雜化，增加了監控與調度的難度[8]。由于電動汽車能夠實現能量在車載電池與電網之間的轉換，使得傳統輻射狀供電模式的配電網發生根本性變化，潮流不再單向從變電站母線流向用戶負荷，配電網各種保護定值與機理也將隨之發生變化。繼電保護的設計也將因此變得較為復雜，配合不好將會導致保護誤動，降低可靠性。

3.5 對配電設備的影響

電動汽車的大規模使用，充放電的隨機性將引起負荷的瞬變，給配電容量配置、配電線路選型、繼電保護配合等帶來了很大困難，直接影響配電設備使用的經濟性、安全性和壽命。為滿足充電高峰時短時間的充電功率需求，需要配置高等級的配電容量，而在充電需求低谷時，會因配電設備的利用效率不高，造成資源浪費。

3.6 對電網交易的影響

由于電動汽車不僅可以從電網獲得能量補給，同時，還能向電網供電以及提供調峰、調頻、負荷響應等輔助服務。因此，電網與電動汽車交易模式將由單向變成雙向，由簡單變復雜，需要更加先進、智能的電力市場交易技術來支撐。

4 結束語

隨著各國對電動汽車研究的大力推進，電動汽車產業將進入快速發展時期，未來，大量電動汽車的充放電行為將會給配電網帶來較大影響，而電動汽車的儲能特性也將為電力系統的安全經濟運行提供新的機遇。從負荷平衡的角度來看，電動汽車使用和充電的時間特性具有削峰填谷的作用，因此，對電網的影響較小，有其積極的一面。電動汽車充電的群聚效應對配電網局部將產生較大的影響，這方面仍有待進一步深入研究，以減少電動汽車普及給電網帶來的影響。從電動汽車充電未來的發展趨勢來看，短期內主要考慮配電網規劃中電動汽車充電設施的布點和容量配置，隨著電動汽車走入普通家庭，研究大規模分布式的隨機充電對配電網影響將成為電動汽車技術領域的重要課題。

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