關于未來充電的幾點探索

李 璞，賈心怡

關于未來充電的幾點探索

李 璞，賈心怡

(深圳市車電網絡有限公司，廣東 深圳 518057)

由于國家新能源政策的大力推進，當前國內充電基礎設施建設已經具有一定的規模。根據《新能源汽車產業發展規劃(2021－2035年)》指示，下一步充電行業的發展重點將從增量轉變為質量提升，未來充電網絡在新能源汽車與能源、交通、信息等深度融合中扮演重要角色。本文針對如何實現上述要求，提供了一些在V2G模式及應用方面的探索總結。

V2G；分布式；調度策略

0 引言

自2012年國務院通過了《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》，提出到2020年電動汽車累計產銷量超過500萬輛的規劃。在國家對新能源汽車產業的發展規劃和政策雙重支持下，根據中國汽車工業協會數據顯示，2020年1月至11月，新能源汽車產銷111.9萬輛和110.9萬輛，結合2019年底新能源汽車381萬的保有量來看，500萬輛的規劃目標實現在即。另一方面，在“十二五”和“十三五”、“十四五”連續3個五年規劃中，充電設施產業作為新能源汽車發展的支撐產業也獲得了政府的大力推廣。

當前充電產業在建設規模方面，根據中國充電聯盟的官方數據顯示，截至2020年10月，全國公共充電樁保有量已達66.7萬臺，私樁配建率接近70%，私樁建設數量達83.1萬臺，公樁和私樁數量相比2017年同期都增加了2倍以上；在充電技術方面，大功率充電、即插即充、無線充電、有序充電和V2G技術等也陸續在各地展開了試點示例。2020年作為被業內廣泛看做分界點的一年，隨著補貼政策的逐步退坡，充電設施的建設正逐步從政策導向轉向市場導向，充電運營也朝著集成化、平臺化、智能化的方向發展。

2020年11月國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃(2021－2035年)》(以下簡稱《規劃(2021－2035)》)，明確指出要推動產業融合發展，促進智慧能源、智能交通、新一代信息通信與新能源汽車全面深度融合，構建產業協同發展新格局。關于如何實現智慧能源交通系統的深度融合，目前業內主流的觀點是利用電動汽車作為國內最大規模的分布式儲能這一特點，通過建設V2G充放電系統，減小充電對電網的影響，同時還可為電網提供調峰、調頻等輔助服務[1-3]。文獻[4]分析了中國發展V2G技術的瓶頸問題，從頂層設計、關鍵技術、發展環境等方面提出了中國加快發展V2G技術的對策建議。文獻[5-6]提出了基于V2G 技術的電動汽車充放電模型和實時調度策略。本文從梳理未來充電的發展目標入手，對提升充電基礎設施提出了進一步要求，對采用V2G模式解決電網難題和V2G實現架構分別進行了總結和分析，探討了代理商在V2G中的作用，并對V2G的居民應用場景應實現的功能進行了設想。

1 未來充電的發展目標

《規劃(2021-2035)》提出的推動新能源汽車與能源融合發展，即是對充電基礎設施在電網和電動汽車間應該承擔的角色提出了要求。有序充電和低規模效應下的V2G應用是第一步，目的是初步實現供給側(電網)和需求側(電動汽車)之間的供需匹配和能效優化；而要最大效力地發揮充電系統作用，需依靠V2G及智能充電網絡的技術發展和大規模應用，同時電力市場的開放程度也是關鍵。在這種情景下，電網和電動汽車可互為供給方和需求方，電動汽車的充電行為不再只單純給電網負荷施加壓力，而能實現雙方的互利互促與和諧發展。一個理想的電網—汽車充電系統應具有兩個特點：(1)“完全響應”—電網可在較寬的時間范圍內對電力負載(主要為充電負載)進行細顆粒度的系統級柔性控制；(2)“無干擾性”—能識別客戶的真實意愿，對最終用戶的體驗沒有明顯影響(這里主要指車主的充電計劃)，即以非關鍵負荷作為削減或調控目標。

2 V2G模式探索

2.1 V2G技術對解決電網難題的關鍵優勢

關于使用電動汽車V2G技術為電力系統發展服務的意義和關鍵優勢，業內有許多學者專家進行過討論，大致可總結為以下觀點。

1) 可預測度高。雖然無法預測單個負載，但大量電動汽車充電總負荷的變化卻可小于少數大型發電機的變化[7]。

2) 響應速度快。利用化學儲能瞬間響應調度需求，作為調峰、調頻資源參與AGC服務的相協調控制，而發電機則需要一些時間來進行任何有意義的輸出變化[8-9]。

3) 空間靈活性。負載分布在整個電網中，可提供針對突發事件在空間上的精確響應。

4) 時間靈活性。時間靈活性水平可用于支持間歇性發電新能源(風電、光電、燃料機組)的日益普及，減少電力系統發電成本、碳排放量及基礎設施建設[10-11]。

5) 技術可行性。智能控制和通信技術的發展—低延遲、中等帶寬網絡技術、信息處理平臺、先進的電池技術、充電基礎設施等。

基于以上總結可以看出，電動汽車V2G技術確實有在負荷管控、負荷協調和應急儲備方面為電網發展做出重大貢獻的優勢特點。

2.2 對V2G實現架構的探討

電動汽車充電與電網的互動形式主要可分為自治式、集群式和基于微網3種[12]。

1) 自治式

夜間時，家用電動汽車會停放在車庫里，給車輛配備含V2G功能的雙向充電機，根據電網提供的價格、區域用電量等信息，電動車結合自身電池狀態與電網互動。

2) 集群式

修建集中停放電動汽車的V2G停車場，根據電網提供的價格、區域用電量等信息，電動汽車結合自身電池狀態實現與電網互動。

3) 基于微網

基于微網的V2G，電動汽車并不直接與大電網相連，而是接入微網，同時微網也接入太陽能、風能等間歇性新能源，然后在微網的范圍內進行調度。該種模式下考慮的主要目標為微網負荷波動、可再生能源利用率以及運營方收益[13]。

針對充電的控制系統可以分為以下3種。

1) 分散式控制系統

特點是易于聽取車主意愿，但很難完成終端所有負載的監控，同時調度可靠性低，易造成過度響應或無響應，且難以滿足復雜的需求調度功能。

2) 集中式控制系統

該類系統的調度可靠性較高(但可能存在帶寬限制導致的延遲問題)，但對通信控制技術要求太高，不適用百萬級電動車接入電網，且難以識別車主真實意愿，易造成響應疲勞。

3) 分布式控制系統

該類系統結合了前兩種的特點，調度響應可靠性高，易實現大規模接入的通信控制，節點上能夠可監控終端所有負載情況，可識別車主真實意圖從而防止響應疲勞。

2.3 代理服務商的作用

V2G充電系統調度架構如圖1所示，可以看出，基于我國電動汽車的未來規模，分布式控制系統應是較為理想的一類。這種分布式系統可以通過不同層級的代理服務商來實現。

電網調度中心作為決策者與代理商簽署調度協議，代理商通過V2G系統將接入用戶的電動汽車電池資源整合并上報給電網。在分布式系統中，每個父節點都應對其下級的子節點負責，即不但要保持負載控制納入電力系統運行的策略與現有系統一致，并響應系統級要求，而且還要使負載控制方案獲得最終用戶的認可，如圖2所示。

圖1 V2G充電系統調度架構

圖2 調度架構中各方之間的關系

這里涉及到響應疲勞的問題，設想如果充電的響應能力隨著時間的流逝而逐漸減弱，那么先前招募的客戶可能會退出負載控制程序，而這種退出如果發生在最需要其能力的時候，例如在突發事件期間，將對電網產生很大的負面影響。為了應對不良事件的發生，必須要充分發揮代理服務商在調度機構和V2G參與用戶之間的協調作用。

3 V2G應用場景探索

3.1 居民小區的V2G應用

私家電動汽車將占據今后純電汽車總量的80%以上，而對于私家電動汽車充電，居民小區是最廣泛的應用場景，因此居民小區是最先被探索的V2G應用場景之一。同時，居民小區也具有負荷周期規律性強，民生改善性明顯等優勢，本文就居民小區的V2G應用在功能實現方面做了以下探索總結。

1) 智能計量：實現智能小區居民用戶電、水、氣的三表集抄。

2) 配電自動化：采用小區配電系統信息采集、配電開關狀態監控、故障自動檢測與隔離、配變監測等技術，實現從小區10kV進線到配變的全程監控、故障告警、故障定位、電能質量分析等功能。

3) 配電站房狀態監視：實現對配電站房的水浸傳感、溫濕度傳感、煙霧傳感、門磁開關(鐵門)傳感與視頻監控等綜合監測。

4) 電動汽車充電樁：可實現電網與動力電池雙向能量流動，集中管理小區內充電負荷和用能情況。

5) 自助電力服務：采用社區智能自助服務終端為社區電力用戶提供24小時電力查詢、電力繳費、電力購電、充值卡購電、業務辦理、業擴報裝、信息查詢、票據打印等多功能于一體的智能化業務窗口。

6) 電力光纖入戶：在客戶家庭安裝智能插座(面板)，實現客戶設備用能實時監測與信息監控；利用客戶信息服務APP或微信公眾號，通過信息推送、定制服務實現與客戶互動。

3.2 相關技術探索

1) V2G充電樁系統

考慮V2G在大規模應用時，充電樁應滿足以下要求：高度智能化的充放電控制；提供RS485、以太網等多種通信接口與監控中心或調度中心實時通信；實時檢測充放電電纜的連接狀態，并接受上級指令限制車載充電機的輸出功率；多重保護，確保充放電過程中人身和車輛的安全；模塊化的設計，減輕運維成本。V2G充電樁系統工作原理圖如圖3所示。

2) 基于區塊鏈技術的分布式能源交易

隨著V2G分布式能源的興起，導致電力市場的交易數量、規模和信息數據隨之增加，而區塊鏈的去中心化特性在該方面具有天然的應用優勢[14-15]。

圖3 V2G充電樁系統工作原理圖

(1) 交易成本降低。各用戶節點無需相互信任即可完成交易，降低了信用成本和管理成本，為大規模分布式能源進入交易市場提供可行性。

(2) 交易形式多樣。為交易提供了一個可信的廣播及存儲平臺，參與到該平臺的用戶可以進行點對點的直接交易，增強了能源供應商與需求側用戶之間的互動，改變用戶參與交易的形式。

(3) 能源選擇多類型。數據具有追溯性，可追隨參與交易的電力來源類型，使決策雙方擁有更多的交易選擇。

4 結論

按照《規劃2021-2035年》的要求，未來充電系統應作為一個連接智能電網與電動汽車的紐帶，以充電系統為核心，借助先進通信及區塊鏈交易手段，將能源流動過程中的多個相關參與方融合起來，實現全面協調發展。同時作為城市的基礎設施，未來充電系統也應充分發揮其聚合作用，實現車—樁—網—人的四位一體，助力智慧城市的建設和發展。

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Some explorations on future EV charging

LI Pu, JIA Xinyi

(Shenzhen Car Energy Net Co., Ltd., Shenzhen 518057, China)

Due to the vigorous advancement of the national new energy policy, the current domestic charging infrastructure construction has already reached a considerable scale. According to the "New Energy Vehicle Industry Development Plan (2021-2035)", the next step is to shift the focus of the development of the charging industry from increment to quality improvement. The future charging network will play an important role in the deep integration of new energy vehicles with energy, transportation, and information. This paper provides a summary of some explorations in V2G modes and applications for how to achieve the above requirements.

V2G; distributed; scheduling strategy

2022-08-17；

2022-10-08

李 璞(1978—)，男，碩士，中級工程師，研究方向為新能源汽車供電、儲能系統等；E-mail: Lipu1@szclou.com

賈心怡(1991—)，女，碩士，工程師，研究方向為新能源汽車供電。E-mail: jiaxinyi@szclou.com