电动汽车有序充放电管理策略设计

21ic电源：电动汽车作为正在培育和发展的战略性新兴产业之一，已成为新能源汽车发展的主要方向，也将成为21世纪最有潜力的交通工具。随着我国建设电动汽车换电站、充电站和充电桩计划的逐步清晰，电动汽车充电设施的建设已经开始进入实质阶段。随着电动汽车销量的逐步增加，电动汽车的充电问题受到各国政府和电力公司的重视。我国从“九五”开始明确支持电动汽车的发展和示范运行，北京、上海、深圳等示城市纷纷开展了电动汽车充电设施的建设工作。国家电网公司在“十二五”期间，将建设充换电站2351座、充电桩22万个。

可以预计，随着未来电动汽车的普及，将有大量电动汽车接人电网充放电。如果没有相应的政策和手段来对其充放电行为进行引导，那么大规模的电动汽车无序充放电行为将对电力系统的运行与规划产生非常不利的影响。本文将电动汽车有序充放电管理作为研究对象，研究电动汽车充电负荷的负荷特性，从我国实际国情出发，结合需求侧响应，提出对其进行有序充放电管理的建议。

1.电动汽车能源供给模式分析

电动汽车的行驶依靠电池提供动力，而电池的电力，必须来自于电网，所以发展电动汽车，电网对电动汽车的能源供给方式即电动汽车的充电模式是首先需要解决的问题。

1.1 电动汽车充电模式

电动汽车有多种充电方式可供选择，现今普遍采用常规充电、快速充电和换电池充电3种模式。其他充电方式，例如无线式充电、移动式充电等尚处于试验研究阶段。

(1)常规充电。常规充电或慢速充电充电电流小，约为15A，充电时间一般需要5—8h，充电器和安装成本比较低，可以充分利用电力低谷时段进行充电，比较适合家庭、停车场等场所。但是，充电时间过长，不能满足车辆的紧急运行需要。

(2)快速充电。快速充电又称应急充电，是以较大电流在电动汽车停车的20min至2h内为其提供的短时充电，快速充电站建设设施成本比较高，充电电流比较大，一般充电电流为150~400A，可能对公用电网产生有害影响。

(3)换电池充电。换电池充电是指茌电动汽车的电池电量不足时，选择附近的电池更换门店或是移动电池更换车，直接更换电动汽车的电池组，用充满电的蓄电池更换已经耗尽的蓄电池，这有利于提高车辆使用效率，也提高了用户使用的方便性和快捷性;而且对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，降低了充电成本，提高了车辆运行经济性;从另一个侧面来看，也解决了充电时间乃至电池质量、续驶里程及价格等难题。

但由于电池组重量较大，更换电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护，而且这种模式下，电池与电动汽车的标准化、电动汽车的设计改进和充电站的建设与管理、电池更换门店的规划以及电池的流通管理等问题都需要研究解决。

(4)无线式充电。电动汽车无线充电方式原理就像在车里使用的移动电话，将电能转换成一种符合现行技术标准要求的特殊激光或微波束，在汽车顶上安装专用天线接收即可。有了无线充电技术，公路上行驶的电动汽车可通过安装在电线杆或其他高层建筑上的发射器快速补充电能，电费从汽车上安装的预付卡中扣除。

(5)移动式充电。电动汽车移动式充电(MAC)分为接触式和感应式2种。对接触式的MAC系统而言，需要在车体底部安装一个接触摸，与嵌在路面上的充电元件相接触，接触拱便可获得瞬时高电流，当电动汽车巡航通过MAC区时，其充电过程为脉冲充电。对于感应式的MAC系统，车载式接触拱由感应线圈所取代，嵌在路面上的充电元件由可产生强磁场的高电流绕组所取代。

1.2 电动汽车充电模式分析

电动汽车现今普遍采用的常规充电、快速充电和换电池充电3种充电模式各有自己的优点和不足。

(1)常规充电模式简单方便，建设分散式充电桩成本低，但是，针对我国目前私人电动汽车拥有量很低且城市停车位紧张的局面，充电桩的规划设计与建设均存在不少困难，而且这种方式负荷随机性强，如果没有相应的管理措施，将会对电网产生严重影响。但将来随着私人电动汽车保有量的增加，这种模式将占电动汽车充电的很大比例。

(2)快速充电模式主要服务于没有条件实现慢充、中长途旅行和应急充电的用户，这种方式需要占用土地建设大量充电站，且充电站的布局要合理。虽是快充，但充电的等候时间相对于目前加油站还是要长。针对我国现状，建设大量的快充站，在土地征用、城市规划等方面也存在不少网难，快充电站很难完全主导电动汽车的充电，主要是作为其他模式的补充。

(3)换电池充电模式要求车载电池必须标准化，更换逮度要快。但目前不少电动汽车制造企业的核心技术是电池本身，而电池的成本占据电动汽车总成本的一半甚至更高，要求汽车制造商接受这种模式需要国家相关部门的大力推动，尤其是要制定相关标准以保障实施。而对于供电企业来说，建设换电站简单方便，可以通过引入专用线路给充电站供电，易于控制电池的充电，减少对现有电网的冲击，而且换电站的大量电池，还可以起到储能站的作用，当电网需要电量的时候，可将电池电量快速返送回电网，实现备用、调峰、调频等，这种方式对电网运行有利。当前我国私人电动车较少，一般都是电动公交车、出租车、旅游景区车、政府公务车、环卫车等，这些车辆车型单一，行驶时间、里程有规律，适合换电模式。

鉴于我国目前电动汽车和充电技术的发展水平，换电方式适合在公交公司、出租车公司、政府以及具有同一类型汽车的公司使用，这些公司或部门可以把需要充电的电池集中起来在负荷低谷期进行充电。电动公交车可以采用晚上常规充电、白天结合快速更换电池的方式以保证正常运行。对于私人拥有的电动汽车可以尽量选择在夜间或者上班时间利用充电桩进行慢速充电，而在紧急的情况下使用快速充电方式。

2. 电动汽车充放电对电网的影响分析

电动汽车作为智能电网中一种特别的负荷，除了从电网中获取电能外，还能向电网回送电力，这就是电动汽车的V2G模式，即电动汽车一电网互动技术(Vehicle to Grid，V2G)。

2.1 电动汽车V2G模式[p]

V2G技术描述的是一种新型电网技术，电动汽车不仅作为电力消费体，同时，在电动汽车闲置时可通过蓄电池放电为电网提供电力，实现在受控状态下电动汽车的能量与电网之间的双向互动和交换。利用电动汽车大规模接人形成的规模效益，配备V2G技术支持，电动汽车电池既可为车供能，又能作为智能电网的移动储能单元接人电网，用于削峰填谷、旋转备用，提高电网供电灵活性、可靠性和能源利用效率。

有文献资料显示，一天当中900/0的电动车辆都可以参加V2CJ服务，即使在交通的高峰期也有80%多的车辆是停着的，而且对于私家电动车一天当中只有4%~5%的时间是行驶的，也即95%的时间可以参加V2G服务。即便是白天出勤率高的电动公交车、出租车、环卫车和货运车辆等，也可以在夜间负荷低谷时充电，起到填谷的作用。而且电动汽车电池的充放电效率比一般的抽水蓄能电站运行的平均综合能源效率要高，充放电速度可达到毫秒级，对调节命令响应快速准确。V2CJ具有一定的调频功能，且V2G站可以不受动作次数和频率限制实现功率上调和下调的交替工作，这一点与常规电厂比较具有明显优势。随着以风能、光伏为代表的分布式电源的发展，由于风能和光伏的间歇性特征，使发电输出功率具有较大的波动性，可以利用电功汽车充电站的V2G功能，使其作为备用容量对分布式电源接人所产生的扰动进行平抑，以减少火电或其他常规机组的备用容量。

可见，V2G技术的应用具有明显的社会效益和经济效益。V2G中的车辆在完成自身行驶功能的同时，不需要添加额外装置，充分利用闲置的电动汽车储能能力，鼓励用户参与V2G服务，使电动车用户获得收益，既节省增设固定储能装置投资，又可减少部分电厂的调节容量，进而提高常规电厂运行的经济性能，是实现电网、常规电厂、电动汽车用户多赢的好方式。

2.2 电动汽车充放电对电网的影响

随着电动汽车的普及，电动汽车将大规模接人电网充放电，大规模的电动汽车无序充放电行为将对电力系统产生很大影响。

(1)大规模电动汽车充电将带来一轮负荷增长，若电动汽车集中在负荷高峰期充电，将进一步拉大电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担。

(2)电动汽车用户充电时间和空间分布的不确定性将导致电动汽车充电负荷具有较大的随机性，这将加大电网控制的难度和运行风险。

(3)电动汽车属于非线性负荷，充电所使用的电力电子设备将产生大量的谐波，降低电能质量，减损电气设备比如配电变压器的使用寿命。

(4)电动汽车的接人对配电网的规划提出新的挑战。配电网大量充电设施的建设以及大量的电动汽车充电负荷将改变配电网用电结构，传统配电网规划准则将无法适用于大规模电动汽车接人的场景。

因为电动汽车的充放电行为完全从属于车主的意愿，使用常规的调度手段来使其按照电网侧的安排进行充放电是不现实的。然而，需求侧响应作为可以充分利用价格杠杆的手段，运用得当可以激励电动汽车用户主动对其充放电负荷进行有效管理。

实施基于需求侧响应的电动汽车充放电有序管理，可以在一定程度上有效整合规模庞大却又时空特性分散的电动汽车进行有序充放电，以减小对电力系统的影响，节约车主充电成本，有效提高电网的利用率。

3.电动汽车允放电的负荷特性分析

根据电动汽车的发展现状，可将电动汽车的充放电负荷分为分散充电桩充放电负荷、公交车充电站负荷、快充电站充电负荷和换电站负荷4种类型。

3.1 分散充电桩充放电负荷

使用分布式充电桩进行常规充放电是私人电动汽车的首选充电方式，随着电动汽车的发展和普及，私家电动汽车相对其他种类的电动汽车而言，数量相对较大，分布范围很广，运行和充电随机性更强，但正是由于其极大的充电随机性，电动汽车的充电负荷大多在一定程度上是可以调控的，因而，研究电动汽车分散充电桩充放电负荷特性，有针对性地对其进行调节，有利于改善充电桩规模化建设时电网的负荷特性。对于电动汽车用户来说，如果没有

电价等激励因素，他们一般都会选择在自己方便的时候给车充电，而且不考虑向电网放电。因为电动汽车用户的周车目的及频率等因人而异，考虑到用户用车情况及使用习惯的多样化，电动汽车充电时间的选择就是一个随机变量。由于充电时间选择受用户个人偏好等一些随机因素影响，而这些影响因素的变化在自然状态下是相互独立的，互不干扰，同时也可以叠加，因此根据概率论与统计学的相关理论，可以认为电动汽车充电时间的选择这个随机变量也是服从正态分布的。

3.2 公交车充电站负荷

电动公交车属于大容量大型电动车，其充电设施建设模式为“1车1位1机”，即车辆数与充电机数基本一致。在充电站规模化发展阶段，可以认为大多数电动公交车都能实现日间行驶夜间充电，只有少量需要直接更换电池进行日间电能补给。鉴于此，可以考虑将公交车负荷当作纯可控负荷来处理，并不考虑其向电网回送电力的能力，且电动公交车的这种负荷因为其行驶线路固定，在自然状态下的负荷需求也是基本固定的。

3.3 快充电站负荷

快充电站可以在车辆行驶的间隙进行快速充电，以满足其运行需要，由于其充电电流较大，所以可能会对区域配电网产生有害影响。而且快充电站的负荷主要受充电车辆的影响，不确定性很大，而且电动汽车到快充电站充电，一般都是电池电量很低急需充电续航的时候，所以快充电站的负荷随机性大，且不可控性高，而且在充电过程中可能对电网产生诸如谐波、电压等电能质量的影响。

3.4 换电站负荷

换电站有多种可行的运营模式。一种比较合适的换电站运行模式是集中充电、配送电池、在换电门市完成换电。大规模的电池充电站可以建在比较偏僻且对于电网来说更易于控制的地方，通过物流配送的方式，送到规划好的各个换电门市，这样可以避免换电门市在市区占用大量的土地，又可以方便地对电池充放电进行管理。在这种模式下，换电站的负荷比较容易控制，可以在电网负荷低谷时集中充电，也可以在电网负荷高峰或是需要备用、调频的时候集中快速放电，起到储能站的作用。当然，换电站的这种负荷的充放电调控受到用户换电需求、电池特性等约束，有其调控的上下限。[p]

4. 基于需求侧响应的有序允放电管理策略设计

4.1 需求侧响应

需求侧响应(Demand Response，DR)的概念是美国在进行了电力市场化改革以后针对需求侧管理(Demand Side Management，DSM)如何在市场竞争中充分发挥作用以维持系统可靠性和提高市场运行效率而提出的。广义上来说，DR可以定义为：电力市场中的用户针对市场价格信号或者激励机制做出响应，并改变正常电力消费棋式的市场参与行为。DR使用的电价信号有分时电价(Time of Use，TOU)、实时电价(Real Time Pricing，RTP)、尖峰电价(Critical Peak Pricing，CPP)等;奖励措施包括直接负荷控制、需求侧竞价(Demand Side Bidding，DSB)、容量市场计划、辅助服务计划等。用户的DR行为包括调整可平移负荷(热水器、洗衣机、电动汽车等)的用电时间，使其避开高电价时段用电;运用自有DER(如蓄电池储能装置、微型燃气发电机、电动汽车等)在低电价时储能，在高电价时发电自用或向电网送电。按照现代电网的运营观念，用电负荷是和发电容量、电网传输容量与储能容量一样可以调度管理的资源，而DR是在电力市场环境下对用电负荷进行调度管理的重要措施，尤其是在有了电动汽车V2G这样的双向负荷后，DR的作用将更加突出。

4.2 有序用电管理

有序用电是指通过法律、行政、经济、技术等手段，加强用电管理，改变用户用电方式，采取错峰、避峰、轮休、让电、负控限电等一系列措施，避免无计划拉闸限电，规范用电秩序，将季节性、时段性电力供需矛盾给社会和企业带来的不利影响降至最低程度。有序用电的目标主要集中在电力和电量的改变上，一方面采取措施降低电网的峰荷时段的电力需求或增加电网的低谷时段的电力需求，以较少的新增装机容量达到系统的电力供需平衡;另一方面，采取节省措施，在满足同样的能源服务的同时节绚社会总资源的耗费。

当前我国推行的有序用电管理措施，多是在负荷高峰电力供需不平衡的时候启用，这种情况下，政府、供电企业和用户都处于被动，尤其是用户生产活动的调节属于被动调节，会造成一定的损失。所以应该对有序用电的概念进行扩展，发展到所有电力用户主动进行有序用电管理，主动调整用电负荷曲线，达到经济效益、社会效益的双赢。用户主动的有序用电，也就是需求侧响应的内涵，即如何通过经济手段，引导用户和电网互动，达到真正的智能用电。而电动汽车作为智能电网中最有特色的负荷之一，拥有双向互动的技术支撑，所以基于需求侧响应的电动汽车有序充放电管理，将对电网、对社会、对电动汽车用户带来多赢收益。

4.3 电动汽车充放电有序管理策略

(1)充电桩充电负荷有序管理策略。对于充电桩充电的负荷，通过负荷特性分析可知，如果想对该类负荷进行有序管理，使用合适的峰谷电价或是更细化的分时电价将是比较好的引导手段，引导分散的充电桩充电用户尽量在负荷低谷的时候充电，在负荷高峰的时候放电，起到削峰填谷的作用。制定合适的电价激励措施，需要充分考虑供电区域内电动汽车分散充电桩的负荷特性，基于经济学中的需求弹性理论，定性分析电功汽车分散充电桩负荷的电力需求弹性，并从峰谷分时电价各时段电量与电价的关系角度出发，求取峰谷电力需求弹性系数，再运用商品供求与价格理论，按照不同电力供求形势，分情况建立电动汽车分散充电桩峰谷分时电价优化调整模型，充分考虑电动汽车的V2CJ能力，且要防止二次移峰的出现。

(2)公交车充电站负荷有序管理策略。对于公交车充电站的负荷，通过负荷特性分析可知其充电时间比较固定，该类负荷可作为纯充电负荷来处理。如果想对该类负荷进行有序管理，需要在符合该类负荷特性的情况下，尽量引导公交车充电桩在负荷低谷时刻充电，在负荷高峰的时候，采用换电模式加以辅助。由于公交车充电站数目有限且负荷特性稳定，可以针对具体的公交车充电站，分析得出其负荷特性及充电需求，采用直接编制有序用电工作方案的方式，由供电企业、充电站运行者共同制定相关方案和充电电价标准并组织实施。

(3)快速充电站负荷有序管理策略。对于快速充电站负荷，通过负荷特性分析可知，该类负荷的随机波动性大，可控性差，有序管理网难，所以对于该类负荷的有序管理工作，应更多的侧重于保证其快充过程中对电网的冲击尽量小，保证尽量减少对电网的电能质量的恶化，综合考虑其他充电棋式，供电企业和充电站一起联合制定合适的充电电价，保证各方的合理收益。

(4)换电站负荷有序管理策略。对于换电站的负荷，通过负荷特性分析可知，由于换电站可以达到规模化充放电，所以如果管理得当，换电站将能对电力系统产生如削峰填谷、频率调节等功能，等价于一个大规模储能系统。建议将换电站的充放电管理纳入到电力系统的经济调度中，通过2个途径来体现它的价值：①将换电站用于平抑新能源电站的出力波动，使得新能源电站维持在一个稳定的出力水平;②将换电站直接纳入到电力系统的经济调度模型中去，参与调峰、调频和备用，使电力系统的经济调度安排更加合理。

5.结语

随着电动汽车充放电广泛随机接人电网，对电动汽车负荷进行有序管理提出了要求。本文针对电动汽车充放电负荷模型特点，提出的分类进行有序管理的思想，将对大量电动汽车接人电网后的负荷管理提供参考，今后还需针对适于电动汽车充放电的分时电价设定以及含换电站的电力系统调度模型进行深入研究。

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