电动汽车与智能电网从V2G到B2G的全新结合模式

随着石油资源的枯竭以及可再生能源技术的迅猛发展，发展新能源汽车，尤其是纯电动汽车已经是大势所趋[1-2]。作为未来电网中比重庞大的负荷，同时又兼具大规模能量存储能力的电动汽车动力电池，在实现智能电网的过程中，势必要扮演一个举足轻重的角色[3-5]。

　　电动汽车及其动力电池对于智能电网扮演着2种不同的角色，电动汽车的动力服务作为一项庞大的负荷，将可能占据整个电网负荷的极大比重，其运行对于电网安全会产生重大影响;而另一方面，电动汽车的动力电池作为一种储能装置，其能量存储的总量对于电网来说又是一种保障和优化电网运行的积极资源[6]。因此，如何让电动汽车及其动力电池在这2 种角色之间平稳自由的转换，成为智能电网与电动汽车相结合的关键问题之一。具体体现为怎样合理安排电动汽车这种负荷以及怎样优化动力电池这种储能装置的运行。当电动汽车作为负荷时，可以通过技术手段和经济手段合理安排充电时间，实现有序充电管理，达到移峰填谷的效果，提高系统运行效率，减少对电网安全的影响;当动力电池作为储能装置时，可以将其作为系统的备用容量，或者峰荷时向电网提供电量，优化电网运行，提高系统的安全可靠性。在这种背景下，V2G(vehicle to grid)的概念应运而生。顾名思义，V2G 是指与电网相连接的电动汽车(Vehicle)作为一种分布式负荷和电源，可以向电网(Grid)释放存储在其动力电池内的电能，从而为优化电网运行和安全提供积极支持[7]。在这一概念的驱动下，学术界进行了大量以V2G 为基础，对运行模式、充放电技术以及与可再生能源发电相结合实现有序充电管理等问题进行了深入的研究[7-13]。

　　然而，从V2G 命名本身强调车辆(Vehicle)来看，就可以发现在传统思维中，一直将车辆与电池作为一个整体来看待，将充放电的主体始终默认为车辆。在这种思维方式下，人们将一些电动汽车本身的属性也默认成了动力电池的属性。电动汽车分属于千百万不同的用户，其具有明显的移动、分散以及相应的与电网连接的时间和地点的不确定性。由于电动汽车的产权分属于不同用户，电动汽车接入电网及其充放电的操作权限也相应的归属于不同用户，造成了分布式决策的局面。同时，车辆作为人们日常生活的工具，其连接入电网的位置势必广泛分布于配电网，而其作为分布式电源向电网输送电能必然造成配电网潮流的复杂变化，为配电网的运行带来诸多不确定的冲击和影响。将这些车辆的属性等同看成电池的属性，造成了V2G 实施中面临的一系列困难和障碍，很多研究一直延续这种思维方式，试图从这些束缚中寻找突破。

　　实际上，如果大胆的突破原有的思维模式，在电动汽车与动力电池之间进行解耦，就会发现那些对于电动汽车的诸多束缚对于动力电池其实并不存在。在摆脱这些束缚之后，通过建立大型集中储能充电站，可以实现动力电池直接向电网输送电能。因此，在V2G 的基础上，可以扩展出一种新的概念，将其命名为B2G(Battery to Grid)。B2G 揭示了电动汽车动力电池与电网交互的本质，而去除了车辆属性的束缚，摆脱V2G 概念的局限性。实际上，V2G是B2G 的一种特例或者存在形式，V2G 的本质依然是电池与电网的能量交互，只是由于V2G 特殊的存在形式造成了诸多的束缚和问题。作为对V2G 的扩展和升级，除了V2G 之外，B2G 也可以包括集中充电的动力电池与电网的能量交互。

　　本文将集中充电的动力电池与电网的能量交互作为B2G 的重点进行论述，无特殊说明时，文中所述B2G 均指这种运行方式。本文以V2G 为基础阐述其产生和特点，论述实现该B2G 在商业模式上、运行管理上、技术条件上面临的挑战和可能的解决途径。并以B2G 为基础，展望在此基础上智能电网未来可能的发展愿景。

　　1 电动汽车与动力电池的解耦

　　电动汽车与动力电池的解耦主要体现在3 个方面：资产关系解耦、时间解耦和地点解耦。通过资产关系解耦，首先解决对于动力电池充放电的决策权问题，而通过电动汽车的动力服务与电池充放电在时间和地点上的解耦，解决电动汽车本身移动、分散的特点与电池充放电过程精确计划与控制之间的矛盾。

　　1)资产关系解耦。与燃油汽车相似，用户在购买汽车时，并不愿意为了确保能够获得固定数量的燃油供应而额外支付一笔保证费用，因此对于电动汽车来说，让用户为确保获得电能供应而单独为电池付费并不完全合理[14]。此外，电池的所有权也直接决定了对于电池的充放电操作的决策权，资产关系的解耦是其他解耦和技术路线的前提，只有专业的充换电运营公司掌握了电池的所有权，才能更好地避免汽车用户的意愿对电池利用的限制和约束，同时大大降低决策的复杂程度和主体数量。

　　2)电动汽车动力服务与电池充放电操作的地点解耦。由于动力电池的充电时间过长而无法满足人们快捷的动力服务的需求，电池更换模式彻底打破了电动汽车与电池一体化的思路，使电动汽车的动力服务与动力电池的充放电操作可以完全在不同的地点进行。由于分属于不同的所有者以及不确定的使用方式，电动汽车接入配电网的地点也同时具有分散和不确定的特点。而通过换电模式实现地点解耦，使得动力电池的充放电有可能摆脱对配电网的依赖和冲击，避免分散和随机而采用集中的方式，以避免诸多不确定性因素的影响。

　　3)电动汽车动力服务与电池充放电操作的时间解耦。电动汽车整车充电模式下，动力电池连接入电网充放电的时间与电动汽车运行行驶的时间难免会形成矛盾，而电网由于自身运行安全和成本效益的考虑，对动力电池充放电的时间又具有特殊的要求。因此在V2G 中，很多技术和方法都是针对这种矛盾来寻求2 者在时间上的平衡，但这种平衡毕竟是在约束下的有限度的平衡。因此，换电模式将电动汽车动力服务与电池充放电操作进行了时间解耦，对于电网而言，解决了其利用动力电池优化运行和安全的最大障碍。

　　图1 中，将资产关系、时间以及地点3 种属性用三维空间的方式来表示电动汽车与动力电池的解耦关系。在整车充电的模式中，电动汽车与动力电池的这3 种属性基本相同，而解耦之后2 者可以完全具有不同的空间属性。

　　由以上分析可以看到，从V2G 到B2G 的发展，对应了从整车充电到更换电池模式的转变，人们逐渐地意识到电动汽车与动力电池的资产关系并非先天的不可分割，而动力服务与电池的充放电操作的时间和地点也并非必然一致。而V2G 在资产关系、时间和地点上将电动汽车与动力电池僵化看待为一体，也因此造成了其实践中所要面对的诸多困难。例如，由于资产关系的约束，V2G 要面对决策变量和决策主体数量维数爆炸的困扰，对于用户参与和资源统计以及控制的态度不确定性的影响;由于地点的约束，各充放电地点广泛分散在配电网，且由于接入地点的随机性，造成了对配电网谐波和潮流等不确定性的冲击和影响;由于时间的约束，电网对于电池充放电时间的要求因为用户行驶需求和意愿的约束变得难以实现和平衡，且为实现这种沟通和平衡，其所消耗的资源和成本也会非常庞大。然而，通过3 种关系的解耦，在B2G 的模式下，这些问题就会迎刃而解。

　　2 实现B2G 的基本要素

　　2.1 商业模式实现B2G的3 种基本解耦都与电动汽车动力服务的商业模式息息相关。为实现资产关系的解耦，动力电池不再作为汽车用户的私有财产，而仅仅是提供动力服务的工具，则必须由一个具有足够规模和实力的运营实体来承担购买和维护大量动力电池的成本。此外，由于电动汽车需要一个逐步发展和普及的过程，而动力服务的基础设施建设，包括动力电池的采购和供应，要适度超前于电动汽车的普及和使用，因此成本的回收和经济效益的显现需要一个漫长的过程。所以建立这样一个运营实体需要由具备强大经济实力而同时又担负巨大社会责任的企业实体来承担。

　　此外，为了实现有序集中充放电，电网调度需要具有直接调度电池集中充放电的能力，而电池的资产关系与其决策权紧密相关，只有在电网公司具有对电池资产管辖权的情况下(无论是直接的或是间接的)，才有可能使电网具有全面调度电池充放电，并将其作为优化智能电网运行资源的完整权限。因此，由电网公司来组织负责专业电动汽车运营服务公司的组建，并将其作为自身业务的延续，才能完全发挥B2G 技术的作用。

　　进一步的，电动汽车的动力服务与动力电池的充放电操作在地点和时间上的解耦，实际上意味着整个运营服务体系的网络化结构，整个服务网络的各个节点根据全系统网络化服务需要分别承担不同的功能，而电池作为系统共有资源在整个网络中流动和调配。网络化的充换电服务体系在国外已经开展了实践和应用[14]，打破点对点的服务方式，利用网络化的连接和协调能力，利用网络的内部分工和整体结合，突破各站单一独立服务模式下现有电池技术对动力服务能力的制约。而在此基础上发展B2G 技术，也可以解决充换电网络与电网之间在资源利用上的冲突。通过引入物联网技术建立完全覆盖电动汽车、动力电池以及充换电设施网络的完整信息网络，将电动汽车充换电服务与智能电网运行完美的结合起来。图2 是一种3 层物联网架构，由车联网、电池物联网以及充换电设施网络构成，而充换电设施网络从广义上讲也是智能电网的一部分。各层网络的实体之间通过运行服务进行动态关联，例如电动汽车与电池之间在发生动力服务时产生动态关联，当电池被更换后这种关联结束;电池与充换电设施在充换电运行时发生动态关联，当充放电结束后这种关联结束。

　　2.2 大型集中储能充电站的关键技术

　　1)选址。大型集中储能充电站可以根据其功能定位和具体条件进行选址。一般可借助于35.kV以上的变电站进行建设，可以解决场地和容量的限制。如果希望与可再生能源发电配合运行，例如风电，也可在条件允许时选择与风电场一起合理规划布局，使该电站同时肩负充电以及通过储能改善风电场并网运行的双重功能，从而实现优化配置资源。

　　2)大功率充放电装置。与一般的综合性换电站不同，大型集中储能充电站的充放电规模和容量都要更加庞大，这就需要研发和建设大功率的充放电装置和网络。此外，与V2G 向配电网放电不同，大型集中储能充电站依托于高压变电站，其放电地点可能位于高压输电网络。因此，与V2G 以每一台电动汽车为基本控制单元不同，B2G 的放电基本控制单位可能需要具有相当大的容量和规模才能够实现并网发电，这也需要集中充电站在建设和管理方式上与其相适应。

　　3)谐波治理。谐波是电动汽车充放电的固有产物，也引起了学术界的广泛关注和研究。但是，在集中充电站，谐波的规模和幅度可能要远远超出在配电网进行的整车充放电。然而，同时这也为谐波的集中治理提供了契机，避免了谐波在配电网中的分散和传播。目前高压直流输电中成熟的大功率交直流转换技术以及谐波治理技术，都可以为建设集中储能充电站的大功率充放电装置和谐波治理提供技术支持。

　　4)电池数量以及容量配置。在建设大型集中储能充电站中，如何规划电池的数量以及充电设施的容量也是重要的技术挑战。如果系统不仅担负着电动汽车的动力服务，而且还担负着为电网优化运行以及提供储能服务的职责，则其电池的数量和充放电设施容量，在满足电动汽车动力服务需求的基础上，还需要具有一定的冗余。一方面，集中充电站为了实现削峰填谷只能选择有限的时段进行充电;另一方面电池作为储能装置不能完全投入电动汽车的动力服务，所以合理的配置电池资源和容量显得尤为重要。

　　2.3 一体化综合调度决策

　　通过由电网统一规划调度大型集中储能充电站的电池充放电，是实现基于B2G 的有序充放电管理的明显特征，也是其克服V2G 分散、难以计划以及难以控制的核心方法。但是要实现电池集中充放电的调度，势必要保证电池资源能够按照调度计划进行配置，且不影响充换电服务网络的正常运行。而这种配置要依靠电池配送调度来实施和保障。电池的配送要依靠配送车辆来实施，而如何组织和调度配送车辆既涉及到配送调度能否实施，也涉及到调度的成本。

　　通俗地讲，电池集中充放电的运行调度要解决在什么时间、什么地点为多少电池充入多少电量，或利用多少电池释放多少电量。而电池的配送调度则要保证在运行调度所指定的时间地点，有充足的电池资源以供电网调度实施其运行规划，而同时在充换电服务网络的各个服务站点都具有足够的电池资源以满足电动汽车动力服务的需要。为了保障电池调度规划的实行，配送车辆调度既要满足电池配送调度计划的顺利执行，又要优化配送调度的成本。因此这3 种调度并非彼此孤立，而是环环相扣的。正是这3 种调度的一体化设计和执行，才能够使电动汽车的充换电服务网络与电网紧密地结合在一起，彼此形成良性互动，而非彼此制约和负担。

　　如图3 所示，3 种调度之间的关系可以用3 层模型来表示，车辆调度处于最底层，为电池配送调度提供运力支撑，电池配送调度为集中充放电运行提供电池资源支撑，而集中充放电运行调度可以理解为未来智能电网调度的一部分。整个调度体系在调度规划阶段需要综合决策，不能彼此在决策流程和次序上完全分离，应根据动力服务需求、电网运行效益以及配送成本的优化进行一体化的协调和决策。

　　3 基于B2G 的有序充放电管理

　　有序充电这一概念本身是站在电网的角度来审视电动汽车动力电池的大规模充电问题，而对于电动汽车及其用户而言，并不存在“有序”或“无序”的区别。如果动力电池的充电负荷按照电网调度的期望实现有序管理，达到可预测、可调度和可控制，不仅可以大大减少投入，甚至还可以优化电网运行效率。此外，动力电池作为储能装置在必要时向电网提供电能支撑，还可以进一步优化电网的运行效率以及安全保障。但是在整车充电和V2G模式之下，因为电池的所有权和充电的决策权在用户手中，用户基于其自身的未来行驶需求各自分散进行充电决策，预测这种充电负荷时间和地点的分布势必会面临巨大的不确定性。而要引导用户按照电网运行所期望的方式(时间、地点)进行充电，需要借助一系列的政策和服务作为手段，借助于需求侧管理的方式实现对于充电负荷的调度，但这种调度无论是在精度还是有效性上都难以获得保障。在引入V2G 之后，要实现对大规模分散的电动汽车及其动力电池进行精确放电控制，所需要的通信网络建设和技术的难度与成本都将是巨大的。

　　然而，基于电池更换和B2G 的模式，由于电池被集中充电，其充电的容量和时间等因素完全由调度直接指定，其作为充电负荷或放电电源的容量对于电网调度而言是完全明确的，其预测的精度将是其他传统负荷无法比拟的。而电动汽车运营服务公司作为电力公司的下属企业，电网调度可以拥有对于所有电池运行的直接调度和管理权限，这种调度不需要其他任何附加的管理和技术成本，而且高效可靠。此外，要实现电网调度对于电池充放电的直接控制，在集中充电的模式下，可以集中建设通信网络，其控制的成本和控制算法的复杂性都要远低于V2G 模式。具体的，在B2G 模式下的有序充放电管理，要特别关注以下几点问题：

　　1)负荷预测。与以往研究相比[15]，集中充电的动力电池是一种特殊的负荷。对于电网调度而言，不仅其规模和容量可以精确预测，其充电的时间地点在相当程度上也可进行决策和调度。运营服务公司根据预测的未来周期内动力服务所需要的动力电池总量，结合系统电池配置的数量和冗余情况，制定未来周期内的动力电池充电的总量规划并上报电网。这些动力电池充电负荷作为未来负荷预测的一部分供电网调度进行调度规划使用，但是电网调度在满足时间和总量的前提之下，可以制定和调整这些动力电池充电的时间和地点，具体可以将这些负荷看作出力为负数的机组来参与调度。

　　2)机组组合。在考虑电池作为电源可向电网放电的模式之下，电网调度在制定机组组合计划时将不得不将其纳入规划体系之内。但是在V2G 模式之下，由于各电动汽车的分散和自主决策，如果将每一台电动汽车都作为独立电源，那么机组组合问题的变量维度将空前庞大，从而使问题难以求解[16]。在B2G 模式之下，集中充电站可以被看作一座发电厂，根据其内部的结构和最小控制规模与范围，将所有电池看作有限数量的机组，可以在传统的机组组合算法的支撑下便捷地完成新的机组组合计划。

　　3)潮流分析。动力电池无论是作为充电负荷还是放电电源，都会对电网潮流产生巨大的冲击。在整车充电和V2G 模式下，大规模的充放电将带来配电网潮流的复杂变化。而同时由于电动汽车充放电的分散决策，其接入电网的时间地点的不确定性，会造成配电网潮流变化分析和应对的一系列困难。因此，在这种模式下，配电网为适应未来潮流的冲击所需要的改造和建设压力将是巨大的。但是在B2G 的模式之下，一座电池集中充电站可以依托于大容量的变电站建设，其并网点明确，而相应的充放电操作对于电网潮流的影响完全可以通过传统的潮流计算和分析方法进行，不仅降低技术难度，也可以节约配电网建设和改造的成本。

　　4 结语

　　智能电网的建设正在蓬勃兴起和发展，而与此同时，电动汽车的大规模推广和运行与其不期而遇。如何将电动汽车的服务和运营与智能电网的建设与运行完美地结合起来，实现其一体化的无缝连接，是一个关键问题。如何回避V2G 固有的障碍又完美的发挥动力电池对于电网运行的优势，成为电动汽车与智能电网技术相结合的关键所在。本文通过对电动汽车与动力电池进行资产、时间和地点几个方面的解耦之后，建立网络化的服务系统并与电网调度运行相结合，通过电池向电网集中供电的B2G 模式应运而生。B2G 在诸多方面相对于V2G具有不可比拟的优势，而其所依赖的诸多调度和运行的基础技术恰恰是传统的电网运行和调度技术优势所在，而相应的运营和服务又恰恰可以通过集中式的建设和管理来解决，尤其适用于我国国情。B2G 可以克服V2G 固有的用户大范围分散决策与电网调度集中决策的矛盾;B2G 可以回避V2G 造成的充放电时间地点的不确定性;B2G 可以最大限度地保留电网对于负荷和电源的集中式传统运行调度模式;B2G 也更加适用于国家电网正在开展的智能充换电服务网络的运营模式。因此B2G 将会成为未来电动汽车与智能电网技术相融合的一种极具竞争力的选择。