电动汽车充放电站在电网调峰中的应用

张秉良 ，孙玉田 ，孙 勇 ，张博颐

(1.山东电力科学研究院，山东 济南 250002；2.华北电力大学，北京 102206)

0 引言

近年来，随着人民生活水平提高和电力负荷发展，电网容量不断扩大，加上风电、太阳能等新能源的迅猛发展，致使电网峰谷差也日益加大，为电网的安全运行带来巨大挑战。电动汽车以电为动力，是坚强智能电网的重要组成部分，而且电动汽车的动力电池可以储存电能，可以理解为电网中的移动的分布式储能单元，具有清洁、高效、环保等特点，由此形成了“车—电”互联(Vehicle to Grid，简称 V2G)的概念［1-2］。

V2G描述的是一种新型电网技术，电动汽车(充放电站)不仅作为电力消费体，同时，在电动汽车闲置时可以作为绿色可再生能源为电网提供电力，实现在受控状态下电动汽车(充电站)的能量与电网之间的双向互动和交换。目前国内外关于V2G已经展开广泛研究。文献［3］综述了电动汽车与电网交互关系的研究现状，指出虽然该领域是当前的研究热点，但是各项研究均处于起步阶段，如电动汽车电池充电负荷模型的研究以及车用电池在“车辆到电网”中的模型。文献［4］通过动力电池参与电网调峰应用分析，论述电动汽车动力电池移动储能技术应用优势，可行性和基本系统模型，可为今后的研究提供参考。文献［5］阐述了电动汽车充放电控制策略总体思路以及实现V2G的24 h发电计划原理。并以某一特定区域的电网负荷和 3辆电动汽车参与 V2G活动为例，介绍一种V2G充放电控制策略算法的具体实现。

目前电动汽车尚未形成大规模应用，尤其是V2G技术的完善还需时日，仍有大量的基础研究工作需要展开。介绍了电动汽车充放电站的充放电特性，预测充放电站充电容量和可调度放电容量，提出了充放电站参与电网调峰平衡的方法。

1 充放电站充放电特性分析

充放电站是电动汽车的能源供给单位。目前电动汽车的主要充电方式有常规充电方式、快速充电方式和电池更换方式［6-7］。

常规充电方式根据电池相应的充电曲线，采用恒流、恒压的传统充电方式对电动汽车进行充电。这种方式以比较低的充电电流(0.1 C～0.3 C)在较长的时间内对蓄电池进行慢速充电，典型的充电时间为8～10 h。这种方式主要针对大量低电压(220 V)分布式充电点，可充分利用电力低谷时段进行充电。充电简化模型如图1所示。

图1 动力电池简化充电过程

快速充电方式又称应急充电，是指在短时间内使蓄电池达到或接近充满状态的一种方法。该充电方式以1～3 C的大充电电流在短时间内为蓄电池充电，其典型的充电时间是10～30 min。该方式充电功率很大，对电网要求较高，充电时间分布比较离散。

更换电池方式通过直接更换电动汽车的电池组来达到充电的目的。整个电池更换过程可以在10 min内完成，更换下来的电池，一般采用常规方式进行集中充电。充电时间可控性高，可以根据电网要求安排在负荷低谷时段进行。

电池的放电容量与放电电流有关，放电电流越大，在该电流下所放出的有效容量越少，动力电池典型容量特性如图2所示［8］。为了保证电池特性和有效容量，一般采用小电流放电方式［9］。

图2 电池容量特性示意图

2 充放电站参与电网调峰模型及求解

2.1 参与调峰容量计算

要建立电动汽车充放电站参与调峰模型，首先要预测可参与调峰的容量，即充电容量和放电容量。由于电动汽车充电分布在时间和空间上具有很大的随机性，而放电则需要考虑客户的意愿等问题，因此充放电站的充电功率和放电功率也具有很大的随机性。这就需要对充放电站可用容量进行分析预测。

对电动汽车充电方式，国家电网公司提出了“换电为主、插充为辅”的模式，本文在考虑时只考虑参与换电模式的电动汽车。对集中充电站而言，充电开始时间和充电功率是按照电网需求或调度中心调度计划确定，则充电持续时间取决于待充电池总电量需求。

待充电池数目为M，电动汽车的起始SOC为s0，且有 s0∈N(μ，σ2)。

则可得充电站充电容量为：

放电而言，放电容量就取决于负荷高峰时段可以调度的放电容量，假设可调度放电动力电池数目为N，则一般可由两种方法取得；一是用户根据自己的情况制定好某一时间段 (如1周)参与V2G的计划，并将此计划上报给后台管理中心；一种是采用历史数据进行预测的方式。

假设某动力电池放电起始SOC为s0，结束放电时 SOC 为 s1，且有 s0∈N(μ，σ2)，s1∈N(μ1，σ21)。

则可得充电站放电容量为：

2.2 填谷模型及流程

在电动汽车充放电站参与调峰时，充放电站可根据电网需求或调度中心计划安排充电计划，实现填谷目的。本文假设按照分批分时段方式进行，即以负荷预测曲线为基础，以拉平最小负荷为目标。

更换电池方式下，更换下来的电池一般采取集中充电的方式，在标准的大型集中充电站中进行，即国网国家电网公司提出的“集中充电、统一配送”模式。对动力电池的集中充电一般安排在负荷低谷时段，且充电站的充电功率是固定的，则充电持续时间取决于待充蓄电池的总电量需求。

将待充电池以某步长(单位电池数目)分作M组，以负荷最低时段为中心，依次向两端延伸安排充电，并修正原始负荷曲线，得到等效负荷曲线。然后寻找等效负荷曲线的负荷最小值，并依此为中心点安排下一组电池的充电计划，直至所有电池充电安排完成。从而可以得到充放电站的充电方案和修正的负荷曲线。其实现流程如图3所示。

图3 “填谷”计算流程

2.3 削峰模型及流程

在电动汽车充放电站参与调峰时，充放电站可根据可调度容量、电网需求或调度中心计划安排放电计划，实现削峰目的。 本文假设按照分批分时段方式进行，即以填谷以后的修正负荷曲线为基础，以削减最大负荷为目标。

将可调度电池以某步长(单位电池数目)分作K组，以负荷最高时刻为中心，依次向两端延伸安排放电，并修正负荷曲线，得到等效负荷曲线。然后寻找等效负荷曲线的负荷峰值，并依此为中心点安排下一组电池的充电计划，直至所有可调度放电计划完成。从而可以得到充放电站的放电方案和修正的负荷曲线。其实现流程如图4所示。

图4 “削峰”计算流程

3 算例

本节以某地区电网为例，取该省2015年10月份典型日预负荷曲线，最大预测负荷为8 892万千瓦，日负荷曲线见表1。

假设该地区2015年电动汽车规模分别为100万辆、200万辆、500万辆、1000万辆，根据上述模型和计算流程，对充放电站进行调峰调度，分析不同规模电动汽车对电网负荷曲线的影响。假设填谷时间限长为11 h，在负荷高峰时段有20%的电动汽车可参与调度调峰平衡，时间限长为3 h。计算结果如表1、图5所示。

结果表明，电动汽车规模化应用以后，可起到了良好的“削峰填谷”效果，提高了电力设备的利用率。不同规模电动汽车对电网峰谷差的影响见表2。表中Pmax为电动汽车最大充电功率需求，可见随着电动汽车应用规模的增大，电网的峰谷差明显减小。

表1 某地区日负荷曲线

表2 不同规模电动汽车对峰谷差影响

以上算例只分析了充放电站参与系统平衡的情况，在实际运用中采用常规充电和快速充电的电动汽车会增加电网的最大负荷，增加额外的装机需求。

4 结语

电动汽车是智能电网的重要组成部分，是实现低碳化交通的重要途径。本文介绍了电动汽车充放电站的充放电特性，预测充放电站充电容量和可调度放电容量，提出了一种充放电站参与调峰平衡的方法。并基于某地区2015年典型日负荷曲线，研究了不同规模电动汽车对电网峰谷差的影响，结果表明充放电站有良好的“削峰填谷”效果，可极大缓解电网的调峰压力。分析方法及算例结果对研究我国未来V2G技术对电网的影响具有一定的参考价值。