电动汽车充放电对电网影响研究综述-马玲玲

第41卷第3期电力系统保护与控制Vol.41No.32013年2月1日PowerSystemProtectionandControlFeb.1,2013电动汽车充放电对电网影响研究综述马玲玲1，杨军1，付聪2，刘培1，孙元章1（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072；2.广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）摘要：随着大容量电池技术、电动汽车技术的发展和成本的降低，电动汽车的数量将急剧增长，其随机充放电行为将为城市电网的安全稳定运行带来新的挑战。从电动汽车充电设备及充放电特性出发，分析了电动汽车充电行为对电网负荷平衡、电源容量、电能质量、环境等方面的影响。探讨了电动汽车V2G模式在车网通信、削峰填谷、频率调节、新能源协调运行等领域的应用前景，并展望了含大规模电动汽车的城市电网动态运行机制、电动汽车与电网的协调优化经济运行、V2G多场景发展等相关领域的下一步研究工作。关键词：电动汽车；充放电；充电站；电网；车对网ReviewonimpactofelectriccarcharginganddischargingonpowergridMALing-ling1,YANGJun1,FUCong2,LIUPei1,SUNYuan-zhang1(1.SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.ElectricPowrResearchInstituteofGuangddongPowerGridCorporation,Guangzhou510080,China)Abstract:Withthedevelopmentofhigh-storagebatteryandelectricvehicle,thenumberoftheelectricvehicleswillrisedramaticallybecauseofreductioncosts,sothattherandomcharginganddischargingbehaviorofwhichwillbringnewchallengestosafeandstableoperationofurbanpowergrids.Basedonthechargingequipmentandcharging&dischargingcharacteristicsofelectricvehicles,theimpactofelectricvehiclechargingbehavioronloadbalance,powercapacity,powerquality,environmentandotheraspectsisanalyzed,andtheapplicationsofV2Gpatterninthefiledsoftheconnectionbetweenelectriccarandpowergrid,loadshifting,frequencyadjustment,andcompatibleoperationwithnewenergyresourcesarediscussed.Alsothispaperlooksforwardtofutureresearchondynamicoperationmechanismofurbandistributionnetworkincludinganumberofelectricvehicles,thecoordinateandeconomicoperationofelectricvehicleswithpowergrid,andthevariousscenedevelopmentofV2G.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50707021andNo.51277135).Keywords:electricvehicle;charginganddischarging;chargingstation;powergrid;V2G中图分类号：TM71文献标识码：A文章编号：1674-3415(2013)03-0140-090引言电动汽车作为新能源汽车的代表，相对以汽油燃烧作为动力的传统汽车而言，在环保、清洁、节能等方面占据明显的优势。我国《节能与新能源汽车产业规划（2011-2020）》强调大力发展节能与新能源汽车，实现我国汽车工业跨越式发展。插入式混合动力电动汽车（PHEV）和纯电动汽车（BEV）是我国“十二五”期间节能与新能源汽车发展的重要方向[1-2]。国家电网公司和南方电网公司在其智能基金项目：国家自然科学基金项目（50707021，51277135）；武汉大学自主科研项目（111164）电网发展规划中也明确指出，要大力开展电动汽车充放电关键技术研究并全面推广应用，研究电动汽车在不同发展阶段采用的充放电服务模式和充放电基础设施规划布点原则，制定各类充放电装置、可统一管理的监控终端及通信接口机制等相关技术规范，实现电动汽车与电网的双向友好互动。代表新一代节能与环保汽车发展方向的电动汽车开始在世界范围内逐渐被推广应用，其运行所需的能量补给则由配套的充放电装置及充放电站实现。电动汽车作为分布式微储能单元接入电力网络后，配电网将由一个放射状网络变为一个分布式可控微储能和用户互联的复杂网络，其运行特性会发生改变，影响电网的安全经济运行。马玲玲，等电动汽车充放电对电网影响研究综述-141-在分析了电动汽车充电设备的类型与充放电特性的基础上，本文从电网负荷平衡、电能质量、车网通信、电网削峰填谷、频率调节、新能源协调运行等几个方面分别详细介绍了电动汽车充放电对电网影响的昀新研究进展，并对未来该领域的研究工作进行了展望。1电动汽车充电设备及充放电特性1.1电动汽车充电设备类型及特性电动汽车充电设备是维持电动汽车正常运转的必要条件和电动汽车产业链中重要的基础设施，也是建设坚强智能电网的重要内容。电动汽车充电设备主要包括充电站及其附属设施，如充电机、充电站监护系统、配电室以及安全防护设施等。电动汽车充电机按安装方式不同可分为车载式和非车载式两种，分别采用相应的充电方式完成对车载蓄电池充电的功能。车载充电机安装在电动汽车内部；非车载充电机安装在电动汽车外，与交流电网连接，并为电动汽车动力电池提供直流电能。现阶段电动汽车充电机根据各变换环节采用的方式不同，主要包括三种方式：（1）不控整流+斩波器；（2）不控整流+DC/DC变换器（有高频变压器）；（3）PWM整流+DC／DC变换器（有高频变压器）。不控整流+斩波器这种型式的充电机属于早期产品，直流侧电压纹波小、动态性能好、工作隔离，但体积大、谐波电流严重、变换效率低，不适用于公共电网，可以预计未来应用范围有限；不控整流+DC/DC变换器直流侧电压纹波小、动态性能好、高频隔离、体积小、电网侧电流谐波大，变换效率低，将在近期或相当长一段时间内占有市场；PWM整流+DC/DC变换器型充电机由于采用先进电力电子元件及控制策略，可将谐波电流限制在很低的水平，不需加装滤波装置，功率因数高，变换效率高，对公共电网电能质量几乎不构成威胁，但考虑到制造成本、容量限制等多方面的原因，目前此类充电机的广泛应用将受到一定的限制。1.2电动汽车充电特性电动汽车充电特性通常包含充电电流、电压降落及充电时间等几个方面[3]。电动汽车电池有常规充电、快速充电和机械充电三种充电模式[4-5]。常规充电利用电力低谷时段进行充电，为交流充电，一般包括恒流充电、恒压充电和阶段充电三种充电方法[6]，常规充电效率较高，但充电时间过长。快速充电需利用专门配置的充电机对电动车电池进行充电，其充电时间短，可以大容量充电，满足电动汽车的紧急充电需求，但充电电流较大，充电效率较低，充电时会对配电网产生一定的冲击，同时大电流充电对电池寿命有影响。机械充电直接更换电动汽车的电池组，对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，解决了充电时间、蓄存电荷量、续驶里程长等难题，降低了充电成本。文献[7]对比分析了蓄电池的常规充电技术和快速充电技术，并指出充电系统应向着充电快速化、通用化、智能化、集成化的方向发展。电动汽车不同类型蓄电池的充电特性有一定的差别。蓄电池通常包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等。铅酸蓄电池理论上应按照指数型的固有充电特性充电，但在技术上有一定的困难和不便，在实际充电时一般进行常规充电，充电电流远远小于固有特性的数值，电池不会产生气泡和温升，但是充电时间较长[7]。镍氢电池充电时，在充电起始阶段电池端电压迅速上升，而在电池接近充满电时又稍微有些下降，在充电基本接近尾声时，电池温度急剧上升。镍氢电池充电内阻较小，具有较高的充电效率[8]。锂电池充电时，在充电初始时刻电池端电压有比较大的上升率，而随着充电过程的不断进行，电池端电压逐渐趋于平稳。锂离子电池在智能模式充电方式下充电效率较高，电流接受能力良好，充电电流在开始时迅速达到比较大的值，而后几乎线性下降，直至到达满充状态[9]。未来在构建电动汽车的精确模型时有必要对电动汽车的充电特性进行研究和改进，充分考虑电动汽车规模起始荷电状态、充电功率、充电时间、动力电池容量等多种因素[10]，建立更准确反映真实应用场景的模型。文献[11]根据电动汽车的充电特性，建立了作为负载的电动汽车充电时的配网模型，然后在标准的33母线配电网系统下对无控制充电和昀优充电两种充电方式进行了比较，研究了电动汽车充电以及充电控制策略可能引发的问题，并根据系统功率平衡、发电机功率范围、功率升降速率、电动汽车负载的初始SOC（电池荷电状态）值的限制提出了减小损耗、提高供电质量的优化算法。1.3电动汽车放电特性电动汽车并入电网不仅可以充电还可以放电，在满足行驶需求的前提下将多余电能回馈给电网。不同类型的电池具有不同的放电特性。铅酸蓄电池在使用时，无论是大电流的放电或小电流的放电都会对铅酸蓄电池造成损害；大电流放电易造成正活性物质脱落，而当蓄电池进行小电流放电时，容易使得蓄电池的放电终止电压过高，从而造成过放电，因此应控制蓄电池的放电电流在适当的范围-142-电力系统保护与控制内[5]。镍氢电池具有较高的放电效率，在放电起始阶段其端电压下降缓慢，在电池电量接近放尽时，端电压才开始大幅度地下降，在放电过程中温度对电池的影响不大[8]。电动汽车锂离子动力电池恒流放电时，在放电初始阶段电池工作电压下降迅速，而后进入线形下降区；在放电接近终止时，电池工作电压又开始急剧下降。锂离子动力电池的工作电压变化与放电深度存在着密切关系[9]。电动汽车的放电时间是一个非常重要的放电特性，电力调度部门对电动汽车的放电时间进行统一调度非常重要，电网和用户之间应建立能量需求信息的通信通道[12]。2电动汽车充电对电网运行的影响随着电动汽车和充电站数量的快速增加，电动汽车将成为电网未来一种新型的重要负荷[13]，考虑到大量电动汽车充电行为的随机性，电动汽车接入电网充电对电网的影响问题逐步凸显，如对负荷平衡、电源容量、电能质量、环境等方面都会产生影响，因此在电动汽车推广过程中必须深入研究电动汽车充电对电网的影响问题。2.1负荷平衡电动汽车技术逐渐成熟并大范围普及时，其应用可能会导致配电网络局部负荷变大，IEA（InternationalEnergyAgency）2009年预估2050年EV（电动汽车）/PHEV（插电式混合电动汽车）的大规模接入电网，将使全球电力需求量增加10%；美国电力研究院（EPRI）研究也指出，若全美国60%汽车替换为电动汽车，美国电力需求将增加9%，如果不加控制的将大量电动汽车接入电网，配电网可能会过负荷[14-15]，因此电动汽车接入电网必须考虑对配网负荷平衡的影响。文献[16]表明，插入式混合电动汽车并网充电为配电网增加了新的负载，该文采用比较简单的分析模型（5个家庭负荷、2辆电动汽车和一条馈线），在电池充/放电特点基础上建立了电动汽车负载特性曲线，研究了多个充电场