电动汽车接入电网的影响与利用-胡泽春

第32卷第4期中国电机工程学报Vol.32No.4Feb.5,20122012年2月5日ProceedingsoftheCSEE©2012Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2012)04-0001-10中图分类号：TM71文献标志码：A学科分类号：470·40电动汽车接入电网的影响与利用胡泽春，宋永华，徐智威，罗卓伟，占恺峤，贾龙(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市海淀区100084)ImpactsandUtilizationofElectricVehiclesIntegrationIntoPowerSystemsHUZechun,SONGYonghua,XUZhiwei,LUOZhuowei,ZHANKaiqiao,JIALong(DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,HaidianDistrict,Beijing100084,China)ABSTRACT:Largescaleofplug-inelectricvehicles(PEVs)integrationwillposeinevitableimpactsontheplanningandoperationofpowersysteminthefuture.TheliteraturereviewswerecarriedoutonPEVsintegrationonpowersystemincludingPEVschargingloadmodeling,simulationandcalculation,PEVs’impactsonpowersystem,andcontrolandutilizationofPEVscharginganddischarging.Firstly,keyfactorswhenanalyzingthechargingloadwerepointedout.Additionally,theimpactsofPEVsintegrationongenerationexpansion,gridoperation,chargingfacilitiesanddistributionsystemplanningwerediscussed.ThecurrentresearchoncoordinatedchargingofPEVsand“vehicle-to-grid(V2G)”operationwerereviewedaswell.Finally,possiblefutureresearchareaswerepresented.KEYWORDS:electricvehicle(EV);chargingloadmodeling;coordinatedcharging;powersystem;vehicle-to-grid(V2G)摘要：未来电动汽车(plug-inelectricvehicle，PEV)的大规模接入，将给电力系统规划和运行带来不可忽视的影响。从电动汽车充电负荷建模与仿真计算、电动汽车接入对电力系统的影响、电动汽车的充放电控制与利用3大方面，讨论电动汽车接入电网的研究现状。指出电动汽车充电负荷分析应考虑的主要因素；总结电动汽车接入对电源发展、电网运行、充电设施与配电网规划方面的影响，并分析电动汽车有序充电及与电网互动(vehicletogrid，V2G)的研究现状和应用难点。最后，对今后的研究方向进行讨论。关键词：电动汽车；充电负荷模型；有序充电；电力系统；电动汽车与电网互动0引言温室气体的过度排放，导致全球气候变暖趋势基金项目：国家863高技术基金项目(2011AA05A110)；国家自然科学基金项目(51107060)；质检公益科研专项项目(201010232)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina863Program(2011AA05A110);ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51107060);QualityPublicServiceIndustryResearchandSpecialProjects(201010232).加剧[1-2]。电动汽车作为新一代的交通工具，在节能减排、减少人类对传统化石能源的依赖方面具备传统汽车不可比拟的优势。目前，插入式混合电动汽车(plug-inhybridelectricvehicle，PHEV)和纯电动汽车(batteryelectricvehicle，BEV)由于具备接入电网进行电能补给的能力而得到了广泛的关注与发展。世界各国政府纷纷出台相关政策推动电动汽车产业发展。在美国，能源部牵头实施了EVProject[1]计划，通过免费为电动汽车的用户建设家用充电桩来推广电动汽车的使用。在中国，科技部牵头实施了“十城千辆”计划[2]。该项目计划两三年内在中国部分城市推广新能源汽车在公交车、公务车、社会服务车辆以及出租车中的示范运营。随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系统的运行与规划产生不可忽视的影响。这些影响主要包括：1）负荷的增长。电动汽车充电将导致负荷增长，若大量电动汽车集中在负荷高峰期充电，将进一步加剧电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担。2）电网运行优化控制难度的增加。电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性，使得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。3）影响电能质量。电动汽车充电负荷属于非线性负荷，所使用的电力电子设备将产生一定的谐波，有可能引起电能质量问题。4）对配电网规划提出新的要求。在配电网中增加众多充电设施以及大量电动汽车充电，将改变配电网负荷结构和特性，传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车大规模接入的情景。目前，对于电动汽车接入电网的研究可归结为以下3个方面：DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.04.0062中国电机工程学报第32卷1）电动汽车充电负荷建模与仿真计算。该方面的研究是研究电动汽车对电网的影响和进行充放电调控的基础。电动汽车充电负荷建模涉及动力电池的充电特性、电动汽车用户的用车行为、充电方式等多种因素。由于电动汽车尚未大规模接入，一般通过仿真分析充电负荷的大小和特性。2）研究电动汽车接入对电力系统的影响。电动汽车接入对电力系统的直接影响是导致负荷的增长。目前的研究，一方面基于电动汽车发展的不同场景，分析电动汽车接入对电网经济运行、电能质量、配电设备等方面的影响；另一方面从电源侧和/或电网侧分析电力系统承受电动汽车接入的能力。3）研究电动汽车的充放电控制与利用。对电动汽车接入电网的研究不仅因为增加了电网的用电负荷，更重要的是电动汽车用动力电池可作为分布式储能单元，具有一定的可控性并能够向电网反向馈电。目前的研究工作主要包括电动汽车有序充电控制和电动汽车与电网互动(vehicletogrid，V2G)，也有文献称为单向V2G和双向V2G[3]。下文将依次从上述3个方面总结目前对于电动汽车接入电网的研究现状，分析电力系统面临的挑战与机遇，并展望未来可能的研究方向。1电动汽车充电负荷1.1主要影响因素电动汽车充电负荷建模是研究电动汽车接入对电力系统影响以及充放电控制的基础。电动汽车充电负荷建模涉及的主要因素包括：1）电动汽车动力电池特性。包括电池类型、容量、充电特性等。2）电动汽车的运行规律。包括各种类型电动汽车出行时间、行驶里程、停放规律、充电场所与充电时间等。3）电动汽车电能补给方式。电动汽车电能补给方式主要包括整车慢充、整车快充和电池更换3类，不同的电能补给方式对应的充电负荷具有显著区别。4）电动汽车的发展规模。不同国家和地区电动汽车发展的趋势不尽相同，而电动汽车发展的规模决定了电动汽车充电负荷的整体特性。1.2电动汽车动力电池特性作为联系电动汽车与电网的元件，电池的建模是研究充电负荷的基础。在对电池建模时，需要在精确度和复杂性之间进行选择，在研究不同层次的问题时可做一定的近似或简化。虽然当前可用于电动汽车的动力电池类型较多，但是基于对电池比能量、效率、比功率等方面的对比得出结论，锂离子电池具备最佳的综合性能[4-5]。从不同的角度可以建立动力电池的不同模型[6]，电池的电路模型是研究电池充电特性时的首选。在电池的充电过程中，由于其荷电状态的非线性和充电过程易受环境的影响，对其建模有一定的难度。文献[7-8]研究了动力电池的几种常用的电路模型，各种模型在精确性和复杂性上各有优劣。动力电池一般采用“先恒流、再恒压”的方式进行充电，恒流充电时间相对较长，在此期间电池端电压变化幅度很小。因此，文献[9]在分析电动汽车充电对配电网的影响时，将充电负荷作为恒功率负荷。1.3电动汽车的运行规律研究用户驾驶行为对于电动汽车充电负荷模型至关重要。一般基于用户用车行为来分析用户的电动汽车充电时间和空间分布，并对充电负荷进行统计或预测。国外文献对电动汽车充电时空分布特性的研究主要是基于用户调研或者交通部门的统计数据。文献[10]采用的方法是通过对多个电动汽车驾驶者进行跟踪调查，研究电动汽车用户的驾驶行为，分析可能的充电时间及地点。文献[11]利用在用户车上安装GPS记录的76个用户1a内每天离家和回家的时间以及行驶的距离数据，提出了一种基于条件概率的预测模型。文献[12]根据对传统汽车用户不同时间段出现地点以及停车间隔的统计数据来计算用户驾驶行为的条件概率，并假设每次行驶的间隔服从指数分布，从而通过仿真得到电动汽车的充电负荷。文献[13]假设用户主要在家中充电，然后根据汽车出行的统计数据，选取了3段出行较少的时间段作为电动汽车可能的充电时间。中国的电动汽车发展路线与国外存在一定差异，公交车、公务车、出租车和私家车4类电动汽车的用户用车行为和充电行为差别较大。分析中国电动汽车充电的时空分布特性，应当结合中国电动汽车的发展路线，对每一类电动汽车的用车和充电行为分别进行分析。文献[14]结合中国国内的实际情况对上述4类电动汽车的充电时间进行了调研，采用蒙特卡罗模拟的方法对电动汽车充电负荷分布特性进行了分析。第4期胡泽春等：电动汽车接入电网的影响与利用31.4电动汽车电能补给方式目前对电动汽车电能供给方式主要有充电和换电种[15-16]，2种方式具有不同的特点。对于充电方式方面，统一的充电标准对充电负荷的研究至关重要。中国于2011年12月发布了电动汽车充电接口和通信协议4项国家标准，规定了通过传导方式充电的标准充电电压和电流。国际电工委员会和美国汽车工程师学会等组织也制定了相关标准，并在进一步地完善。文献[17]对IEC62196标准的4种充电模式进行了介绍。相较于充电模式，换电模式下电动汽车电能补给速度快，并可以在负荷低谷期间对电池集中充电。换电站充电还可以与新能源发电相结合[18]或作为电力系统的重要储能环节[19]。但是，换电模式存在电池接口标准难以统一等问题。目前，电动汽车电能补给方式尚未统一，对充电和换电方式下的充电负荷均有所研究，不同的补给方式可能适合不同充电需求的电动汽车[20]。文献[10-13]分析了充电模式下的充电负荷，文献[16]则在换电模式下，将用户分为固定用户、习惯用户和随机用户3种。固定用户的充电需求可以通过调查得到，然后分别根据用户数量和换电站附近车流量对习惯用户和随机用户的充电负荷进行预测。1.5电动汽车的类型与规模目前，国内外的相关研究主要通过2种方法来分析未来电动汽车规模：1）通过模型(包括Tremove模型[21]和Bass[22]模型)等预测。其中，Tremove是一个政策评估模型，用于研究不同交通和环境方面政策对交通所产生排放的影响，而Bass扩散模型的主要功能是对新开发的消费者耐用品的市场购买数量进行描述和预测。2）分情景考虑电动汽车规模，一般设定不同的电动汽车穿透水平[23]。电动汽车的发展有赖