电动汽车入网技术（V2G）在智能电网中的应用

按照国家新能源汽车产业发展规划, 2010～2015年是电动汽车产业化和大规模推广应用的关键5年。相关研究表明, 2016年是电动汽车产业化发展的拐点,电动汽车发展进入高速成长期,预计到2020年,上海市电动汽车市场规模预计可达约35万辆(按市场渗透率15%计算) 。大量的车辆充电将带来新一轮的负荷快速增长,以每辆车配置12 kW·h电池计算,这些电动汽车日充电所用电量约为336万kW·h (按0. 8同时率计算) ,这对用电负荷峰谷差日益加大的电力系统而言,增加了巨大的发、输、配电压力。

智能电网的核心价值是提高能效,利用各种高科技手段提升发、输、配、用电各环节的运行管理水平,节约资源,保护环境;智能电网更加适应多种能量单元发电、配电、用电方式的需要,更加适应市场化的电力交易的需要,更加适应客户的自主选择需要。

电动汽车入网(Vehicle to Grid,简称V2G)技术就是电动车辆的能量在受控状态下实现与电网之间的双向互动和交换,是“智能电网技术”的重要组成部分,应用V2G和智能电网技术,电动汽车电池的充放电被统一部署,根据既定的充放电策略,在满足电动汽车用户行驶需求的前提下,将剩余电能双向可控回馈到电网。

1 　V2G系统信息流程

V2G体现的是能量双向、实时、可控、在车辆和电网之间流动,充放电控制装置既有与电网的交互,又有与车辆的交互,交互的内容包括能量转换信息、客户需求信息、电网状态、车辆信息、计量计费信息等。因此,V2G是电力电子、通信、调度和计量、需求侧管理等众多技术的高端综合应用,图1所示为V2G系统信息图。

SM:智能电表,双向计量、本地信息存储,以RS485与EV2PCS通信,通过EV2PCS向UT传送电量信息;

EV2PCS:双向智能充放电装置,由低压控制器和本地管理机组成,用于实现车辆和电网之间的双向能量交互,是V2G系统的关键装置;

UT:人机交互终端,是电动汽车用户与电网交流的界面,用户从中获取用电量和电费信息;

BMS:电池管理系统,用于车辆电池数据的采集与传输,电池运行状态的监控,以CAN总线与EV2PCS通信,通过EV2PCS向后台传输车辆信息;

EMS:后台管理系统,对上与电网调度系统通讯,获取电网负荷信息并执行电网调度指令,对下与EV2PCS通信,获取车辆状态信息,分配并下发电网调度指令。

2 　V2G系统各部件

2. 1　双向智能充放电装置

双向智能控制装置作为V2G技术中的关键功率部件,用于实现电网与电动汽车间的能量双向流动,可工作在充电模式和V2G模式:如果选择充电工作模式,即只是对车辆进行充电操作,不将车辆电池能量回馈至电网;如果选择V2G工作模式,装置根据用户在人机交互终端上选择的车辆SOC上下限门限值,或装置默认的SOC上下限门限值,将连接车辆可充放电的实时容量、受控时间等信息提供给后台管理系统,后台管理系统下发充放电控制指令,装置根据车辆电池当前SOC进行充、放电操作,实现能量的双向流动。图2所示为双向智能控制装置主回路拓扑。

其拓扑特点如下:

(1) 采用三相全桥双向PWM变换,能对电池进行充放电;

(2) 电网交流与电动汽车电池侧采用隔离变压器进行电气隔离

(3) 同时隔离变压器可进行交直流之间的电压匹配;

(4) 交流侧和直流侧配置过载过流断路器;

(5) 交流直流侧均配置有预充电回路,启动方式灵活;

(6) 采用一级变换器,拓扑简单,可靠性高。

2. 2　人机交互终端

人机交互终端系统结构如图3所示,主要由嵌入式控制器、触摸显示屏、射频卡读卡器、CAN通信卡、远程监控通信扩展卡、微型打印机等部分组成。主要功能有:界面显示、身份识别、EV2PCS控制模式、票据打印、数据管理和查询、个性化参数设置、语言切换、以及用户操作帮助和异常信息提示等。

2. 3　后台管理系统

后台管理系统包括充放电策略控制子系统和能量管理子系统;充放电策略控制子系统主要功能是根据能量管理系统提供的可充放电总容量、电价以及当前电网的实时负荷信息,采用适当的充放电策略算法,计算出电网实际允许的充电或放电容量,从而动态地实现车辆车载电池组与电网的双向能量交换;能量管理子系统主要功能是实时监测车载电池组工作状况、提供充放电策略基础数据、为每台EV2PCS提供充电或放电容量二次分配指令。

2. 4　车辆电池管理系统

电池管理系统(BMS)是对车辆电池性能和状态了解最为全面的设备,将BMS和EV2PCS之间建立联系,使充电装置实时了解电池信息,改变自己的执行策略和输入输出电流,以保障车辆运行、电池安全和延长使用寿命。BMS主要功能包括:实现电池运行状态的实时监控;电压、电流、温度、SOC等数据采集、显示、传输;电池故障诊断、告警和安全保护;故障自检和诊断;充放电均衡;与车辆控制系统和智能充放电充电装置双向通讯等。

2. 5　智能电表

智能电表作为作为V2G应用的重要技术组件,工作原理如图4 所示,主要功能包括双向计量、双向通信、事件记录(记录电表断相、失压、过压、失流、电流不平衡、超功率、超需量、过压、开盖、逆相序等事件,记录时钟对时、记录数据清零、参数设置、电表上下电等事件)等。

3 　V2G充放电流程

V2G充放电流程分别见图5、图6。

用户首先插入IC卡, UT终端通过射频卡读卡器读取用户信息,在人机操作界面上显示卡上剩余电量和上次消费记录情况,待用户设置工作模式及其相关信息后,提示用户正确连接充电插头,并确认启动充电模式或V2G模式。

工作模式确定好后,UT将与EV2PCS确认充放电接口是否正确连接,确认后发送控制信号给EV2PCS,启动充电装置EV2PCS的工作为待机状态,等待后台控制指令。

EV2PCS按用户选择的运行模式执行后台充放电指令,在运行过程中,UT定时获取电表数据、电池组数据并进行计费以及保存数据。当达到用户设置的参数或用户自行终止时,发送停止指令给EV2PCS,控制EV2PCS断电,在人机操作界面上提示用户充放电完毕,用户拔下插头后,可以进行打印票据操作。

4 　V2G应用场景及充放电控制策略

4. 1　V2G应用场景

未来电力发展模式是向分布式发电、交互式供电的分散智能电网过渡,更加强调对环境的保护和可再生能源发电的应用,这要求建设更多更高效的分布式储能设施。储能技术是实现智能电网的关键技术之一, 2009年1月美国能源部电力咨询委员会咨询报告中,将储能作为智能电网容量管理的战略工具,由此可见储能技术的重要意义。电动车辆作为既有的分布式移动储能单元,通过智能电网技术,对车辆充放电进行长期、成功管理,V2G技术将在智能电网中得到广泛应用。研究表明,“与智能车辆和智能电网同步进展,插电式混合电动汽车( PHEV)和电动汽车( EV)将在20年之内成为配电系统本身不可分割的一部分,提供储能,紧急供电和电网的稳定性。”设想的V2G可能的应用模式和应用场景有:

(1) 居民小区(V2H,Vehicle to Home) ;

(2) 办公楼宇(V2B,Vehicle to Bulding) ;

(3) 大型专用停车场;

(4) 超市、大卖场或购物中心;

(5) 政府、学校办公楼;

(6) 利用清洁能源对车辆充电等。

4. 2　V2G充放电控制策略

电动汽车作为移动储能接入电网,实现与电网能量双向互动的前提是保障用户使用的便利性不受影响。当前纯电动小型乘用车的最大续驶里程一般都小于200 km,电池实际使用寿命小于1000次循环,远远低于传统燃油车,因此采取适当的控制策略至关重要。

策略的考虑涉及电网侧、车辆侧、用户侧,电网侧需考虑电网实时负荷、电价、调度中心指令;车辆侧需要考虑电池能量状态、输入输出功率、可用时间等;用户侧主要是考虑用户的行驶习惯、行使里程及特殊需求等。以充放电容量、电网负荷、电价等为基础数据,使用适当的充放电策略控制算法,得到辖区内电网所需要的能量信息和车辆电池可提供的能量信息,进行策略分配和发出调度指令。

5 　结语

电动汽车是汽车产业的最终发展方向,智能电网是经济和技术发展的必然趋势,将电动汽车和智能电网结合的V2G,既解决了电动汽车大规模发展带来的充电压力问题,又可将电动汽车作为移动的、分布式储能单元接入电网,用于削峰填谷、应急安保,旋转备用等,在提高电网供电灵活性、可靠性和能源利用效率的同时,延缓电网建设投资。上海市电力公司技术与发展中心是国内最早开展V2G技术研究的机构,收集掌握了大量V2G相关技术研究和进展动态,与国内外科研机构、企业建立了广泛合作关系,着手开展了V2G应用试点和示范。目前V2G的研究及应用尚处于起步阶段,其发展与电动汽车、储能、分布式电源等相关技术发展密切相关。