[科普中国]-电动汽车V2G技术

V2G的概念

现在的电网实际上效率并不是非常高，因为一是成木较高，再就是容易造成浪费。其中一部分问题是由每大发生的负荷需求波动和需要对电网进行电压及频率调节引起的。当电网需求超过基木负荷发电厂的容量时，由于电网木身并没有足够的电能存储，调峰电厂就会投入运行，有时候旋转备用也会参与其中。而当电网需求较低时，用电量会低于基木负荷发电厂的输出，这样那些未被使用的能量均会被浪费掉。此外，对电网进行的电压和频率调节在很大程度上增加了电网的运营成木。

目前，可再生能源系统(如太阳能，风能等)正被大量接入电力系统中。由于可再生能源自然的不连续性会引起发电的波动，迫切需要其他能源(如电池能量存储系统)进行补偿，以平滑可再生能源的自然可变性，保证电网频率的稳定并抑制由反向功率流引起的电压上升。

V2G的概念就是针对上述问题提出的，其核心思想就是利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲。当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电;而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量，避免造成浪费。通过这种方式，电动汽车用户可以在电价低时，从电网买电，电网电价高时向电网售电，从而获得一定的收益。

现在，插电式混合动力汽车(PHEV)和纯电动汽车(EV)正慢/LR进入市场。由于这些汽车上均装有较大容量的电池，可以考虑让它们在停车时为电网提供能量缓冲，因为大多数汽车每大有大约22小时是处于停止状态的，在这段时间内它们代表了一种闲置资产。而当这些汽车的数量足够大时，其电池的总容量是相当巨大的，因而可以将其作为电网以及可再生能源系统的缓冲。

但是，电动汽车并不能随意地、毫无管理地接入到电网中，这是因为如果电网正处于峰值负荷需求，大量汽车的充电要求必然会对电网产生极其严重的影响;对于汽车而言，除了为电网提供辅助服务外，还必须能够满足日常的行驶需求。因此在向电网馈电的过程中，还必须兼顾汽车自身的能量存储状态，以避免影响汽车的正常使用。综合上述两个方而，非常有必要对电动汽车V2G进行研究，协调汽车与电网间的充电和放电，使得既不会影响电网的运行，也不会限制汽车的正常使用。

V2G的可行性研究早在20世纪90年代，人们便注意到电动汽车不同于电网中的其他电负荷，它们具有高度的移动性和不可预测性，因而电动汽车的大量接入会对电网产生影响。但由于当时的技术条件所限以及电动汽车数量较少，研究还只处于初始阶段，且没有提出可行的解决方案。

V2G的概念是由Amory Lovins在1995年提出的，特拉华大学William Kempton教授对其进一步发展。近年来由于PHEV和EV的广泛使用以及电池技术的进步，V2G越来越受到人们关注。但是，电动汽车作为日常负载可能会增加电网负担，并需要增加基础设施投资。所以针对此问题，开始涌现出大量文献对V2G的可行性进行评估2。

2005年，美国特拉华大学(University ofDelaware)的Willett Kempton研究了V2G的基础问题:容量计算和净收益。研究表明，V2G的工程原理和经济利益是引人注目的。同年，他还研究了V2G的实现问题:稳定电网和支持大规模可再生能源。

2009年，德国的Dirk Uwe SAUER等人发表文章展示了德国电力工程协会的研究成果[Ul。文章重点关注的是V2G在移动存储中的可能影响。结果表明，由电动汽车与控制系统相结合形成的移动存储系统能够部分替代静止存储系统，负荷周期可在一秒到一大的范围内。

对于V2G的研究除了理论分析之外，还出现了很多实际系统的设计与尝试，其中比较著名的是特拉华大学等联合机构利用单台汽车进行V2G运行的试验。

通过对V2G的评估可以看出，利用电动汽车电池作为电网储能源是可行的，不论是从工程上还是从经济上，V2G的效益都是引人注目的。从直接效益来看，通过V2G可以:①利用电动车电池作为电网的缓冲，为电网提供辅助服务，如调峰、无功补偿等;②能为车主提供额外的收入，抵消购买电动汽车的部分花费，有利于清洁汽车的普及;③可以增加电网稳定性和可靠性，降低电力系统运营成木。此外，从长远来看，V2G能减少对新发电基础设施的投资;还可以产生能量存储缓冲，从而为可再生能源提供支持;由于电动汽车的大量使用可以减少温室气体的排放。

总而言之，将电动汽车与电网智能地结合起来，利用电动车的储能系统为电网服务(即V2G)是可行的。当然，必须对电动汽车的充放电过程进行合理的、智能化的管理，才能使其为电网更好地服务。

V2G的实现方法通过评估，知道利用电动汽车的电池实现v2G是可行的。那么，要实现v2G需要采用什么样的方法呢?

现在的电动汽车具有多样性的特点，种类繁多、用途各异，电动车不同所采用的供电方式也不相同，这就决定了v2G具有不同的实现方法。根据应用对象的不同，可以将v2G实现方法分成四类3。

集中式的V2G实现方法所谓集中式的V2G是指将某一区域内的电动汽车聚集在一起，按照电网的需求对此区域内电动汽车的能量进行统一的调度，并由特定的管理策略来控制每台汽车的充放电过程，例如，修建供V2G使用的停车场。从文献来看，按此种方式进行研究的较多。

对于集中式的V2G，可以将智能充电器建在地而上，这样能够节约电动汽车的成木。同时，由于此种方式采用统一的调度和集中的管理，可以实现整体上的最优，例如通过先进的算法可以计算每台汽车的最优充电策略，保证成木最低及电力最优利用。

自治式的V2G实现方法自治式V2G的电动车经常散落在各处，无法进行集中的管理，因而一般采用车载式的智能充电器，它们可以根据电网发布的有、无功需求和价格信息，或者根据电网输出接口的电气特征(如电压波动等)，结合汽车自身的状态(如电池SOC)自动地实现V2G运行。日木东京大学的Yutaka Ota等人就是采用这种方法，他们提出一种自主分布V2G方法，实现了能量的智能存储。

自治式V2G一般采用车载的智能充电器，充电方便，易于使用，不受地点和空间的限制，自动地实现V2Go但是，每一台电动车都作为一个独立的结点分散在各处。由于不受统一的管理，每台电动车的充放电具有很大的随机性，是否能保证整体上的最优还需进一步研究，此外，车载充电器还会增加电动汽车的成木。

基于微网的V2G实现方法按照美国电气可靠性技术解决方案联合会 CCERTS)的定义，微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量;微网内部电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制;微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。

基于微网的V2G实现方法，实际上是将电动汽车的储能设备集成到微网中，它与前边两种实现方法的区别在于，这种V2G方法作用的直接对象不是

大电网，而是微网。它直接为微网服务，为微网内的分布电源提供支持，并为相关负载供电。

新西兰奥克兰大学的Udaya K. Madawala等人将电动汽车集成到家庭住宅供电网络中，该网络包括风能、太阳能等分布式发电，并与外部大电网相联接。它能利用电动汽车支持可再生能源并向家庭和商业用户供电。

基于更换电池组的V2G实现方法此外，还有一种基于更换电池组的V2G实现方法，其源于更换电池组的电动汽车供电模式，如图3所示。它需要建立专门的电池更换站，在更换站中存有大量的储能电池，因而也可以考虑将这些电池连到电网上，利用电池组实现V2G。 这种方法的原理类似于集中式V2G}但是管理策略上会有所不同，因为电池最终是要用来更换的，所以必须确保一定比例的电池电量是满的。它融合了常规充电与快速充电的优点，在某种意义上极大弥补了续驶里程不足的缺陷，但是它迫切需要统一电池及充电接口等部件的标准。

从电网角度对V2G进行智能调度研究表明，采用V2G的供电策略，可以使电网的发电量需求增加最少，并使基础设施投资最少。那么，从电网的角度，又该如何对电动汽车的储能源进行规划与调度呢，这是一个亚待解决的问题。

这个问题的实质是如何对各个V2G单元以及电网其他发电单元进行调度的问题。电网各个发电单元的作用不相同:容量较大的发电单元价格便宜，但是响应速度慢，适用于提供基木负荷;容量较小的单元价格昂贵，但响应速度快，一般用于峰值负荷。因而规划的作用就是利用V2G尽可能减少电网对昂贵发电单元的依赖，并减少无功补偿装置的使用。这就需要电网根据自身的负荷状况、可再生能源的发电状况以及V2G单元可用容量等信息，事先计算出对各V2G单元的有功和无功需求，并给出合理的电价。

对此问题的处理可以分为两种方式，第一种是由电网直接对接入的每台电动车连同其他发电单元进行统一调度，采用智能的算法来控制每台汽车的V2G运行。美国密苏里理工大学的Ahmed YousufSaber等人就是采用这种方式。但是，这种方式会使问题变得异常复杂。此外，这种方式是从电网的角度来考虑的，并没有从用户的角度进行分析。

V2G双向充电器要使电动汽车实现V2G，需要在电网和汽车间配备双向的智能充电器。此双向充电器必须具有为电动汽车电池充电的功能，同时产生最小的电流谐波，也应具有根据调节向电网回馈能量的能力4。

一般来讲，双向充电器由滤波器、双向DC-DC变换器以及双向AC-DC变换器组成。当充电器工作于电池充电模式时，交流电首先通过滤波器滤除不期望的频率分量，然后通过双向AC-DC变换器将交流整流成直流。由于双向AC-DC变换器的输出电压可能与直流储能单元的电压不匹配，还需要一个双向DC-DC变换器来保证合适的充电电压。当变换器工作于电池放电模式时，其过程则恰好相反。

V2G运行对电池的影响如前所述，电动汽车的拥有者可以通过V2G向电网回馈能量，从而产生一定的收益。但是，实际上这些收益的一部分是以V2G设备的损耗为代价的，特别是车载电池的损耗。现有电池的寿命是一定的，不断对电池进行充电和放电必然会使其可用次数减少，容量降低。所以需要研究V2G运行对电池寿命的影响5。