鉅大LARGE | 點擊量：1886次 | 2019年05月16日
電動汽車有序充電技術及應用試點
4月24-26日，由中國化學與物理電源行業(yè)協會儲能應用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日下午的“電動汽車與電網互聯”專場，南瑞集團（國網電力科學研究院）國電南瑞用電分公司高級工程師張建偉在會上分享了主題報告《電動汽車有序充電技術及應用試點》，以下為演講實錄：
張建偉：各位專家各位同仁下午好！今天講的主要內容是基于國家電網公司開展的智慧能源控制系統建設的重要業(yè)務場景應用——有序充電的相關研究和試點內容。
國家十三五規(guī)劃把電動汽車產業(yè)作為新興戰(zhàn)略產業(yè)。我們看一下這兩張圖，我就不詳細展開說了，前面幾位專家也是列出了很多相關數據，無論從電動汽車的年銷量，還有整體保有量，中國均居于世界第一。下邊這張圖是充電樁的一個數據統計，給出的是2017年底的統計數據，有點久遠了。根據中國充電基礎設施促進聯盟發(fā)布的最新數據（聯盟會員內的數據），截止2019年3月應該是92.1萬個，如果考慮聯盟外及未統計數據，個人估計國內已經超過100萬個了。
數據固然可喜的，但是如此大量的電動汽車接入電網，會造成一個什么影響呢？前面各位專家也講過了，如果所有燃油車換成電動汽車，它的整個充電功率是非常大的。如果接入電網，可能會造成峰谷差進一步拉大。另外，還會造成局部電網的容量不足，導致局部電網電壓跌落、頻率下降及保護動作等問題。除此之外，隨著分布式發(fā)電、分布式儲能以及電動汽車的發(fā)展，電動汽車具有天然的移動式儲能功能，它的整個儲能容量也是非常巨大的。這些電力用戶從傳統的被動參與者正在向主動的參與者轉變，電網該如何滿足他們日益增長的對電網的需求呢？這個也是需要我們去考慮研究的。
前邊介紹了市場背景，下邊舉個典型城市典型小區(qū)的一個用電負荷的例子。通過右邊這個表可以看到，如果把小區(qū)內的現有燃油車換成電動汽車，當同時充電系數達到20%，小區(qū)電動汽車的充電負荷將會成為整個小區(qū)用電規(guī)劃負荷的主要的負荷。如果我們再考慮到電動汽車充電的規(guī)律性，情況會更加糟糕。我們看一下這個圖，小區(qū)一般下午3點半到6點是停車的高峰，整個充電時間就在晚上的6點以后，這個時間也是小區(qū)的負荷用電高峰，造成整個用電負荷峰上加峰的情況。右側這個圖是停車時長的圖，一般小區(qū)夜間停車會超過8個小時。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
南瑞公司在有序充電方面做了大量的前期調研工作，這個是有序充電場景研究的一個調研情況表，按照充電設備類型來進行分類的。按照目前的充電設備可以劃分為：高速路快速充電站、城市快速充電站、城市專用充電站和分散式充電樁。高速公路還有城市的快充站，主要目的是快速補充電能，時間越短越好，對于有序充電的引導性比較弱，沒有時間進行引導。對于集中式的專用充電站，例如公交充電站，公交公司對充電價格還是比較敏感的，他們一般的充電規(guī)律是在夜間進行主要充電，白天利用停靠站進行快速的電能補充，所以它的引導性相較前兩者要強。最后，分散充電樁主要指的是在小區(qū)或者是單位/公司停車場部署的交流充電樁，一般車輛停車時間比較長，對用車迫切度也不是很高，有序可引導性也是最強的，這也是我們研究的主要場景。
前面也提到，國家電網公司2018年開展了智慧能源控制系統的建設和試點應用，目前主要以有序充電業(yè)務為場景展開試點，并進一步擴大試點推廣。對于智慧能源控制系統，它的作用是做什么的呢？智慧能源控制系統的定位是連接發(fā)電用戶跟用電用戶以及用戶和電網，通過市場化的手段，對發(fā)電和用電進行有序引導和調控，滿足電網日益增長的清潔能源消納，調頻備用等服務。它的總體目標是以新一代的電力系統為基礎，打造一個廣泛互聯，用戶靈活參與的智慧能源服務體系，實現電動汽車、分布式儲能、分布式電源和微電網等新型用能設備的接入及互通。右邊圖可以很形象的展示了整個系統，左側是發(fā)電側，右邊是用電側，當中三個重要業(yè)務有序充電、儲能云網和綠色能源交易。
有序充電作為系統建設的重要業(yè)務應用場景，它的目標是實現80%的用戶在家充電，80%的用戶在低谷充電，在高峰放電。這樣用戶就可以充到相對比較便宜的電和清潔的電。同時，電網公司可以實現清潔能源的消納，可以說是實現了多方的互贏。有序充電的建設原則我就不多講了。這張圖是有序充電的整個系統架構，采用線上線下相結合的架構，然后建立了云-管-端的系統。云就是智慧控制平臺，管就是通訊網絡，能源控制器作為邊設備，是臺區(qū)管理中樞。端設備包括充電樁和能源路由器，能源路由器具有采集和有序控制功能，作為用戶側智能設備有序接入的入口。通過這個圖可以看的更加清楚，它包括了智慧能源控制平臺、能源控制器和能源路由器。能源控制器采集臺區(qū)運行信息，以及臺區(qū)下充電設備的狀態(tài)信息。能源控制器一般安裝在配電房或者箱變內，與平臺的遠端通信采用4G/5G的通信方式。能源路由器安裝在充電樁內，充電樁一般布置在停車位附近，距離箱變較遠，為了避免現場施工布線的麻煩，通信方案采用寬帶載波/無線雙模的方式。
接下來，我們講下系統的關鍵終端設備。這個圖是南瑞公司開發(fā)的能源控制器的實物圖，它作為臺區(qū)的管理設備，開展臺區(qū)負荷自治，是臺區(qū)負荷管理的中樞。另外，能源控制器內部含有本地控制策略，在離線情況下可以實現臺區(qū)有序控制。這張是能源路由器，它的定位是新一代的智能終端。前邊有專家提到，儲能設備如何接入到系統里面，實現實時有序的調節(jié)。能源路由器就是作為儲能、充電樁、光伏等設備有序控制的接入終端，將它們接入到系統上實現調節(jié)、互動和控制。能源路由器按照計量模式分為三類：Ⅰ型單相單計量能源路由器、Ⅱ型單相雙計量能源路由器和Ⅲ型三相能源路由器。可分別應用到一樁一槍充電樁、一樁雙槍充電樁和三相設備。如果按照業(yè)務功能分，能源路由器除了計量功能，可以包含有序充電控制，儲能控制和綠色能源交易功能。這張圖是有序充電試點應用的充電樁，路由器是安裝在樁內的。充電樁的有序控制主要是通過兩點：一個就是PWM的功率調節(jié)，還有一個是復電續(xù)充。這需要充電樁和車輛都要滿足相應的國家、行業(yè)標準，要求車輛充電功率能夠實時跟隨PWM占空比的變化。另外，最后這張是有序控制平臺，大家可以看一下。
有序充電是在一定的控制策略下進行的充電，下面講一下控制策略。控制策略主要按照幾個原則來進行設計的，這上邊都列出來了。比如公平原則，正常充是先到先充，有序充是對臺區(qū)容量的一個共享。再如優(yōu)化原則，是把車輛的充電挪到低谷時段進行充電，這樣用戶可以充到低成本的電，還可以充到綠色的電。為什么列出保底原則？電動車輛在充電過程中停止充電，如果想再次啟動充電，需要人到現場拔掉充電槍，然后再次連接充電槍，啟動充電，才可以再次充電。通過復電續(xù)充功能，可以實現大部分車輛的斷電再次充電。但是部分車輛在斷電后會進入休眠，無法再次啟動，所以不能采用復電續(xù)充進行充電調節(jié)，智能通過PWM調節(jié)，將充電功率降到最低進行保底充電。
正常充電跟有序充電的區(qū)別，正常充電用戶對充電價格并不敏感，對時間要求是比較高的；有序充電是用戶有充裕的充電時間，對充電價格有一定的要求，對100%充滿并不是特別關注。這張圖是策略執(zhí)行的執(zhí)行架構，平臺控制策略負責負荷曲線的預測，宏觀的調控；能源控制器負責本地的控制策略，實現臺區(qū)下的負荷微觀調控、精準調控和實時調控。能源路由器和充電樁是作為執(zhí)行端來執(zhí)行上端下發(fā)的控制策略。安全方面和經濟方面是控制策略主要因素，安全方面有臺區(qū)的越限、三相不平衡等因素；經濟方面有峰谷電價、新能源消納等因素。
國網公司2018年在幾個省市公司開展了有序充電試點工作，這個表格詳細列舉了江蘇、上海、北京、河南四個試點小區(qū)的試點情況，我們可以看到在每個臺區(qū)下面布置的終端設備數量和種類。這個是鄭州世紀家園小區(qū)的試點現場圖片。這個是上海的試點現場，一部分安裝的新型有充電樁，對于存量樁，我們通過在樁的附近安裝能源路由器控制箱，通過能源路由器接入到有序控制系統。現場完成了對蔚、萬幫等存量充電樁的接入。
我們在試點現場也開展了有序充電的效果驗證的相關工作，從上邊這個圖可以看出來，綠色的這個曲線就是居民的用電負荷曲線，沒有充電的情況下峰值是比較低。峰值最高的紅色曲線是所有車輛進行無序充電的情況，我們可以看到充電負荷曲線跟居民的這個負荷曲線峰峰添加會造成峰值很高。藍色的曲線是所有車輛采用有序充電，這個峰值就會削掉很多，相對于無序充電的紅色曲線來說，實現了削峰填谷作用。另外，它還提高了配電資產的利用率。
針對前期的研究和試點情況，下一步還有很多工作要展開。2019年國網公司會擴大有序充電的試點應用，同步也要完善相應的標準體系，包括設備層面、通信層面、系統以及現場建設方面的標準。
