按照國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃, 2010～2015年是電動汽車產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應用的關鍵5年。相關研究表明, 2016年是電動汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的拐點,電動汽車發(fā)展進入高速成長期,預計到2020年,上海市電動汽車市場規(guī)模預計可達約35萬輛(按市場滲透率15%計算) 。大量的車輛充電將帶來新一輪的負荷快速增長,以每輛車配置12 kW·h電池計算,這些電動汽車日充電所用電量約為336萬kW·h (按0. 8同時率計算) ,這對用電負荷峰谷差日益加大的電力系統(tǒng)而言,增加了巨大的發(fā)、輸、配電壓力。
智能電網(wǎng)的核心價值是提高能效,利用各種高科技手段提升發(fā)、輸、配、用電各環(huán)節(jié)的運行管理水平,節(jié)約資源,保護環(huán)境;智能電網(wǎng)更加適應多種能量單元發(fā)電、配電、用電方式的需要,更加適應市場化的電力交易的需要,更加適應客戶的自主選擇需要。
電動汽車入網(wǎng)(Vehicle to Grid,簡稱V2G)技術就是電動車輛的能量在受控狀態(tài)下實現(xiàn)與電網(wǎng)之間的雙向互動和交換,是“智能電網(wǎng)技術”的重要組成部分,應用V2G和智能電網(wǎng)技術,電動汽車電池的充放電被統(tǒng)一部署,根據(jù)既定的充放電策略,在滿足電動汽車用戶行駛需求的前提下,將剩余電能雙向可控回饋到電網(wǎng)。
1 V2G系統(tǒng)信息流程
V2G體現(xiàn)的是能量雙向、實時、可控、在車輛和電網(wǎng)之間流動,充放電控制裝置既有與電網(wǎng)的交互,又有與車輛的交互,交互的內容包括能量轉換信息、客戶需求信息、電網(wǎng)狀態(tài)、車輛信息、計量計費信息等。因此,V2G是電力電子、通信、調度和計量、需求側管理等眾多技術的高端綜合應用,圖1所示為V2G系統(tǒng)信息圖。
SM:智能電表,雙向計量、本地信息存儲,以RS485與EV2PCS通信,通過EV2PCS向UT傳送電量信息;
EV2PCS:雙向智能充放電裝置,由低壓控制器和本地管理機組成,用于實現(xiàn)車輛和電網(wǎng)之間的雙向能量交互,是V2G系統(tǒng)的關鍵裝置;
UT:人機交互終端,是電動汽車用戶與電網(wǎng)交流的界面,用戶從中獲取用電量和電費信息;
BMS:電池管理系統(tǒng),用于車輛電池數(shù)據(jù)的采集與傳輸,電池運行狀態(tài)的監(jiān)控,以CAN總線與EV2PCS通信,通過EV2PCS向后臺傳輸車輛信息;
EMS:后臺管理系統(tǒng),對上與電網(wǎng)調度系統(tǒng)通訊,獲取電網(wǎng)負荷信息并執(zhí)行電網(wǎng)調度指令,對下與EV2PCS通信,獲取車輛狀態(tài)信息,分配并下發(fā)電網(wǎng)調度指令。
2 V2G系統(tǒng)各部件
2. 1 雙向智能充放電裝置
雙向智能控制裝置作為V2G技術中的關鍵功率部件,用于實現(xiàn)電網(wǎng)與電動汽車間的能量雙向流動,可工作在充電模式和V2G模式:如果選擇充電工作模式,即只是對車輛進行充電操作,不將車輛電池能量回饋至電網(wǎng);如果選擇V2G工作模式,裝置根據(jù)用戶在人機交互終端上選擇的車輛SOC上下限門限值,或裝置默認的SOC上下限門限值,將連接車輛可充放電的實時容量、受控時間等信息提供給后臺管理系統(tǒng),后臺管理系統(tǒng)下發(fā)充放電控制指令,裝置根據(jù)車輛電池當前SOC進行充、放電操作,實現(xiàn)能量的雙向流動。圖2所示為雙向智能控制裝置主回路拓撲。
其拓撲特點如下:
(1) 采用三相全橋雙向PWM變換,能對電池進行充放電;
(2) 電網(wǎng)交流與電動汽車電池側采用隔離變壓器進行電氣隔離
(3) 同時隔離變壓器可進行交直流之間的電壓匹配;
(4) 交流側和直流側配置過載過流斷路器;
(5) 交流直流側均配置有預充電回路,啟動方式靈活;
(6) 采用一級變換器,拓撲簡單,可靠性高。
2. 2 人機交互終端
人機交互終端系統(tǒng)結構如圖3所示,主要由嵌入式控制器、觸摸顯示屏、射頻卡讀卡器、CAN通信卡、遠程監(jiān)控通信擴展卡、微型打印機等部分組成。主要功能有:界面顯示、身份識別、EV2PCS控制模式、票據(jù)打印、數(shù)據(jù)管理和查詢、個性化參數(shù)設置、語言切換、以及用戶操作幫助和異常信息提示等。
2. 3 后臺管理系統(tǒng)
后臺管理系統(tǒng)包括充放電策略控制子系統(tǒng)和能量管理子系統(tǒng);充放電策略控制子系統(tǒng)主要功能是根據(jù)能量管理系統(tǒng)提供的可充放電總容量、電價以及當前電網(wǎng)的實時負荷信息,采用適當?shù)某浞烹姴呗运惴?計算出電網(wǎng)實際允許的充電或放電容量,從而動態(tài)地實現(xiàn)車輛車載電池組與電網(wǎng)的雙向能量交換;能量管理子系統(tǒng)主要功能是實時監(jiān)測車載電池組工作狀況、提供充放電策略基礎數(shù)據(jù)、為每臺EV2PCS提供充電或放電容量二次分配指令。
2. 4 車輛電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)(BMS)是對車輛電池性能和狀態(tài)了解最為全面的設備,將BMS和EV2PCS之間建立聯(lián)系,使充電裝置實時了解電池信息,改變自己的執(zhí)行策略和輸入輸出電流,以保障車輛運行、電池安全和延長使用壽命。BMS主要功能包括:實現(xiàn)電池運行狀態(tài)的實時監(jiān)控;電壓、電流、溫度、SOC等數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸;電池故障診斷、告警和安全保護;故障自檢和診斷;充放電均衡;與車輛控制系統(tǒng)和智能充放電充電裝置雙向通訊等。
2. 5 智能電表
智能電表作為作為V2G應用的重要技術組件,工作原理如圖4 所示,主要功能包括雙向計量、雙向通信、事件記錄(記錄電表斷相、失壓、過壓、失流、電流不平衡、超功率、超需量、過壓、開蓋、逆相序等事件,記錄時鐘對時、記錄數(shù)據(jù)清零、參數(shù)設置、電表上下電等事件)等。
3 V2G充放電流程
V2G充放電流程分別見圖5、圖6。
用戶首先插入IC卡, UT終端通過射頻卡讀卡器讀取用戶信息,在人機操作界面上顯示卡上剩余電量和上次消費記錄情況,待用戶設置工作模式及其相關信息后,提示用戶正確連接充電插頭,并確認啟動充電模式或V2G模式。
工作模式確定好后,UT將與EV2PCS確認充放電接口是否正確連接,確認后發(fā)送控制信號給EV2PCS,啟動充電裝置EV2PCS的工作為待機狀態(tài),等待后臺控制指令。
EV2PCS按用戶選擇的運行模式執(zhí)行后臺充放電指令,在運行過程中,UT定時獲取電表數(shù)據(jù)、電池組數(shù)據(jù)并進行計費以及保存數(shù)據(jù)。當達到用戶設置的參數(shù)或用戶自行終止時,發(fā)送停止指令給EV2PCS,控制EV2PCS斷電,在人機操作界面上提示用戶充放電完畢,用戶拔下插頭后,可以進行打印票據(jù)操作。
4 V2G應用場景及充放電控制策略
4. 1 V2G應用場景
未來電力發(fā)展模式是向分布式發(fā)電、交互式供電的分散智能電網(wǎng)過渡,更加強調對環(huán)境的保護和可再生能源發(fā)電的應用,這要求建設更多更高效的分布式儲能設施。儲能技術是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的關鍵技術之一, 2009年1月美國能源部電力咨詢委員會咨詢報告中,將儲能作為智能電網(wǎng)容量管理的戰(zhàn)略工具,由此可見儲能技術的重要意義。電動車輛作為既有的分布式移動儲能單元,通過智能電網(wǎng)技術,對車輛充放電進行長期、成功管理,V2G技術將在智能電網(wǎng)中得到廣泛應用。研究表明,“與智能車輛和智能電網(wǎng)同步進展,插電式混合電動汽車( PHEV)和電動汽車( EV)將在20年之內成為配電系統(tǒng)本身不可分割的一部分,提供儲能,緊急供電和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。”設想的V2G可能的應用模式和應用場景有:
(1) 居民小區(qū)(V2H,Vehicle to Home) ;
(2) 辦公樓宇(V2B,Vehicle to Bulding) ;
(3) 大型專用停車場;
(4) 超市、大賣場或購物中心;
(5) 政府、學校辦公樓;
(6) 利用清潔能源對車輛充電等。
4. 2 V2G充放電控制策略
電動汽車作為移動儲能接入電網(wǎng),實現(xiàn)與電網(wǎng)能量雙向互動的前提是保障用戶使用的便利性不受影響。當前純電動小型乘用車的最大續(xù)駛里程一般都小于200 km,電池實際使用壽命小于1000次循環(huán),遠遠低于傳統(tǒng)燃油車,因此采取適當?shù)目刂撇呗灾陵P重要。
策略的考慮涉及電網(wǎng)側、車輛側、用戶側,電網(wǎng)側需考慮電網(wǎng)實時負荷、電價、調度中心指令;車輛側需要考慮電池能量狀態(tài)、輸入輸出功率、可用時間等;用戶側主要是考慮用戶的行駛習慣、行使里程及特殊需求等。以充放電容量、電網(wǎng)負荷、電價等為基礎數(shù)據(jù),使用適當?shù)某浞烹姴呗钥刂扑惴?得到轄區(qū)內電網(wǎng)所需要的能量信息和車輛電池可提供的能量信息,進行策略分配和發(fā)出調度指令。
5 結語
電動汽車是汽車產(chǎn)業(yè)的最終發(fā)展方向,智能電網(wǎng)是經(jīng)濟和技術發(fā)展的必然趨勢,將電動汽車和智能電網(wǎng)結合的V2G,既解決了電動汽車大規(guī)模發(fā)展帶來的充電壓力問題,又可將電動汽車作為移動的、分布式儲能單元接入電網(wǎng),用于削峰填谷、應急安保,旋轉備用等,在提高電網(wǎng)供電靈活性、可靠性和能源利用效率的同時,延緩電網(wǎng)建設投資。上海市電力公司技術與發(fā)展中心是國內最早開展V2G技術研究的機構,收集掌握了大量V2G相關技術研究和進展動態(tài),與國內外科研機構、企業(yè)建立了廣泛合作關系,著手開展了V2G應用試點和示范。目前V2G的研究及應用尚處于起步階段,其發(fā)展與電動汽車、儲能、分布式電源等相關技術發(fā)展密切相關。