第41卷第3期电力系统保护与控制Vol.41 No.3 2013年2月1日Power System Protection and Control Feb.1, 2013 电动汽车充放电对电网影响研究综述
马玲玲1，杨 军1，付 聪2，刘 培1，孙元章1
（1.武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072；2.广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510080）
摘要：随着大容量电池技术、电动汽车技术的发展和成本的降低，电动汽车的数量将急剧增长，其随机充放电行为将为城市电网的安全稳定运行带来新的挑战。从电动汽车充电设备及充放电特性出发，分析了电动汽车充电行为对电网负荷平衡、电源容量、电能质量、环境等方面的影响。探讨了电动汽车V2G模式在车网通信、削峰填谷、频率调节、新能源协调运行等领域的应用前景，并展望了含大规模电动汽车的城市电网动态运行机制、电动汽车与电网的协调优化经济运行、V2G多场景发展等相关领域的下一步研究工作。
关键词：电动汽车；充放电；充电站；电网；车对网
Review on impact of electric car charging and discharging on power grid
MA Ling-ling1, YANG Jun1, FU Cong2, LIU Pei1, SUN Yuan-zhang1
(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. Electric Powr Research Institute of Guangddong
Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China)
Abstract: With the development of high-storage battery and electric vehicle, the number of the electric vehicles will rise dramatically because of reduction costs, so that the random charging and discharging behavior of which will bring new challenges to safe and stable operation of urban power grids. Based on the charging equipment and charging & discharging characteristics of electric vehicles, the impact of electric vehicle charging behavior on load balance, power capacity, power quality, environment and other aspects is analyzed, and the applications of V2G pattern in the fileds of the connection between electric car and power grid, load shifting, frequency adjustment, and compatible operation with new energy resources are discussed. Also this paper looks forward to future research on dynamic operation mechanism of urban distribution network including a number of electric vehicles, the coordinate and economic operation of electric vehicles with power grid, and the various scene development of V2G.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50707021 and No. 51277135).
Key words: electric vehicle; charging and discharging; charging station; power grid; V2G
中图分类号： TM71 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2013)03-0140-09
0 引言
电动汽车作为新能源汽车的代表，相对以汽油燃烧作为动力的传统汽车而言，在环保、清洁、节能等方面占据明显的优势。我国《节能与新能源汽车产业规划（2011-2020）》强调大力发展节能与新能源汽车，实现我国汽车工业跨越式发展。插入式混合动力电动汽车（PHEV）和纯电动汽车（BEV）是我国“十二五”期间节能与新能源汽车发展的重要方向[1-2]。国家电网公司和南方电网公司在其智能
基金项目：国家自然科学基金项目（50707021，51277135）；武汉大学自主科研项目（111164）电网发展规划中也明确指出，要大力开展电动汽车充放电关键技术研究并全面推广应用，研究电动汽车在不同发展阶段采用的充放电服务模式和充放电基础设施规划布点原则，制定各类充放电装置、可统一管理的监控终端及通信接口机制等相关技术规范，实现电动汽车与电网的双向友好互动。
代表新一代节能与环保汽车发展方向的电动汽车开始在世界范围内逐渐被推广应用，其运行所需的能量补给则由配套的充放电装置及充放电站实现。电动汽车作为分布式微储能单元接入电力网络后，配电网将由一个放射状网络变为一个分布式可控微储能和用户互联的复杂网络，其运行特性会发生改变，影响电网的安全经济运行。
马玲玲，等电动汽车充放电对电网影响研究综述 - 141 -
在分析了电动汽车充电设备的类型与充放电特性的基础上，本文从电网负荷平衡、电能质量、车网通信、电网削峰填谷、频率调节、新能源协调运行等几个方面分别详细介绍了电动汽车充放电对电网影响的最新研究进展，并对未来该领域的研究工作进行了展望。
1 电动汽车充电设备及充放电特性
1.1电动汽车充电设备类型及特性
电动汽车充电设备是维持电动汽车正常运转的必要条件和电动汽车产业链中重要的基础设施，也是建设坚强智能电网的重要内容。电动汽车充电设备主要包括充电站及其附属设施，如充电机、充电站监护系统、配电室以及安全防护设施等。电动汽车充电机按安装方式不同可分为车载式和非车载式两种，分别采用相应的充电方式完成对车载蓄电池充电的功能。车载充电机安装在电动汽车内部；非车载充电机安装在电动汽车外，与交流电网连接，并为电动汽车动力电池提供直流电能。
现阶段电动汽车充电机根据各变换环节采用的方式不同，主要包括三种方式：（1）不控整流+斩波器；（2）不控整流+DC/DC变换器（有高频变压器）；（3）PWM整流+DC／DC变换器（有高频变压器）。
不控整流+斩波器这种型式的充电机属于早期产品，直流侧电压纹波小、动态性能好、工作隔离，但体积大、谐波电流严重、变换效率低，不适用于公共电网，可以预计未来应用范围有限；不控整流+DC/DC 变换器直流侧电压纹波小、动态性能好、高频隔离、体积小、电网侧电流谐波大，变换效率低，将在近期或相当长一段时间内占有市场；PWM整流+DC/DC变换器型充电机由于采用先进电力电子元件及控制策略，可将谐波电流限制在很低的水平，不需加装滤波装置，功率因数高，变换效率高，对公共电网电能质量几乎不构成威胁，但考虑到制造成本、容量限制等多方面的原因，目前此类充电机的广泛应用将受到一定的限制。电动汽车技术网
1.2 电动汽车充电特性
电动汽车充电特性通常包含充电电流、电压降落及充电时间等几个方面[3]。
电动汽车电池有常规充电、快速充电和机械充电三种充电模式[4-5]。常规充电利用电力低谷时段进行充电，为交流充电，一般包括恒流充电、恒压充电和阶段充电三种充电方法[6]，常规充电效率较高，但充电时间过长。快速充电需利用专门配置的充电机对电动车电池进行充电，其充电时间短，可以大容量充电，满足电动汽车的紧急充电需求，但充电电流较大，充电效率较低，充电时会对配电网产生一定的冲击，同时大电流充电对电池寿命有影响。机械充电直接更换电动汽车的电池组，对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，解决了充电时间、蓄存电荷量、续驶里程长等难题，降低了充
电成本。文献[7]对比分析了蓄电池的常规充电技术和快速充电技术，并指出充电系统应向着充电快速化、通用化、智能化、集成化的方向发展。
电动汽车不同类型蓄电池的充电特性有一定的差别。蓄电池通常包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等。铅酸蓄电池理论上应按照指数型的固有充电特性充电，但在技术上有一定的困难和不便，在实际充电时一般进行常规充电，充电电流远远小于固有特性的数值，电池不会产生气泡和温升，但是充电时间较长[7]。镍氢电池充电时，在充电起始阶段电池端电压迅速上升，而在电池接近充满电时又稍微有些下降，在充电基本接近尾声时，电池温度急剧上升。镍氢电池充电内阻较小，具有较高的充电效率[8]。锂电池充电时，在充电初始时刻电池端电压有比较大的上升率，而随着充电过程的不断进行，电池端电压逐渐趋于平稳。锂离子电池在智能模式充电方式下充电效率较高，电流接受能力良好，充电电流在开始时迅速达到比较大的值，而后几乎线性下降，直至到达满充状态[9]。
未来在构建电动汽车的精确模型时有必要对电动汽车的充电特性进行研究和改进，充分考虑电动汽车规模起始荷电状态、充电功率、充电时间、动力电池容量等多种因素[10]，建立更准确反映真实应用场景的模型。文献[11]根据电动汽车的充电特性，建立了作为负载的电动汽车充电时的配网模型，然后在标准的33母线配电网系统下对无控制充电和最优充电两种充电方式进行了比较，研究了电动汽车充电以及充电控制策略可能引发的问题，并根据系统功率平衡、发电机功率范围、功率升降速率、电动汽车负载的初始SOC（电池荷电状态）值的限制提出了减小损耗、提高供电质量的优化算法。1.3 电动
汽车放电特性
电动汽车并入电网不仅可以充电还可以放电，在满足行驶需求的前提下将多余电能回馈给电网。
不同类型的电池具有不同的放电特性。铅酸蓄电池在使用时，无论是大电流的放电或小电流的放电都会对铅酸蓄电池造成损害；大电流放电易造成正活性物质脱落，而当蓄电池进行小电流放电时，容易使得蓄电池的放电终止电压过高，从而造成过放电，因此应控制蓄电池的放电电流在适当的范围
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内[5]。镍氢电池具有较高的放电效率，在放电起始阶段其端电压下降缓慢，在电池电量接近放尽时，端电压才开始大幅度地下降，在放电过程中温度对电池的影响不大[8]。电动汽车锂离子动力电池恒流放电时，在放电初始阶段电池工作电压下降迅速，而后进入线形下降区；在放电接近终止时，电池工作电压又开始急剧下降。锂离子动力电池的工作电压变化与放电深度存在着密切关系[9]。
电动汽车的放电时间是一个非常重要的放电特性，电力调度部门对电动汽车的放电时间进行统一调度非常重要，电网和用户之间应建立能量需求信息的通信通道[12]。
2 电动汽车充电对电网运行的影响
随着电动汽车和充电站数量的快速增加，电动汽车将成为电网未来一种新型的重要负荷[13]，考虑到大量电动汽车充电行为的随机性，电动汽车接入电网充电对电网的影响问题逐步凸显，如对负荷平衡、电源容量、电能质量、环境等方面都会产生影响，因此在电动汽车推广过程中必须深入研究电动汽车充电对电网的影响问题。
2.1 负荷平衡
电动汽车技术逐渐成熟并大范围普及时，其应用可能会导致配电网络局部负荷变大，IEA （International Energy Agency）2009年预估2050年EV（电动汽车）/PHEV（插电式混合电动汽车）的大规模接入电网，将使全球电力需求量增加10%；美国电力研究院（EPRI）研究也指出，若全美国60%汽车替换为电动汽车，美国电力需求将增加9%，如果不加控制的将大量电动汽车接入电网，配电网可能会过负荷[14-15]，因此电动汽车接入电网必须考虑对配网负荷平衡的影响。文献[16]表明，插入式混合电动汽车并网充电为配电网增加了新的负载，该文采用比较简单的分析模型（5个家庭负荷、2辆电动汽车和一条馈线），在电池充/放电特点基础上建立了电动汽车负载特性曲线，研究了多个充电场景下应用智能充电技术对电网负荷平衡的影响。结果表明，对于电动汽车充电给电网增加的负荷，可通过高级计量架构等先进的智能技术进行管理。文献[17]以实时电价为背景，提出了基于需求侧响应思想的插电式混合动力汽车集中充电机制，计及供电侧填谷效果与用户成本，建立数学模型，并根据模型特点提出了一种基于动态估计插值思想的算法，基于某地区2020年的预测数据进行算例仿真，
结果表明文中提出的几种充电策略可以有效地降低峰谷差，节约用户充电成本。文献[18]在考虑电网约束的情况下，提出了在低压配电网约束下规划电动汽车充电的优化方案，并使用IBM ILOG CPLEX优化软件包计算了每个电动汽车的个体充电计划，仿真结果表明，使用改方案可以大大减少配电网的过负荷，同时减小了电力成本，避免了配电网拥塞问题。
2.2 电源容量规划
电动汽车接入电网后造成的负荷增长也将增加发、输、配电系统的压力，这时电力公司的电力装机容量与电力输送设备，也必须随之调整，以应对大量电动汽车在负荷高峰时段充电的情况。因此电动汽车入网也会对现有的电源装机提出更高的要求，对电网现有的承受能力具有新的挑战。文献[19]对美国艾达县接入插入式混合电动汽车后的负荷情况进行了预测，预测结果是2040年负荷增长18%，从而使得它的线电压将低于额定电压的96%，这种负荷变化也对现有的电源装机、输电网调度运行等方面提出了更高的要求。文献[20]研究了混合电动汽车在不同普及水平下对电源扩容的影响，采用HEMS（家庭能源管理系统）工具对电动汽车普及水平很高时的四种充电方案——统一充电、家庭式充电、非高峰期充电、基于V2G技术的充电进行考察，结果表明所有的充电方案都要求电源容量进一步增大。文献[21]分析了加拿大安大略省电网在非峰荷时期承受混合电动汽车接入的潜力，在安大略省传输网络的简化模型和2009年到2025年基础负荷简化规划基础上，建立了一个多区间最优直流潮流模型以到电动汽车接入安大略省网络的最优方式。结果表明，安大略省电力网络最宜承担安大略省全部电动车辆
的6%，或到2025年承担多伦多部分电动车的12.5%；在不超过当前计划的额外传输或电力生产投资情况下，接近于500 000辆电动汽车可以接入电网充电。文献[15]研究了整个美国电网对电动汽车充电的承受能力，分24 h均可充电和12 h可充电2个场景进行分析。结果表明，美国现有电网最多可以承受73%的电动汽车负荷所需。2.3 电能质量
电动汽车的接入使用增加了相应的充电设备，其中也包括大量高度非线性的电力电子装置，当充电机对电动汽车充电时，直流电流在交流三相之间不断地换相时会产生谐波，进而对配电网系统的电能质量产生影响，如功率损耗、电压偏差、频率等，文献[22-24]对此进行了研究。文献[25]展示了电动汽车电池的充电率对电压属性、基波和谐波损耗、变压器负载和总谐波畸变率的影响，分析结果表明在较低的电动汽车接入标准下，电动汽车采用常规充电率进行充电会产生低谐波和电压偏差以及较少
马玲玲，等电动汽车充放电对电网影响研究综述 - 143 -
的损耗，采用快速充电率进行充电会产生很大的电压谐波、损耗和变压器过负荷；在较高的电动汽车接入标准下，电动汽车充电会造成严重的电压谐波、偏差、电能损失和变压器过负荷。
2.4 环境影响
电动汽车接入电网充电也会影响电网及城市的环境。文献[26]表明，通过在加拿大新斯科舍省推广应用
电动汽车，不仅可以增强电网的可靠性，还能够减少有害气体的排放，同时可以促进该城市的可再生能源的应用。文献[27]指出，插入式电动汽车相对于传统汽车在环境和能量安全方面有优势，但随着电动汽车的大量接入，电动汽车入网也会对电网产生一系列的挑战，如增加电网投资、能量损失等。文献[28]使用了葡萄牙一个居民区的典型电力配电网来研究集成水平不同的纯电动汽车和混合电动汽车对电网和污染物排放的影响。通过应用车辆全寿命周期分析，评估了电动汽车的污染物排放量，结果表明电动汽车相对于传统汽车能够减少77%的HC、CO、NO x和PM的排放，以及40%的CO2的排放，在环境影响上要优于传统汽车。
3 电动汽车放电对电网的影响
理想情况下，电力系统的用电量应该和风能、太阳能以及常规电厂发出的电能精确匹配。但由于预测误差和可再生能源发电的间歇性，经常出现电能的供需不平衡，而电动汽车执行适当的充放电策略可以帮助实现上述平衡。未来可结合电力负荷的特点，发挥电动汽车的充放电服务优势，让电动汽车在电网负荷低谷时充电，在合适的时候根据统一管理的需要将电能回馈电网，实现可移动能量储存单元与配电网的电能双向交换，即V2G模式，这对于扩大电力终端用电市场，降低需求侧峰谷差，提高电力供需平衡和电力设备负荷效率，具有重要的意义[29-30]。
3.1 电动汽车与电网的连接与通信
电动汽车的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。
电动汽车接入电网放电必须满足三个条件：1）电动汽车必须能够接入电网；2）必须建立和电网之间的通信与控制途径；3）汽车上必须有精确在线测量电池状态信息的仪表[31]。文献[32]讨论了电动汽车到电网的互联，概述了ISO/IEC标准下的V2G接口及电流不间断运行情况，同时给出了一个与智能电网互联的接口方案。电网与电动汽车的联系通常有三种形式：电网直接联系每辆电动汽车、通过一个监控中心（比如停车场）来联系电动汽车或者通过第三方监管者来与每辆电动汽车联系。电动汽车与电网之间的联接关系如图1所示。
电动汽车与电网之间的通信接口
图1 电动汽车与电网之间的联接关系
Fig. 1 Connection relationship between electric car
and power grid
电动汽车与电网之间的通信是V2G的重要组成。ISO/IEC的V2G通信接口工作小组一直致力于制定V2G的通信规范。消息是V2G通信接口中的重要一环，ISO/IEC 15118-2草案中定义了消息的结构和消息的模式[32]。文献[33]指出，W3C XML格式常用来描述消息的格式。V2G的消息结构一般包括三个部分：V2G_消息、消息头和消息体。V2G_消息把XML文档看作是V2G消息，消息头和消息体都嵌入在V2G_消息中。消息头仅概述了V2G的大体情况，包括标识符、协议版本号、安全信息等，并不涉及V2G消息的具体内容。消息体中描述了具体的通信内容，即电动汽车侧的请求和电网侧的响应，包括可用的服务、授权、充放电参数和收费信息、线路锁定、电能传输、电能测量状态、电能传输停止、线路解锁等。
3.2 V2G在电网削峰填谷中的应用
电动汽车的普及程度增加后，对于大部分的电动汽车来说，具有较长的停车不使用时间，因此V2G在电网削峰填谷方面有着很大的利用价值。文献[34-36]针对电动汽车并网与电网的功率互换问题进行了研究，指出电动汽车在电网非高峰负载期充电，在高峰负载期放电，可以起到削峰填谷的作用。从负荷平衡角度来看，电动汽车充放电引起的电网负荷变化对发电规划及调度具有重要的影响。文献[37]指
出，每个汽车的回馈能力有限，如何通过一种整合手段对并网进行集中调度非常必要，文献对德国市场运用分类整合的策略进行控制，并通过蒙特卡洛方法对这种控制策略进行了验证，结果表明这种控制手段是可靠、高效和高收益的。该文所建
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模型考虑了公共交通时段、行程距离、平均行车能量消耗、电动汽车的电池容量和德国管理市场的二次调节手段等因素，数据可信度较高。
3.3 V2G在电力系统频率调节中的应用
电网运行管理的一个重要方面就是利用电能储备进行电压和频率调节，从而有效避免功率不平衡或阻塞问题。电动汽车能够接入电网充放电，因此可用来调整系统中能量的不平衡，保持频率稳定。
文献[38]探讨了由风电作为主要电源构成的丹麦某小岛加入电动汽车支持后系统配电网的动态频率响应。仿真结果表明，电动汽车入网可以被视为今后电力系统调频的一种灵活的解决方案。文献[39]通过两地区电网互联的负荷频率控制仿真来定量计算分布式电源并网对电力系统的影响。结果表明，电动汽车可以作为智能储能装置接入未来的低碳电力系统，以改善可再生电源引发的频率波动。文献[40]指出，欧洲电网主要利用备用容量不断自动进行频率调节以避免停电事故，保持电网稳定。当电网频率
发生变化，系统中有备用容量时，发电机组的调速系统自发调整机组负荷。由于一次调频只能缓和电网频率的改变程度，为了恢复电网频率，有时候需根据电网频率高低进行频率的二次调节，当频率低于50 Hz时，电池放电，频率高于50 Hz时，电池充电。电池的充放电能量可用来调整系统中能量的不平衡，保持频率稳定。用于频率三次调节的能量有三次储备和上升储备。这些储能主要在频率偏差较大或发生输电阻塞时进行三次调节，与一次、二次相比，三次调节为“人工”调频而且一年中只需进行几次。目前电动汽车具体以怎样的形式参与电力系统调频尚没有定论，文献[41]认为利用电动汽车的储能对频率进行三次调节，会因所需能量过多使得汽车并网时间过长，而电动汽车参与三次调频整个过程理论上不应超过15 min，所以从技术角度看，应重点关注电动汽车的一次和二次调节作用。文献[42]建立了一个用于电动汽车接入电网频率调节的聚合装置，在重点考虑电池的存储容量基础上，讨论了该聚合装置设计的注意事项和电池的能源约束问题，利用动态规划算法计算得到对每个充电汽车的最优充电控制方案，最后仿真验证了考虑参数不确定性的充电控制策略的最优性，并指出这种控制方案不仅可以用于频率调节上，对其进行修改还可以应用于V2G其他的应用上。
3.4 V2G与间歇式新能源协调运行
电动汽车接入电网使得电动汽车可以作为一个可控的负载和储能装置，使得随机波动的发电单元如风电、太阳能等可再生能源有更高的功率波动范围[43-47]，为减少电源波动和负载波动提供电源支撑。
鉴于电动汽车放电可以作为电力平衡后备容量，文献[48]通过一个简单的负荷频率控制模型仿真得出V2G的调节容量，用两个典型日的高、低风机出力分析丹麦西部电力系统的调节功能。结果表明，装设具有快速调节特性的电动汽车储能后，丹麦西部和输电协调联盟（UPTE）控制的区域之间的功率偏差明显减小，传统发电机对调节功率的需求也大大减少。另外，V2G也有利于减少电力系统运行的输电阻塞、电力平衡偏差等。文献[49]给出了一个与电网互联的小型分布式电源系统，该系统由光伏电源、插入式混合电动汽车和不同的当地负荷构成。各种分布式电源由功率集中器连接于住户负荷与电网之间，此系统将插入式混合电动汽车应用到居民侧，当公用电网故障或异常时，可以将用户的用电从公用电网中隔离出来，进入孤网运行模式，也可以同步连接到电网而不影响负荷功率的供电。该文指出，V2G虽然在负荷调节和峰值调节上逊于一般型发电机，但是其在备用和调节上有很大前景。实际装置的试验结果表明，联网时其快速平稳的响应能够很好地起到热备用作用，可以从隔离方式转换到与电网同步互联，转换结束时的相位角差较小。
4 下一步研究展望
从电力发展趋势来看，未来电网将向分布式发电、交互式供电的分散智能电网过渡[50]，这将促进可再生能源发电的应用，也对环境保护、分布式储能设施等都提出了更高的要求。电动汽车与电网之间的互动是下一步智能电网发展的重要方向，也是电力电子、通信、调度和计量、需求侧管理等众多技术的高端综合应用，体现了车辆和电网之间能量双向、实时、可控的流动，未来的一些研究方向可能包
括以下几项。
（1）含大规模电动汽车的城市电网动态运行机制
随着大容量电池技术、电动汽车技术的发展和成本的降低，电动汽车的数量将急剧增长，可统一管理的电动汽车充放电站必将给城市电网的安全稳定运行带来新的挑战。电动汽车的行驶时间和行驶区间决定了其充放电状态、接入电网时间、接入电网地点等具有随机特性，因此电动汽车引入到城市电网后，原电网将由一个放射状网络变为一个具有时空随机特性的分布式微储能和用户互联的复杂系统，其运行机制将发生巨大变化。为了保障含大规模电动汽车的城市电网的安全稳定运行，深入剖析
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