V2G技術(shù)概述知識(shí)講解

1、V2G技術(shù)概述V2G技術(shù)概述摘 要：V2G (vehicle-to-grid )技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)汽車( EV: electric vehicle )之間能量的雙向流動(dòng)，EV用戶可以是能量消耗者，也可以是能量供應(yīng)者。在合理控制下，V2G技術(shù)的應(yīng)用可提供調(diào)峰、調(diào)頻以及電壓控制，增加對(duì)間歇性的可再生能源的消納，維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。而在實(shí)現(xiàn)以上輔助服務(wù) 的過(guò)程中，還存在著很多挑戰(zhàn)以及需要解決的問(wèn)題，諸如專門(mén)的雙向通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、用戶的隱私保護(hù)、 促進(jìn)用戶與電網(wǎng)互動(dòng)的激勵(lì)機(jī)制的制定，對(duì) V2G技術(shù)的研究具有非常重要的意義。本文是一篇對(duì)V2G技術(shù)的概述類文獻(xiàn)，對(duì)其概念、應(yīng)用、研究?jī)?nèi)容與方向以及待解

2、決的問(wèn)題作了簡(jiǎn)要闡述。A Summary of V2G TechnologyAbstract: V2G ( vehicle-to-grid)is a kind of technology which can realize the bidirectional energy flow between the power grid and electric vehicles. And EV users can be both energy consumers and energy suppliers. Under the rational control, the application of V

3、2G provides load shaving, frequency regulation as well as voltage control, and increases the absorption of intermittent renewable energy to maintain the safety and stability of the power system. However, to make aforementioned ancillary services come true, we will be in the face of numerous challeng

4、es and problems to be solved. Such as the construction of dedicated both-way communication network, privacy protection of EV users, and the establishment of incentive mechanisms to encourage users to interact with the power grid. Accordingly, the research in V2G technology has the significant meanin

5、g. This paper is a summary of V2G technology, involving the concept, applications, the contents and orientation of the research as well as the challenges and problems to be solved.1. 引言EV有利于減少溫室氣體排放，是一種綠色的交通工具，一輛配有10kwh電池的EV大概可行駛30英里；經(jīng)研究表明，EV的使用可以給用戶帶來(lái)不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益；發(fā)電和 負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡是維持電力安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求，據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%的電力中

6、斷和干擾與配電網(wǎng)有關(guān)，EV的接入為電力系統(tǒng)提供大規(guī)模的可控儲(chǔ)能裝置，在合理充放電控制下 可提供調(diào)頻、電壓控制、旋轉(zhuǎn)備用等輔助服務(wù)，可有效緩和間歇性的新能源大規(guī)模并入 電網(wǎng)所帶來(lái)的電網(wǎng)波動(dòng)性，提高電網(wǎng)的效率、靈活性以及可靠性；EV屬于一種分布式、可控儲(chǔ)能裝置，可有效減少發(fā)電能源損耗、供電線損，提高能源利用率?；谝陨显?因，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)其饒有興趣，各國(guó)政府也都大力推行 EV的相關(guān)政策，以促進(jìn)其廣 泛應(yīng)用，其市場(chǎng)份額也與日俱增。目前比較盛行的 EV品牌有特斯拉（Tesla,全球第一家 采用鋰離子電池的電動(dòng)汽車公司）、比亞迪（BYD，國(guó)內(nèi)新能源汽車領(lǐng)域引領(lǐng)者）等。而大規(guī)模EV不加控制得并入電網(wǎng)，

7、尤其是在聚集充電、高峰充電情況下，會(huì)加大負(fù) 荷峰谷差，加重配電網(wǎng)的供電負(fù)擔(dān)。此外，EV的充電負(fù)荷具有非線性、不穩(wěn)定的特征，引進(jìn)的電力電子設(shè)備將產(chǎn)生諧波，會(huì)損害電網(wǎng)電能質(zhì)量。經(jīng)研究表明，合理的充放電控 制，可有效抑制、消除其對(duì)電網(wǎng)的不利影響，促進(jìn)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。而以上的前提就是需要電網(wǎng)和 EV的能量互動(dòng)。V2G技術(shù)，概括得來(lái)說(shuō)，就是一種實(shí) 現(xiàn)電網(wǎng)和EV之間能量雙向流動(dòng)的機(jī)制，EV可通過(guò)整流技術(shù)從電網(wǎng)攝取能量，也可通過(guò) 逆變技術(shù)向電網(wǎng)回饋能量，可以說(shuō)是智能電網(wǎng)（smart grid）的重要組成部分。文獻(xiàn)1， 2對(duì)V2G技術(shù)進(jìn)行了深入的闡述。綜上所述，對(duì)V2G的研究具有很重要的意義，本文屬于概述

8、類文獻(xiàn)，主要是對(duì)V2G技術(shù)的概念、應(yīng)用、所研究問(wèn)題與方向以及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)作簡(jiǎn)要敘述。2. V2G技術(shù)V2G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，增加用戶與電網(wǎng)的互動(dòng)性，使用戶不再只是能量 消耗者，還可以是能量供應(yīng)者。V2G系統(tǒng)與固定的能量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)不同之處在于，其具有 能量存儲(chǔ)、攜帶、輸送機(jī)制。部分文章對(duì) V2G技術(shù)的應(yīng)用以及PHEV的性能作了評(píng)估。 文獻(xiàn)3對(duì)汽車電池充放電調(diào)度以緩和住宅負(fù)荷波動(dòng)的最優(yōu)性做出評(píng)估，并用仿真工具比 較了無(wú)任何智能充電場(chǎng)景、不涉及 V2G的本地智能充電優(yōu)化場(chǎng)景以及涉及 V2G的充電優(yōu) 化場(chǎng)景。文獻(xiàn)4提出了一種新型的基于能量的電氣化潛能系數(shù)（EPF），其可用于從用 戶、

9、汽車工業(yè)以及公用事業(yè)角度評(píng)估 PHEV的綜合效益和影響，分析了不同的駕駛曲線 和控制策略下的行駛成本和電池壽命間的權(quán)衡。文獻(xiàn)5提出一種對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)診斷，考慮的系統(tǒng)參數(shù)包括電壓曲線、電壓穩(wěn)定性、階躍電壓調(diào)整器（SVR）運(yùn)作、功率以及能耗。結(jié)果表明對(duì)于給定的 V2G滲透水平，三相全系統(tǒng) V2G并入在系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì) 運(yùn)行上比單相V2G并入好，同時(shí)得出在一個(gè)最優(yōu)位置用 V2G停車場(chǎng)向電網(wǎng)注入無(wú)功功率 可以減少大約95%的能耗（相對(duì)于沒(méi)有 V2G設(shè)施的能耗）。圖1所示為插入式混合電動(dòng) 汽車（PHEV）的V2G系統(tǒng)示例圖。PHEV的功能就在于其可由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可由 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖中描述的是 PH

10、EV三種場(chǎng)景下（家里，工作場(chǎng)所以及行駛路途中）的能 量走向，其中PHEV控制器（PHEV controller）的功能包括控制電池充放電、控制電動(dòng)機(jī) 和內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、檢測(cè)電池的狀態(tài)和能量需求等。* En«n(jy Flow> infoHnationJCGRtrnJ FlowDraw fnwnGridControlPHEVHu-seholdAppiincesFeedback to Gnd S«ilri« FlowFeedback to 右 ridPHEV 1f “HZfc Commute) HoiTie血Wort圖1 PHEV的V2G系統(tǒng)示例圖2.1 V2G技

11、術(shù)的應(yīng)用對(duì)V2G的研究涉及甚廣，其應(yīng)用也牽扯得比較多，以下涉及的是我經(jīng)查閱資料后列舉的一些主要應(yīng)用。1）調(diào)峰、調(diào)頻、電壓控制V2G的兩個(gè)主要應(yīng)用就是調(diào)峰和調(diào)頻。所謂調(diào)峰，即在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，電網(wǎng)給 EV充電，以存儲(chǔ)能量；在負(fù)荷峰值時(shí)，EV用所存儲(chǔ)的能量回饋給電網(wǎng)，以平緩電網(wǎng)的負(fù)荷曲線。通常根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整電價(jià)作為激勵(lì)機(jī)制來(lái)促使用戶調(diào)整自己的用電需求，諸如分時(shí)定價(jià)TOU （time-of-use,電價(jià)預(yù)先設(shè)定，如每半年設(shè)定一次）、階梯定價(jià)（ Tiered Pricing,上海市階梯電價(jià)情況如 錯(cuò)誤!書(shū)簽自引用無(wú)效。所示）以及實(shí)時(shí)定價(jià)等。這對(duì)于 電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，可以移峰填谷，提供電壓支持（高負(fù)荷時(shí)放電抑

12、制電壓下降）；對(duì)用戶來(lái) 說(shuō)，購(gòu)買(mǎi)低電價(jià)的電量可以節(jié)省花費(fèi)，向電網(wǎng)供電還可以獲得電價(jià)補(bǔ)償。所謂調(diào)頻，可 以說(shuō)是一種輔助機(jī)制，旨在短時(shí)間內(nèi)微調(diào)電網(wǎng)的頻率，比如以分鐘級(jí)調(diào)整。通常此應(yīng)用 方向需要研究?jī)?nèi)容包括能量成本最小化問(wèn)題、定價(jià)策略、充電調(diào)度、調(diào)頻以及調(diào)峰。表I上海市階梯電價(jià)一般用戶辦理享受“一戶多人口”政策用戶戶籍5人及以上戶籍7人及以 上第一檔戶均0-3120度（含）（260*12）戶均 0-4320 度（含）（360*12）不加價(jià)戶均3120-4800度（含）戶均4320-6000度（含）超第二檔臨界點(diǎn)當(dāng)月超第二檔臨界點(diǎn)次月起第二檔峰加價(jià)谷加價(jià)峰加價(jià)未分時(shí)谷加價(jià)也可選擇全電 量每度平均加0.

13、05 元0.05 元0.06 元0.05 元0.03 元價(jià)0.024元執(zhí)行戶均超過(guò)4800度 （400*12 ）的部分戶均超過(guò)6000度（500*12）的部分超第三檔臨界點(diǎn)當(dāng)月超第三檔臨界點(diǎn)次月起第三檔峰加價(jià)谷加價(jià)峰加價(jià)未分時(shí)谷加價(jià)0.3元0.3元0.36 元0.3 元0.18 元文獻(xiàn)6涉及的是V2G的調(diào)峰應(yīng)用，解決的是分時(shí)電價(jià)下的日常能量成本最小化問(wèn)題，在真實(shí)電池模型下，結(jié)合考慮能量的雙向流動(dòng)、馬爾科夫調(diào)制過(guò)程的能量需求、電池特性以及分時(shí)電價(jià)，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃定義能量成本最小化問(wèn)題。文獻(xiàn)7結(jié)合頻繁充放電引起的電池壽命縮短以及高溫環(huán)境下的使用，分析了使用純電動(dòng)汽車（BEV ）作為能量 存儲(chǔ)的成本，

14、基于廠商數(shù)據(jù)建立了充放電，室溫環(huán)境，放電深度（ DoD）以及EV電池退 僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝3化間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。文獻(xiàn)8研究了 PHEV在時(shí)變電價(jià)信號(hào)下的充電曲線優(yōu)化的凸二次規(guī) 劃框架，采用等效電路電池模型計(jì)算充放電時(shí)的電池能量損耗，并將PHEV的總?cè)剂虾碗娰M(fèi)成本化為電池荷電狀態(tài)的二次函數(shù)。文獻(xiàn)9涉及的是V2G的調(diào)頻應(yīng)用，提出了一種 推得APC ( achievable power capacity概率分布的方法，基于 APC的概率分布計(jì)算 aggregator的功率容量，并結(jié)合可能的懲罰項(xiàng)針對(duì)四種可能的合同類型分別建立利潤(rùn)函 數(shù)，最優(yōu)的CPC(contracted po

15、wer capacity值由最大化相應(yīng)的利潤(rùn)函數(shù)求得。文獻(xiàn) 10 提出一種在配電網(wǎng)側(cè)對(duì) aggregator進(jìn)行充電控制的 VOS (vehicle-originating-signals)法， 目的是使得總電力消耗接近給定的目標(biāo)曲線，其中信號(hào)反映了EV的充電需求以及供應(yīng)電力的意愿。2) 虛擬發(fā)電廠(VPP)針對(duì)單一 EV充放電負(fù)荷小，電池容量有限以及電池消耗問(wèn)題，提出電動(dòng)汽車群(aggregato)的概念。部分文獻(xiàn)將aggregator作為一種中間系統(tǒng)，將一定區(qū)域內(nèi)接入電 網(wǎng)的EVs組織起來(lái)，成為一個(gè)集體，服從中間系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度。其中，aggregator可以允許EVs構(gòu)成一個(gè)合作群體，其中

16、可包含充電成員以及放電成員或僅包含其中一種，充放 電雙方可形成一種直接的電力交易，aggregator和 aggregator之間也可以進(jìn)行電力交易， 該aggregator具有一定規(guī)模的可調(diào)度負(fù)荷和儲(chǔ)能容量，V2G下的aggregator能量流動(dòng)概念圖如圖2所示。aggregator可存儲(chǔ)具有間歇性特征的可再生能源所發(fā)電量，并在負(fù)荷峰值 時(shí)，向電網(wǎng)饋送能量，故可看成是一個(gè)虛擬發(fā)電廠，可減少高成本的峰值機(jī)組的啟用的 同時(shí)，增加可再生能源的消納，達(dá)到供需平衡。因此，VPP概念可用于微電網(wǎng)和孤島。通常此應(yīng)用方向需要研究?jī)?nèi)容包括建立 aggregator的相關(guān)模型、aggregator/EV的可用電

17、力 容量的估算、新能源和EV的聯(lián)合調(diào)度研究以及電池模型的建立(涉及充放電時(shí)的能量損 失、受限的電池容量、充放電率、電力的雙向傳輸對(duì)電池的要求)。CenterAggregator AAggregator BPower GridChargingCommunication FlowEnergy Flow Between Grid and Aggregator Energy Flow in an Aggregator/Between Aggregators圖2 Aggregator能量流動(dòng)概念圖文獻(xiàn)11描述了估算V2G停車場(chǎng)系統(tǒng)的電力容量的數(shù)學(xué)模型，將 EV供需模型化為排隊(duì)論問(wèn)題，并評(píng)估了其電力市場(chǎng)潛

18、能。文獻(xiàn)12研究的是估算配有光伏（PV）雨蓬的V2G停車場(chǎng)（VPL）的電力容量的數(shù)學(xué)模型，將 EV的供需模型化為排隊(duì)論問(wèn)題，考慮了充電時(shí)電池充電器效率對(duì)電力需求的影響以及放電時(shí)逆變器效率對(duì)其的影響。文獻(xiàn)13提出一種每半小時(shí)估算V2G容量的算法，用于作為建筑能源管理系統(tǒng)（BEMS）的一部 分，BEMS使用所預(yù)測(cè)的建筑荷載需求以及 EV的充電曲線來(lái)估算V2G容量，而B(niǎo)EMS 對(duì)EV的充放電調(diào)度則將所估算的 V2G容量以及可再生能源考慮在內(nèi)。3）V2B/V2H （ vehicle to building/vehicle to house）V2G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在峰值負(fù)荷時(shí)，將 EV中所存儲(chǔ)能量供應(yīng)給商業(yè)建

19、筑或居住建筑，圖 1中就包括了 V2G的這項(xiàng)輔助應(yīng)用。該方向涉及家庭能量管理系統(tǒng)以及停車場(chǎng)的模型建 立以及充放電調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題。2.2 V2G技術(shù)涉及的問(wèn)題與挑戰(zhàn)1）適用于V2G技術(shù)的雙向通信的建設(shè)、安全問(wèn)題和隱私保護(hù)問(wèn)題雙向的能量流動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)V2G的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)充放電的能量管理以及優(yōu)化調(diào)度等 都基于電網(wǎng)狀態(tài)以及各種實(shí)時(shí)信息，這些都需要可靠的雙向通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持。V2G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行是基于不斷得監(jiān)測(cè) EV狀態(tài)以及合理設(shè)計(jì)的激勵(lì)機(jī)制以吸引 EVs足 夠的參與度。然而密切的監(jiān)測(cè)就易于引起 EV用戶的隱私問(wèn)題，包括身份、位置信息泄露 以及個(gè)人偏好等，部分文獻(xiàn)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)14研究的是V2G網(wǎng)絡(luò)中

20、的隱私保護(hù)問(wèn)題，提出了一種精確的合理的報(bào)酬機(jī)制 以及一種安全通信架構(gòu)，以保護(hù)電動(dòng)汽車用戶的隱私。文獻(xiàn)15針對(duì)傳統(tǒng)的認(rèn)證機(jī)制只考慮了電動(dòng)汽車作為能量消耗者，并不適用于在V2G場(chǎng)景下多角色（能量消耗、存儲(chǔ)以及供應(yīng)）的電動(dòng)汽車的安全和隱私保護(hù)，提出一種依賴于角色的隱私保護(hù)機(jī)制（ROPS）。2）充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、電池技術(shù)充電基礎(chǔ)設(shè)施是支持EVs大范圍運(yùn)用的重要組成部分，但對(duì)其的建設(shè)過(guò)程中有很多 需要解決的問(wèn)題，諸如位置的選址，充電樁的放置，電壓和電力水平等。電池技術(shù)包括電池存儲(chǔ)技術(shù)、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。目前純電動(dòng)汽車大量引入的最 大絆腳石是由于目前的電池未能勝任內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車所能給我們帶來(lái)的便利。

21、3）EV用戶的配合與積極參與V2G的各項(xiàng)輔助功能都離不開(kāi)用戶的配合，若想期許 V2G成為現(xiàn)實(shí)，必須消除用戶 的各種疑慮與擔(dān)憂。諸如a）EV的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格和維護(hù)成本高于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，能否在電 池壽命期間收回成本；b） EV的行駛范圍較短，且充電時(shí)間長(zhǎng)；c）向電網(wǎng)出售所存儲(chǔ)電 力是否具有經(jīng)濟(jì)效益；d）頻繁充放電會(huì)導(dǎo)致電池退化，縮短電池壽命，以及電力系統(tǒng)對(duì) 電池的影響。3. 結(jié)論EV有利于減少溫室氣體排放，有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益， EV并入電網(wǎng)可提供大規(guī)模的可 控儲(chǔ)能裝置。V2G技術(shù)的存在就是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與EV之間能量的雙向流動(dòng)，增加EV用戶與電網(wǎng)的互動(dòng)性，EV用戶不再只是能量消耗者，也可以是能量供應(yīng)者。在合理

22、充放電控制 下可提供調(diào)頻、電壓控制、旋轉(zhuǎn)備用等輔助服務(wù)，可有效緩和間歇性的可再生能源大規(guī) 模并入電網(wǎng)所帶來(lái)的電網(wǎng)波動(dòng)性，提高電網(wǎng)的效率、靈活性以及可靠性。而在實(shí)現(xiàn)以上 輔助服務(wù)的過(guò)程中，還存在著很多挑戰(zhàn)以及需要解決的問(wèn)題。比如說(shuō)，需要建設(shè)適用于 V2G特性的雙向通信網(wǎng)絡(luò)；如何對(duì)用戶進(jìn)行隱私保護(hù)、漏洞分析；如何制定激勵(lì)機(jī)制以 吸引用戶參與到電力交易中。綜上所述，對(duì)V2G技術(shù)的研究具有非常重要的意義。本文對(duì)V2G技術(shù)作了簡(jiǎn)要概述，主要闡述了其概念、應(yīng)用、研究?jī)?nèi)容與方向以及待解決的問(wèn) 題。參考文獻(xiàn)1 Su W, Habiballah R E, Zeng W, and Chow M Y, A Surv

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