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电动汽车与智能电网从V2G到B2G的全新结合模式(1)

关键词: 电动汽车 B2G 电池

摘要:有关电动汽车的多数研究中,均将电动汽车与其动力电池一体化看待,因此将电动汽车的移动、分散和分布式决策等属性等同于电池的属性,因而诞生了V2G 的概念及其诸多的复杂问题。通过将电动汽车与动力电池进行资产关系解耦,进而实现电动汽车动力服务与电池向电网充放电的时间地点的双重解耦,使建设大型集中储能充电站成为可能。在此基础上,V2G 的概念被扩展为B2G,从而揭示了电池与电网交互能量的本质。论述了从V2G 向B2G 发展的必要性和先进性,同时也探讨了实现B2G 所面临的运营、管理和技术等方面的挑战及其可能的解决方法,展示了发展B2G技术对于智能电网的美好前景。

0 引言随着石油资源的枯竭以及可再生能源技术的迅猛发展,发展新能源汽车,尤其是纯电动汽车已经是大势所趋[1-2]。作为未来电网中比重庞大的负荷,同时又兼具大规模能量存储能力的电动汽车动力电池,在实现智能电网的过程中,势必要扮演一个举足轻重的角色[3-5]。

电动汽车及其动力电池对于智能电网扮演着2种不同的角色,电动汽车的动力服务作为一项庞大的负荷,将可能占据整个电网负荷的极大比重,其运行对于电网安全会产生重大影响;而另一方面,电动汽车的动力电池作为一种储能装置,其能量存储的总量对于电网来说又是一种保障和优化电网运行的积极资源[6]。因此,如何让电动汽车及其动力电池在这2 种角色之间平稳自由的转换,成为智能电网与电动汽车相结合的关键问题之一。具体体现为怎样合理安排电动汽车这种负荷以及怎样优化动力电池这种储能装置的运行。当电动汽车作为负荷时,可以通过技术手段和经济手段合理安排充电时间,实现有序充电管理,达到移峰填谷的效果,提高系统运行效率,减少对电网安全的影响;当动力电池作为储能装置时,可以将其作为系统的备用容量,或者峰荷时向电网提供电量,优化电网运行,提高系统的安全可靠性。在这种背景下,V2G(vehicle to grid)的概念应运而生。顾名思义,V2G 是指与电网相连接的电动汽车(Vehicle)作为一种分布式负荷和电源,可以向电网(Grid)释放存储在其动力电池内的电能,从而为优化电网运行和安全提供积极支持[7]。在这一概念的驱动下,学术界进行了大量以V2G 为基础,对运行模式、充放电技术以及与可再生能源发电相结合实现有序充电管理等问题进行了深入的研究[7-13]。

然而,从V2G 命名本身强调车辆(Vehicle)来看,就可以发现在传统思维中,一直将车辆与电池作为一个整体来看待,将充放电的主体始终默认为车辆。在这种思维方式下,人们将一些电动汽车本身的属性也默认成了动力电池的属性。电动汽车分属于千百万不同的用户,其具有明显的移动、分散以及相应的与电网连接的时间和地点的不确定性。由于电动汽车的产权分属于不同用户,电动汽车接入电网及其充放电的操作权限也相应的归属于不同用户,造成了分布式决策的局面。同时,车辆作为人们日常生活的工具,其连接入电网的位置势必广泛分布于配电网,而其作为分布式电源向电网输送电能必然造成配电网潮流的复杂变化,为配电网的运行带来诸多不确定的冲击和影响。将这些车辆的属性等同看成电池的属性,造成了V2G 实施中面临的一系列困难和障碍,很多研究一直延续这种思维方式,试图从这些束缚中寻找突破。

实际上,如果大胆的突破原有的思维模式,在电动汽车与动力电池之间进行解耦,就会发现那些对于电动汽车的诸多束缚对于动力电池其实并不存在。在摆脱这些束缚之后,通过建立大型集中储能充电站,可以实现动力电池直接向电网输送电能。因此,在V2G 的基础上,可以扩展出一种新的概念,将其命名为B2G(Battery to Grid)。B2G 揭示了电动汽车动力电池与电网交互的本质,而去除了车辆属性的束缚,摆脱V2G 概念的局限性。实际上,V2G是B2G 的一种特例或者存在形式,V2G 的本质依然是电池与电网的能量交互,只是由于V2G 特殊的存在形式造成了诸多的束缚和问题。作为对V2G 的扩展和升级,除了V2G 之外,B2G 也可以包括集中充电的动力电池与电网的能量交互。

本文将集中充电的动力电池与电网的能量交互作为B2G 的重点进行论述,无特殊说明时,文中所述B2G 均指这种运行方式。本文以V2G 为基础阐述其产生和特点,论述实现该B2G 在商业模式上、运行管理上、技术条件上面临的挑战和可能的解决途径。并以B2G 为基础,展望在此基础上智能电网未来可能的发展愿景。

1 电动汽车与动力电池的解耦

电动汽车与动力电池的解耦主要体现在3 个方面:资产关系解耦、时间解耦和地点解耦。通过资产关系解耦,首先解决对于动力电池充放电的决策权问题,而通过电动汽车的动力服务与电池充放电在时间和地点上的解耦,解决电动汽车本身移动、分散的特点与电池充放电过程精确计划与控制之间的矛盾。

1)资产关系解耦。与燃油汽车相似,用户在购买汽车时,并不愿意为了确保能够获得固定数量的燃油供应而额外支付一笔保证费用,因此对于电动汽车来说,让用户为确保获得电能供应而单独为电池付费并不完全合理[14]。此外,电池的所有权也直接决定了对于电池的充放电操作的决策权,资产关系的解耦是其他解耦和技术路线的前提,只有专业的充换电运营公司掌握了电池的所有权,才能更好地避免汽车用户的意愿对电池利用的限制和约束,同时大大降低决策的复杂程度和主体数量。

2)电动汽车动力服务与电池充放电操作的地点解耦。由于动力电池的充电时间过长而无法满足人们快捷的动力服务的需求,电池更换模式彻底打破了电动汽车与电池一体化的思路,使电动汽车的动力服务与动力电池的充放电操作可以完全在不同的地点进行。由于分属于不同的所有者以及不确定的使用方式,电动汽车接入配电网的地点也同时具有分散和不确定的特点。而通过换电模式实现地点解耦,使得动力电池的充放电有可能摆脱对配电网的依赖和冲击,避免分散和随机而采用集中的方式,以避免诸多不确定性因素的影响。

3)电动汽车动力服务与电池充放电操作的时间解耦。电动汽车整车充电模式下,动力电池连接入电网充放电的时间与电动汽车运行行驶的时间难免会形成矛盾,而电网由于自身运行安全和成本效益的考虑,对动力电池充放电的时间又具有特殊的要求。因此在V2G 中,很多技术和方法都是针对这种矛盾来寻求2 者在时间上的平衡,但这种平衡毕竟是在约束下的有限度的平衡。因此,换电模式将电动汽车动力服务与电池充放电操作进行了时间解耦,对于电网而言,解决了其利用动力电池优化运行和安全的最大障碍。

来源:电网技术
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