电动汽车入网技术在智能电网中的应用

第38卷 第4期 2010年4月 Vol . 38 No. 4 Apr . 2010 电动汽车入网技术在智能电网中的应用 杜成刚 1 ,张 华 2 ,李 瑾 2 ,胡 超 2 (1. 上海市电力公司 技术与管理学院,上海 200025; 2.上海久隆电力科技有限公司,上海 200070) 摘 要:车辆电动化、 电网智能化是21世纪汽车和电网发展的趋势,电动汽车必将成为电网不可分割的一部 分。从工作原理、 拓扑结构分析了实现电动车入网的关键技术,对组成电动车入网所需的5大重要部件功能 进行了详细说明;对电动车入网可能的应用场景、 发展速度和规模、 充放电控制策略等进行了分析,展示了电 动车入网技术在智能电网中的应用。 关键词:电动车入网;电动汽车;智能电网;充放电策略 作者简介:杜成刚(19702 ) , 男,高级工程师,从事电力系统及其自动化,电动汽车相关技术研究。 中图分类号: T M912. 9; T M727 文献标志码:B 文章编号: 100129529(2010) 0420557204 Application of Electric Vehicle Access Network Technology in Intellectual Grid DU CHeng2gang1, ZHANG Hua2, LI2jin2, HU CHao2 (1. Technology andManagement College, S MEPC, Shanghai 200025, China; 2.Shanghai Jiulong Electric Power Science the functions of the five important components required for constituting the electric vehicle access net2 work were explained in detail . The possible application scenarios, development speed and scale, control strategies of charge and discharge in the vehicle access network were analyzed, which showed the application of electric vehicle access network technology in the intellectual grid. Key words:electric vehicle access network; intellectual grid; charge and discharge strategy 按照国家新能源汽车产业发展规划, 2010 2015年是电动汽车产业化和大规模推广应用的 关键5年。相关研究表明, 2016年是电动汽车产 业化发展的拐点,电动汽车发展进入高速成长期, 预计到2020年,上海市电动汽车市场规模预计可 达约35万辆(按市场渗透率15%计算)。大量的 车辆充电将带来新一轮的负荷快速增长,以每辆 车配置12 kWh电池计算,这些电动汽车日充 电所用电量约为336万kW h ( 按0. 8同时率计 算 ) , 这对用电负荷峰谷差日益加大的电力系统 而言,增加了巨大的发、 输、 配电压力。 智能电网的核心价值是提高能效,利用各种 高科技手段提升发、 输、 配、 用电各环节的运行管 理水平,节约资源,保护环境;智能电网更加适应 多种能量单元发电、 配电、 用电方式的需要,更加 适应市场化的电力交易的需要,更加适应客户的 自主选择需要。 电动汽车入网(Vehicle to Grid,简称V2G)技 术就是电动车辆的能量在受控状态下实现与电网 之间的双向互动和交换,是“ 智能电网技术 ” 的重 要组成部分,应用V2G和智能电网技术,电动汽 车电池的充放电被统一部署,根据既定的充放电 策略,在满足电动汽车用户行驶需求的前提下,将 剩余电能双向可控回馈到电网。 1 V2G系统信息流程 V2G体现的是能量双向、 实时、 可控、 在车辆 和电网之间流动,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。因此,V2G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, 图1所示为V2G系统信息图。 S M:智能电表,双向计量、 本地信息存储,以 05582010, 38(4) 图1 V2G系统信息程图 RS485与EV2PCS通信,通过EV2PCS向UT传送 电量信息; EV2PCS:双向智能充放电装置,由低压控制 器和本地管理机组成,用于实现车辆和电网之间 的双向能量交互,是V2G系统的关键装置; UT:人机交互终端,是电动汽车用户与电网 交流的界面,用户从中获取用电量和电费信息; BMS:电池管理系统,用于车辆电池数据的采 集与传输,电池运行状态的监控,以CAN总线与 EV2PCS通信,通过EV2PCS向后台传输车辆信 息; EMS:后台管理系统,对上与电网调度系统通 讯,获取电网负荷信息并执行电网调度指令,对下 与EV2PCS通信,获取车辆状态信息,分配并下发 电网调度指令。 2 V2G系统各部件 2. 1 双向智能充放电装置 双向智能控制装置作为V2G技术中的关键 功率部件,用于实现电网与电动汽车间的能量双 向流动,可工作在充电模式和V2G模式:如果选 择充电工作模式,即只是对车辆进行充电操作,不 将车辆电池能量回馈至电网;如果选择V2G工作 模式,装置根据用户在人机交互终端上选择的车 辆SOC上下限门限值,或装置默认的SOC上下限 门限值,将连接车辆可充放电的实时容量、 受控时 间等信息提供给后台管理系统,后台管理系统下 发充放电控制指令,装置根据车辆电池当前SOC 进行充、 放电操作,实现能量的双向流动。图2所 示为双向智能控制装置主回路拓扑。 其拓扑特点如下: (1)采用三相全桥双向PWM变换,能对电 池进行充放电; (2)电网交流与电动汽车电池侧采用隔离变 压器进行电气隔离; 图2 双向智能控制装置主回路拓扑 (3)同时隔离变压器可进行交直流之间的电 压匹配; (4)交流侧和直流侧配置过载过流断路器; (5)交流直流侧均配置有预充电回路,启动 方式灵活; (6)采用一级变换器,拓扑简单,可靠性高。 2. 2 人机交互终端 人机交互终端系统结构如图3所示,主要由 嵌入式控制器、 触摸显示屏、 射频卡读卡器、CAN 通信卡、 远程监控通信扩展卡、 微型打印机等部分 组成。主要功能有:界面显示、 身份识别、EV2PCS 控制模式、 票据打印、 数据管理和查询、 个性化参 数设置、 语言切换、 以及用户操作帮助和异常信息 提示等。 图3 人机交互终端系统结构图 2. 3 后台管理系统 后台管理系统包括充放电策略控制子系统和 能量管理子系统;充放电策略控制子系统主要功 能是根据能量管理系统提供的可充放电总容量、 电价以及当前电网的实时负荷信息,采用适当的 充放电策略算法,计算出电网实际允许的充电或 放电容量,从而动态地实现车辆车载电池组与电 网的双向能量交换;能量管理子系统主要功能是 实时监测车载电池组工作状况、 提供充放电策略 基础数据、 为每台EV2PCS提供充电或放电容量 二次分配指令。 2. 4 车辆电池管理系统 电池管理系统(BMS)是对车辆电池性能和 状态了解最为全面的设备,将BMS和EV2PCS之 杜成刚,等 电动汽车入网技术在智能电网中的应用0559 间建立联系,使充电装置实时了解电池信息,改变 自己的执行策略和输入输出电流,以保障车辆运 行、 电池安全和延长使用寿命。BMS主要功能包 括:实现电池运行状态的实时监控;电压、 电流、 温 度、SOC等数据采集、 显示、 传输;电池故障诊断、 告警和安全保护;故障自检和诊断;充放电均衡;与 车辆控制系统和智能充放电充电装置双向通讯等。 2. 5 智能电表 智能电表作为作为V2G应用的重要技术组 件,工作原理如图4所示,主要功能包括双向计 量、 双向通信、 事件记录(记录电表断相、 失压、 过 压、 失流、 电流不平衡、 超功率、 超需量、 过压、 开 盖、 逆相序等事件,记录时钟对时、 记录数据清零、 参数设置、 电表上下电等事件)等。 图4 智能电表工作原理图 3 V2G充放电流程 V2G充放电流程分别见图5、 图6。 用户首先插入I C卡, UT终端通过射频卡读 卡器读取用户信息,在人机操作界面上显示卡上 剩余电量和上次消费记录情况,待用户设置工作 模式及其相关信息后,提示用户正确连接充电插 头,并确认启动充电模式或V2G模式。 工作模式确定好后,UT将与EV2PCS确认充 放电接口是否正确连接,确认后发送控制信号给 EV2PCS,启动充电装置EV2PCS的工作为待机状 态,等待后台控制指令。 EV2PCS按用户选择的运行模式执行后台充 放电指令,在运行过程中,UT定时获取电表数据、 电池组数据并进行计费以及保存数据。当达到用 户设置的参数或用户自行终止时,发送停止指令 给EV2PCS,控制EV2PCS断电,在人机操作界面 上提示用户充放电完毕,用户拔下插头后,可以进 行打印票据操作。 4 V2G应用场景及充放电控制策略 4. 1 V2G应用场景 图5 V2G充电流程 未来电力发展模式是向分布式发电、 交互式 供电的分散智能电网过渡,更加强调对环境的保 护和可再生能源发电的应用,这要求建设更多更 高效的分布式储能设施。储能技术是实现智能电 网的关键技术之一, 2009年1月美国能源部电力 咨询委员会咨询报告中,将储能作为智能电网容 量管理的战略工具,由此可见储能技术的重要意 义。电动车辆作为既有的分布式移动储能单元, 通过智能电网技术,对车辆充放电进行长期、 成功 管理,V2G技术将在智能电网中得到广泛应用。 研究表明,“ 与智能车辆和智能电网同步进展,插 电式混合电动汽车(PHEV)和电动汽车(EV)将 在20年之内成为配电系统本身不可分割的一部 分,提供储能,紧急供电和电网的稳定性。 ” 设想的V2G可能的应用模式和应用场景有: (1)居民小区(V2H,Vehicle to Home) ; (2)办公楼宇(V2B,Vehicle to Bulding) ; (3)大型专用停车场; (4)超市、 大卖场或购物中心; 05602010, 38(4) 图6 V2G放电流程 (5)政府、 学校办公楼; (6)利用清洁能源对车辆充电等。 4. 2 V2G充放电控制策略 电动汽车作为移动储能接入电网,实现与电 网能量双向互动的前提是保障用户使用的便利性 不受影响。当前纯电动小型乘用车的最大续驶里 程一般都小于200 km,电池实际使用寿命小于1 000次循环,远远低于传统燃油车,因此采取适当 的控制策略至关重要。 策略的考虑涉及电网侧、 车辆侧、 用户侧,电 网侧需考虑电网实时负荷、 电价、 调度中心指令; 车辆侧需要考虑电池能量状态、 输入输出功率、 可 用时间等;用户侧主要是考虑用户的行驶习惯、 行 使里程及特殊需求等。以充放电容量、 电网负荷、 电价等为基础数据,使用适当的充放电策略控制 算法,得到辖区内电网所需要的能量信息和车辆 电池可提供的能量信息,进行策略分配和发出调 度指令。 5 结语 电动汽车是汽车产业的最终发展方向,智能 电网是经济和技术发展的必然趋势,将电动汽车 和智能电网结合的V2G,既解决了电动汽车大规 模发展带来的充电压力问题,又可将电动汽车作 为移动的、 分布式储能单元接入电网,用于削峰填 谷、 应急安保,旋转备用等,在提高电网供电灵活 性、 可靠性和能源利用效率的同时,延缓电网建设 投资。上海市电力公司技术与发展中心是国内最 早开展V2G技术研究的机构,收集掌握了大量 V2G相关技术研究和进展动态,与国内外科研机 构、 企业建立了广泛合作关系,着手开展了V2G 应用试点和示范。目前V2G的研究及应用尚处 于起步阶段,其发展与电动汽车、 储能、 分布式电 源等相关技术发展密切相关。 参考文献: 1 胡 超.电动汽车直流充电系统研究 J .华东电力, 2009, 37 (10). 收稿日期: 2010203211 本文编辑:王延婷 电力简讯全国首个县级电力光纤到户项目在海盐开工 电力光纤到户是现代通信网络接入技术进入家庭的先进方式,全国首个县级电力光纤到户建设项目在浙江省嘉兴 海盐落户。到2011年,海盐县的4 000户用电客户将首次用上电力光纤到户带来的大容量、 高带宽、 高品质的通信服务, 为家庭智能用电服务提供良好的接入环境。