關于考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略的研究綜述

安科瑞 陳聰

   摘要：隨著我國“3060”雙碳目標的確立，新能源汽車與可再生能源協(xié)同優(yōu)化策略研究已成為一種趨勢。本文概述了電動汽車、新能源接入對電網(wǎng)的影響，從提升新能源消納水平采取的主要方式以及對于電動汽車的考慮形式和約束條件兩方面綜述了考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究現(xiàn)狀，并對相關方向未來的發(fā)展進行展望，旨在為推動新能源汽車與可再生能源的高效協(xié)同發(fā)展提供參考依據(jù)。

      關鍵詞：電動汽車；有序充電；新能源消納

一、引言

      自《巴黎協(xié)定》以來，世界多國相繼提出了碳中和發(fā)展目標。2020年9月，我國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標，加快能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加速能源綠色低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。

      根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，自2012年至2021年，我國一次能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中化石能源占比從88.8%下降到79.7%，清潔能源消費占能源消費總量的比重由14.5%上升到25.5%?？傮w來看，化石能源占比仍然較高，且短時間內(nèi)化石能源主體地位難以改變。為了實現(xiàn)我國“3060”碳達峰碳中和的發(fā)展目標，國務院在《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中提出要加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系。因此，提升可再生能源占比、促進可再生能源高水平消納，成為“十四五”期間我國可再生能源發(fā)展的關鍵。同時，發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)也是我國應對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措之一。促進新能源汽車與可再生能源高效協(xié)同，鼓勵“綠電綠用”，能夠提升可再生能源應用比例，降低新能源汽車用電成本，提高電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻響應能力。

      在此背景下，深入研究考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略顯得尤為重要，本文將圍繞該主題展開詳細探討，并對相關領域的發(fā)展進行展望。

二、電動汽車、新能源接入對電網(wǎng)的影響

2.1電動汽車對電網(wǎng)的影響

2.1.1負荷特性改變與峰谷差加劇

      近年來，電動汽車保有量呈爆發(fā)式增長，其充電行為使得電網(wǎng)的負荷特性發(fā)生了顯著變化。電動汽車的充電時間分布具有一定的集中性特點，很多用戶習慣在下班后或夜間進行充電，這導致電網(wǎng)原本的負荷峰谷分布出現(xiàn)了明顯改變。例如，在城市居民用電場景中，通常傍晚時分至夜間是居民生活用電的高峰時段，而大量電動汽車在此時集中充電，進一步加劇了電網(wǎng)的負荷峰谷差。

2.1.2電能質(zhì)量面臨挑戰(zhàn)

      電動汽車充電設備屬于非線性負載，在充電過程中會產(chǎn)生諧波電流注入電網(wǎng)，進而引發(fā)一系列電能質(zhì)量問題。一方面，諧波電流容易造成電網(wǎng)電壓畸變，使得電網(wǎng)電壓波形偏離正弦波，影響其他電氣設備的正常運行。例如，一些對電壓質(zhì)量要求較高的精密儀器設備，在電網(wǎng)電壓畸變的情況下，可能出現(xiàn)測量誤差增大、運行故障甚至損壞等情況。另一方面，大量電動汽車分散且隨機的充電行為還可能導致電網(wǎng)的三相不平衡問題，三相電壓或電流的幅值、相位出現(xiàn)偏差，降低電網(wǎng)的供電效率，增加線路損耗，嚴重時可能影響整個供電區(qū)域內(nèi)電氣設備的安全穩(wěn)定運行。在部分老舊小區(qū)，由于電網(wǎng)基礎設施相對薄弱，當多輛電動汽車同時充電時，電能質(zhì)量問題尤為突出，居民家中的電器設備時常會出現(xiàn)閃屏、異常發(fā)熱等現(xiàn)象，給居民的正常生活用電帶來諸多不便。

2.1.3配電網(wǎng)容量與線路壓力增大

      電動汽車充電時需要從電網(wǎng)獲取電能，眾多電動汽車同時充電會使局部配電網(wǎng)的供電容量面臨巨大壓力。特別是在一些充電樁集中分布的區(qū)域，如大型商業(yè)中心停車場、住宅小區(qū)等，如果配電網(wǎng)的規(guī)劃和建設未充分考慮電動汽車充電需求，可能出現(xiàn)變壓器過載、線路載流量超標等情況。例如，某老舊住宅小區(qū)原本的變壓器容量是按照居民生活用電需求設計的，隨著越來越多的居民購置電動汽車并在小區(qū)內(nèi)充電，當同時充電的車輛數(shù)量超過一定限度時，變壓器長時間處于高負荷運行狀態(tài)，不僅加速了設備的老化，還可能因過載引發(fā)跳閘事故，影響整個小區(qū)的正常供電。而且，大量的充電電流在線路中傳輸，會使線路發(fā)熱加劇，增大線路損耗，對線路的安全運行構(gòu)成威脅，從長遠來看，可能需要對配電網(wǎng)進行升級改造以滿足日益增長的電動汽車充電需求。

2.2新能源接入對電網(wǎng)的影響

2.2.1功率平衡與調(diào)度難度提升

      新能源發(fā)電（如風電、光伏發(fā)電等）具有間歇性、波動性以及隨機性的顯著特點。以風力發(fā)電為例，風電場的輸出功率與風速的立方成正比關系，風速的自然變化導致風電功率輸出極不穩(wěn)定，短時間內(nèi)可能出現(xiàn)大幅度波動，時而滿發(fā)，時而功率趨近于零。同樣，光伏發(fā)電的功率輸出取決于光照強度和日照時長，天氣狀況（晴天、陰天、多云等）以及季節(jié)變化都會使其發(fā)電功率產(chǎn)生劇烈變化。大規(guī)模的新能源接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)需要實時維持功率平衡變得愈發(fā)困難，傳統(tǒng)的基于穩(wěn)定電源的調(diào)度方式難以適應新能源的這種特性。例如，在一個以風電為主的地區(qū)電網(wǎng)中，當出現(xiàn)強風天氣時，風電大發(fā)，若不能及時消納或合理調(diào)節(jié)，可能導致電網(wǎng)頻率升高超出安全范圍；而在風速較低的時段，風電功率銳減，又需要其他電源快速補充功率缺額，這對電網(wǎng)的調(diào)度靈活性和快速響應能力是極大的考驗，增加了電網(wǎng)運行控制的復雜性和難度。

2.2.2電能質(zhì)量波動問題

      新能源發(fā)電的波動性同樣會引發(fā)電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題。由于新能源發(fā)電功率的頻繁變化，可能導致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動，在一些新能源接入比例較高的地區(qū)，電壓波動幅度有時會超出正常允許范圍，影響到電網(wǎng)中各類用電設備的正常運行。而且，部分新能源發(fā)電設備在轉(zhuǎn)換電能過程中也可能產(chǎn)生諧波，與電動汽車充電諧波疊加后，進一步惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量環(huán)境，使得電網(wǎng)的電壓暫降、閃變等現(xiàn)象時有發(fā)生，增加了對電能質(zhì)量治理的難度，對敏感負荷（如電子制造企業(yè)的生產(chǎn)設備、醫(yī)院的精密醫(yī)療儀器等）的正常運行帶來潛在風險。

2.2.3對電網(wǎng)穩(wěn)定性的潛在威脅

      新能源的分散式接入以及大規(guī)模并網(wǎng)，改變了電網(wǎng)的潮流分布和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了諸多潛在威脅。一方面，新能源發(fā)電的隨機性使得電網(wǎng)的運行狀態(tài)難以精確預測，電網(wǎng)在應對故障或擾動時的恢復能力受到挑戰(zhàn)。例如，當電網(wǎng)發(fā)生局部故障后，新能源發(fā)電單元由于缺乏有效的慣性支撐，可能無法像傳統(tǒng)火電、水電那樣提供穩(wěn)定的有功功率和無功功率，延緩電網(wǎng)的恢復過程，甚至可能引發(fā)連鎖故障，擴大停電范圍。另一方面，新能源接入點的增多，使得電網(wǎng)的短路電流水平、系統(tǒng)阻尼特性等關鍵參數(shù)發(fā)生變化，需要重新評估和優(yōu)化電網(wǎng)的保護配置、安全穩(wěn)定控制策略等，以保障電網(wǎng)在各種工況下的安全穩(wěn)定運行，否則可能因保護誤動或拒動等情況，影響電網(wǎng)的可靠供電。

三、考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究現(xiàn)狀

3.1提升新能源消納水平采取的主要方式

3.1.1儲能技術(shù)應用

      通過配置儲能系統(tǒng)，如鋰電池儲能、液流電池儲能等，在可再生能源發(fā)電過剩時儲存電能，在發(fā)電不足或用電高峰時段釋放電能，起到平滑功率波動、削峰填谷的作用，有效提高新能源的消納能力。例如，在一些大型的風電場附近建設配套的儲能電站，當風速較大風電大發(fā)時，儲能系統(tǒng)充電；而在風速較小時或者用電高峰，儲能系統(tǒng)放電來補充電力缺口。

3.1.2需求響應機制

      引導電力用戶根據(jù)電網(wǎng)運行狀況和電價信號等，調(diào)整自身用電行為。對于電動汽車用戶而言，可以通過制定分時電價策略，鼓勵其在低谷電價時段充電，避開電網(wǎng)高峰負荷時段，從而間接為新能源消納騰出空間，提高電網(wǎng)對新能源的接納能力。

3.2對于電動汽車的考慮形式和約束條件

3.2.1考慮形式

      在有序充電策略制定中，通常會考慮電動汽車的充電時間、剩余電量、用戶出行需求等因素。比如，借助智能充電管理系統(tǒng)預測電動汽車用戶的下次出行時間，以此來合理安排充電時長和充電功率，確保既滿足用戶出行需求，又能使充電行為符合電網(wǎng)整體的優(yōu)化調(diào)度要求。

3.2.2約束條件

      主要包括電網(wǎng)側(cè)的容量限制、電壓約束以及線路載流量限制等。從電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行角度出發(fā)，不能因為電動汽車的充電而使局部電網(wǎng)出現(xiàn)過載、電壓越限等問題；同時，也要考慮用戶側(cè)的經(jīng)濟成本和使用便捷性等因素，不能因過度追求電網(wǎng)優(yōu)化而給用戶帶來過高的費用負擔或使用不便。

四、安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

4.1概述

      AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應用場所

      適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

        小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

        智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

4.4.4故障管理

       設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

4.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

        在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

五、考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略未來發(fā)展展望

      隨著科技的不斷進步和能源轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進，未來在該領域有望取得更多的突破和發(fā)展。一方面，智能電網(wǎng)技術(shù)將進一步完善，能夠更加精準地預測新能源發(fā)電功率和電動汽車充電需求，實現(xiàn)更加精細化的充電調(diào)度和新能源消納管理。另一方面，隨著車網(wǎng)互動（V2G）技術(shù)的逐步成熟，電動汽車不僅可以作為用電設備從電網(wǎng)充電，還能在電網(wǎng)需要時將自身儲存的電能反饋給電網(wǎng)，成為移動的儲能單元，極大地提升電網(wǎng)對新能源的消納靈活性和整體的調(diào)節(jié)能力。此外，相關政策的持續(xù)完善和細化，將進一步引導和規(guī)范電動汽車有序充電以及新能源消納行為，推動整個行業(yè)朝著更加綠色、高效、可持續(xù)的方向發(fā)展。

六、結(jié)論

      考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究對于實現(xiàn)我國“3060”雙碳目標，推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和綠色發(fā)展具有重要意義。本文分析了電動汽車、新能源接入對電網(wǎng)的影響，綜述了當前相關策略的研究現(xiàn)狀，并詳細介紹了安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)在其中的應用與作用，最后對未來發(fā)展進行了展望。希望通過各方的共同努力，不斷優(yōu)化相關策略和技術(shù)應用，促進新能源汽車與可再生能源的深度協(xié)同，助力我國早日實現(xiàn)碳達峰碳中和目標。

參考文獻：

[1]劉靚雯,高傳彬,王丹陽.考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究綜述[J]

[2]肖朝霞,張可信,馮冀.含電動汽車充電站的風/光/柴獨立微電網(wǎng)分層優(yōu)化調(diào)度[J]

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版