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电动汽车V2G入网技术及其在智能电网中的应用

发布时间:   2018/7/10 8:29:44     点击量:     次    作者:  

内容摘要:近日有报道称,随着纯电动汽车的普及与V2G技术的不断成熟、特斯拉有可能重返V2G战场。国家发改委近期提出的《关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》中也有提到,鼓励电动汽车提供储能服务,并通过峰谷价

近日有报道称,随着纯电动汽车的普及与V2G技术的不断成熟、特斯拉有可能重返V2G战场。国家发改委近期提出的《关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》中也有提到,鼓励电动汽车提供储能服务,并通过峰谷价差获得收益。电动汽车V2G技术到底是什么?它又怎样提供储能服务?本文可给大家提供一些意见。

电动汽车入网技术V2G

 

  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。简单来说V2G就是以电动汽车的动力电池作为电网中的分布式电源,实现电网储能、支持智能电网工作的一种应用方式。

 

 V2G系统的主要部件

 

  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。下图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

  (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,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。

 

  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,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。

 

 V2G充放电流程

 

 

 

  用户首先插入IC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。

 V2G技术在智能电网中的应用形式

 

  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。

  4.1 负荷转移

  虽然电价是固定的,但短期内发电成本却是边际成本递增的(原因不在此处展开)。因此,电网希望全社会的用电需求是稳定的,最好是常数。可哪有这么好的事情啊,夏天开空调、春秋不开空调,这是季节波动;下班回家看电视做饭加充电用电多,12点后关灯睡觉用电少,这是日内波动。

  减少波动无非就是两种措施:高峰时尽量少用电、甚至给电网充电(削峰),低谷时鼓励用电(填谷),特别是那些具备储能功能的电器。这在电网叫需求侧管理(DSM, demand side managemand)。需求侧管理在研究领域很火,但一直很难办,因为一般家庭里都没有储能功能的电器。如果一个城市10%的汽车换成电动汽车,而且这些车都是晚上8点充电的话,有可能使峰值负荷增加20%!(如下图所示)对电网的冲击,意味着需要更大的发电固定资产投资,这时常也是电动汽车反对派常用的论据,电动汽车可能会造成电网瘫痪。

  如果V2G的负荷转移得当,从上图的蓝色区域移到黄色区域,问题即可解决。更理想的状态,在晚上8点不仅不用电,还给电网充电,这样就减少了峰值负荷,减少了大量的发电固定资产投资,不是很好吗?当然,这个很困难,面临很多难以逾越的难题,比如锂电池寿命,比如并电入网。

  4.2 负荷调节

  电网并不存在超大的UPS,而是电网绷紧神经跟随我们的用电需求。晚上8点到了,用电高峰来了,电网就开启更多的机组,加大发电功率,跟上用电需求;晚上12点到了,大家都睡了,用电低谷来了,电网就关闭机组,降低功率,跟上用电需求。这个过程就可以简单地理解为负荷调节。如果跟不上频率会波动,再严重点,进而就是停电,从小范围停电到大范围停电。并且值得提出的是,不仅发电少于需求会停电,发电多于需求也会停电,这也就是为什么电网不希望我们私自发电并网。因为现在电网只有供给侧管理,这种私自的发电并网会危害负荷调节,严重时还会造成事故。

  4.3 旋转备用

  为应对潜在的事故,电网还准备了很多备用机组来应对紧急情况。这些备用机组虽然功率不大,但由于对响应时间要求苛刻(小于1分钟),所以成本也是蛮高的。这些旋转备用机组有可能一年也用不上一次,但也必须得备着。

  这时,电动汽车的锂电池就是一个完美的旋转备用机组,响应时间以微秒计。假如一个城市几十万辆电动汽车在连入电网时,可以为电网所控制,为电网所用,那旋转备用机组的投资就可以节省了。电动汽车也很开心,旋转备用一年也用不了一次,只需要承诺每天晚上回家插上电就能收旋转备用租金。当公共供电系统受损无法正常提供电力时,可以使用动力电池中的备用电力向家庭供电,以维持家庭的正常用电。

  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;

  (5) 政府、学校办公楼;

  (6) 利用清洁能源对车辆充电等。

  4.4 稳定新能源并网

  除了上述的负荷转移、负荷调节与旋转备用之外,还要再补充一点。这些年风头正劲的风力发电、太阳能发电,电网并不太喜欢。为什么呢?因为传统的供给侧管理中,发电量是可控的。而风电、光电波动太厉害。

  既然国家要鼓励风电光电,电网也只好建储能电站,用大规模电池组成的“电容”把光电、风电的波动给滤掉。但这成本太高。如果真的有大量电动汽车接入电网,把这部分成本省下分给电动汽车一部分,就可实现共赢互利。

  就这样电动汽车产业与光伏产业,两大风光无限但发展受阻的国家战略产业,看似风马牛不相及,但一结合就互相解决了对方的难题。

  以上都是V2G技术的理想应用情况,对电网而言利益是巨大的,对电动汽车来说也有一定的获利方式,双方可达到互利。

(本文北极星储能网独家整理,内容及图片来源自知乎作者张抗抗、及论文《电动汽车入网技术(V2G)在智能电网中的应用》)