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南瑞张建伟:电动汽车有序充电技术及应用试点

作者:中国储能电站网 来源:中国储能网 时间:2019-05-14 浏览:

中国储能电站网讯:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日下午的“电动汽车与电网互联”专场,南瑞集团(国网电力科学研究院)国电南瑞用电分公司高级工程师  张建伟在会上分享了主题报告《电动汽车有序充电技术及应用试点》,以下为演讲实录:

张建伟:各位专家各位同仁下午好!今天讲的主要内容是基于国家电网公司开展的智慧能源控制系统建设的重要业务场景应用——有序充电的相关研究和试点内容。

国家十三五规划把电动汽车产业作为新兴战略产业。我们看一下这两张图,我就不详细展开说了,前面几位专家也是列出了很多相关数据,无论从电动汽车的年销量,还有整体保有量,中国均居于世界第一。下边这张图是充电桩的一个数据统计,给出的是2017年底的统计数据,有点久远了。根据中国充电基础设施促进联盟发布的最新数据(联盟会员内的数据),截止2019年3月应该是92.1万个,如果考虑联盟外及未统计数据,个人估计国内已经超过100万个了。

数据固然可喜的,但是如此大量的电动汽车接入电网,会造成一个什么影响呢?前面各位专家也讲过了,如果所有燃油车换成电动汽车,它的整个充电功率是非常大的。如果接入电网,可能会造成峰谷差进一步拉大。另外,还会造成局部电网的容量不足,导致局部电网电压跌落、频率下降及保护动作等问题。除此之外,随着分布式发电、分布式储能以及电动汽车的发展,电动汽车具有天然的移动式储能功能,它的整个储能容量也是非常巨大的。这些电力用户从传统的被动参与者正在向主动的参与者转变,电网该如何满足他们日益增长的对电网的需求呢?这个也是需要我们去考虑研究的。

前边介绍了市场背景,下边举个典型城市典型小区的一个用电负荷的例子。通过右边这个表可以看到,如果把小区内的现有燃油车换成电动汽车,当同时充电系数达到20%,小区电动汽车的充电负荷将会成为整个小区用电规划负荷的主要的负荷。如果我们再考虑到电动汽车充电的规律性,情况会更加糟糕。我们看一下这个图,小区一般下午3点半到6点是停车的高峰,整个充电时间就在晚上的6点以后,这个时间也是小区的负荷用电高峰,造成整个用电负荷峰上加峰的情况。右侧这个图是停车时长的图,一般小区夜间停车会超过8个小时。

南瑞公司在有序充电方面做了大量的前期调研工作,这个是有序充电场景研究的一个调研情况表,按照充电设备类型来进行分类的。按照目前的充电设备可以划分为:高速路快速充电站、城市快速充电站、城市专用充电站和分散式充电桩。高速公路还有城市的快充站,主要目的是快速补充电能,时间越短越好,对于有序充电的引导性比较弱,没有时间进行引导。对于集中式的专用充电站,例如公交充电站,公交公司对充电价格还是比较敏感的,他们一般的充电规律是在夜间进行主要充电,白天利用停靠站进行快速的电能补充,所以它的引导性相较前两者要强。最后,分散充电桩主要指的是在小区或者是单位/公司停车场部署的交流充电桩,一般车辆停车时间比较长,对用车迫切度也不是很高,有序可引导性也是最强的,这也是我们研究的主要场景。

前面也提到,国家电网公司2018年开展了智慧能源控制系统的建设和试点应用,目前主要以有序充电业务为场景展开试点,并进一步扩大试点推广。对于智慧能源控制系统,它的作用是做什么的呢?智慧能源控制系统的定位是连接发电用户跟用电用户以及用户和电网,通过市场化的手段,对发电和用电进行有序引导和调控,满足电网日益增长的清洁能源消纳,调频备用等服务。它的总体目标是以新一代的电力系统为基础,打造一个广泛互联,用户灵活参与的智慧能源服务体系,实现电动汽车、分布式储能、分布式电源和微电网等新型用能设备的接入及互通。右边图可以很形象的展示了整个系统,左侧是发电侧,右边是用电侧,当中三个重要业务有序充电、储能云网和绿色能源交易。

有序充电作为系统建设的重要业务应用场景,它的目标是实现80%的用户在家充电,80%的用户在低谷充电,在高峰放电。这样用户就可以充到相对比较便宜的电和清洁的电。同时,电网公司可以实现清洁能源的消纳,可以说是实现了多方的互赢。有序充电的建设原则我就不多讲了。这张图是有序充电的整个系统架构,采用线上线下相结合的架构,然后建立了云-管-端的系统。云就是智慧控制平台,管就是通讯网络,能源控制器作为边设备,是台区管理中枢。端设备包括充电桩和能源路由器,能源路由器具有采集和有序控制功能,作为用户侧智能设备有序接入的入口。通过这个图可以看的更加清楚,它包括了智慧能源控制平台、能源控制器和能源路由器。能源控制器采集台区运行信息,以及台区下充电设备的状态信息。能源控制器一般安装在配电房或者箱变内,与平台的远端通信采用4G/5G的通信方式。能源路由器安装在充电桩内,充电桩一般布置在停车位附近,距离箱变较远,为了避免现场施工布线的麻烦,通信方案采用宽带载波/无线双模的方式。

接下来,我们讲下系统的关键终端设备。这个图是南瑞公司开发的能源控制器的实物图,它作为台区的管理设备,开展台区负荷自治,是台区负荷管理的中枢。另外,能源控制器内部含有本地控制策略,在离线情况下可以实现台区有序控制。这张是能源路由器,它的定位是新一代的智能终端。前边有专家提到,储能设备如何接入到系统里面,实现实时有序的调节。能源路由器就是作为储能、充电桩、光伏等设备有序控制的接入终端,将它们接入到系统上实现调节、互动和控制。能源路由器按照计量模式分为三类:Ⅰ型单相单计量能源路由器、Ⅱ型单相双计量能源路由器和Ⅲ型三相能源路由器。可分别应用到一桩一枪充电桩、一桩双枪充电桩和三相设备。如果按照业务功能分,能源路由器除了计量功能,可以包含有序充电控制,储能控制和绿色能源交易功能。这张图是有序充电试点应用的充电桩,路由器是安装在桩内的。充电桩的有序控制主要是通过两点:一个就是PWM的功率调节,还有一个是复电续充。这需要充电桩和车辆都要满足相应的国家、行业标准,要求车辆充电功率能够实时跟随PWM占空比的变化。另外,最后这张是有序控制平台,大家可以看一下。

有序充电是在一定的控制策略下进行的充电,下面讲一下控制策略。控制策略主要按照几个原则来进行设计的,这上边都列出来了。比如公平原则,正常充是先到先充,有序充是对台区容量的一个共享。再如优化原则,是把车辆的充电挪到低谷时段进行充电,这样用户可以充到低成本的电,还可以充到绿色的电。为什么列出保底原则?电动车辆在充电过程中停止充电,如果想再次启动充电,需要人到现场拔掉充电枪,然后再次连接充电枪,启动充电,才可以再次充电。通过复电续充功能,可以实现大部分车辆的断电再次充电。但是部分车辆在断电后会进入休眠,无法再次启动,所以不能采用复电续充进行充电调节,智能通过PWM调节,将充电功率降到最低进行保底充电。

正常充电跟有序充电的区别,正常充电用户对充电价格并不敏感,对时间要求是比较高的;有序充电是用户有充裕的充电时间,对充电价格有一定的要求,对100%充满并不是特别关注。这张图是策略执行的执行架构,平台控制策略负责负荷曲线的预测,宏观的调控;能源控制器负责本地的控制策略,实现台区下的负荷微观调控、精准调控和实时调控。能源路由器和充电桩是作为执行端来执行上端下发的控制策略。安全方面和经济方面是控制策略主要因素,安全方面有台区的越限、三相不平衡等因素;经济方面有峰谷电价、新能源消纳等因素。

国网公司2018年在几个省市公司开展了有序充电试点工作,这个表格详细列举了江苏、上海、北京、河南四个试点小区的试点情况,我们可以看到在每个台区下面布置的终端设备数量和种类。这个是郑州世纪家园小区的试点现场图片。这个是上海的试点现场,一部分安装的新型有充电桩,对于存量桩,我们通过在桩的附近安装能源路由器控制箱,通过能源路由器接入到有序控制系统。现场完成了对蔚、万帮等存量充电桩的接入。

我们在试点现场也开展了有序充电的效果验证的相关工作,从上边这个图可以看出来,绿色的这个曲线就是居民的用电负荷曲线,没有充电的情况下峰值是比较低。峰值最高的红色曲线是所有车辆进行无序充电的情况,我们可以看到充电负荷曲线跟居民的这个负荷曲线峰峰添加会造成峰值很高。蓝色的曲线是所有车辆采用有序充电,这个峰值就会削掉很多,相对于无序充电的红色曲线来说,实现了削峰填谷作用。另外,它还提高了配电资产的利用率。

针对前期的研究和试点情况,下一步还有很多工作要展开。2019年国网公司会扩大有序充电的试点应用,同步也要完善相应的标准体系,包括设备层面、通信层面、系统以及现场建设方面的标准。

谢谢大家! 

关键字:储能大会

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