刘晓飞 张千帆 崔淑梅

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150080）

1 V2G的概念

现在的电网实际上效率并不是非常高，因为一是成本较高，再就是容易造成浪费[1]。其中一部分问题是由每天发生的负荷需求波动和需要对电网进行电压及频率调节引起的。当电网需求超过基本负荷发电厂的容量时，由于电网本身并没有足够的电能存储，调峰电厂就会投入运行，有时候旋转备用也会参与其中。而当电网需求较低时，用电量会低于基本负荷发电厂的输出，这样那些未被使用的能量均会被浪费掉。此外，对电网进行的电压和频率调节在很大程度上增加了电网的运营成本。

目前，可再生能源系统（如太阳能，风能等）正被大量接入电力系统中[2]。由于可再生能源自然的不连续性会引起发电的波动，迫切需要其他能源（如电池能量存储系统）进行补偿，以平滑可再生能源的自然可变性，保证电网频率的稳定并抑制由反向功率流引起的电压上升。

V2G的概念就是针对上述问题提出的，其核心思想就是利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲，如图1所示。当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量，避免造成浪费。通过这种方式，电动汽车用户可以在电价低时，从电网买电，电网电价高时向电网售电，从而获得一定的收益。

图1 V2G示意图Fig.1 The schematic of V2G

现在，插电式混合动力汽车（PHEV）和纯电动汽车（EV）正慢慢进入市场。由于这些汽车上均装有较大容量的电池，可以考虑让它们在停车时为电网提供能量缓冲，因为大多数汽车每天有大约22小时是处于停止状态的，在这段时间内它们代表了一种闲置资产[3]。而当这些汽车的数量足够大时，其电池的总容量是相当巨大的，因而可以将其作为电网以及可再生能源系统的缓冲。

但是，电动汽车并不能随意地、毫无管理地接入到电网中，这是因为如果电网正处于峰值负荷需求，大量汽车的充电要求必然会对电网产生极其严重的影响[4]；对于汽车而言，除了为电网提供辅助服务外，还必须能够满足日常的行驶需求。因此在向电网馈电的过程中，还必须兼顾汽车自身的能量存储状态，以避免影响汽车的正常使用。综合上述两个方面，非常有必要对电动汽车V2G进行研究，协调汽车与电网间的充电和放电，使得既不会影响电网的运行，也不会限制汽车的正常使用。

2 V2G的可行性研究

早在20世纪90年代，人们便注意到电动汽车不同于电网中的其他电负荷，它们具有高度的移动性和不可预测性，因而电动汽车的大量接入会对电网产生影响。但由于当时的技术条件所限以及电动汽车数量较少，研究还只处于初始阶段，且没有提出可行的解决方案。

V2G的概念是由Amory Lovins在1995年提出的，特拉华大学William Kempton教授对其进一步发展。近年来由于PHEV和EV的广泛使用以及电池技术的进步，V2G越来越受到人们关注。但是，电动汽车作为日常负载可能会增加电网负担，并需要增加基础设施投资。所以针对此问题，开始涌现出大量文献对V2G的可行性进行评估。

2005年，美国特拉华大学（University of Delaware）的Willett Kempton研究了V2G的基础问题：容量计算和净收益。研究表明，V2G的工程原理和经济利益是引人注目的[5]。同年，他还研究了V2G的实现问题：稳定电网和支持大规模可再生能源[6]。

2009年，德国的Dirk Uwe SAUER等人发表文章展示了德国电力工程协会的研究成果[7]。文章重点关注的是V2G在移动存储中的可能影响。结果表明，由电动汽车与控制系统相结合形成的移动存储系统能够部分替代静止存储系统，负荷周期可在一秒到一天的范围内。

对于V2G的研究除了理论分析之外，还出现了很多实际系统的设计与尝试，其中比较著名的是特拉华大学等联合机构利用单台汽车进行 V2G运行的试验[8]。

通过对V2G的评估可以看出，利用电动汽车电池作为电网储能源是可行的，不论是从工程上还是从经济上，V2G的效益都是引人注目的。从直接效益来看，通过V2G可以：①利用电动车电池作为电网的缓冲，为电网提供辅助服务，如调峰、无功补偿等；②能为车主提供额外的收入，抵消购买电动汽车的部分花费，有利于清洁汽车的普及；③可以增加电网稳定性和可靠性，降低电力系统运营成本。此外，从长远来看，V2G能减少对新发电基础设施的投资；还可以产生能量存储缓冲，从而为可再生能源提供支持；由于电动汽车的大量使用可以减少温室气体的排放。

总而言之，将电动汽车与电网智能地结合起来，利用电动车的储能系统为电网服务（即V2G）是可行的。当然，必须对电动汽车的充放电过程进行合理的、智能化的管理，才能使其为电网更好地服务。

3 V2G的实现方法

通过评估，知道利用电动汽车的电池实现V2G是可行的。那么，要实现V2G需要采用什么样的方法呢？

现在的电动汽车具有多样性的特点，种类繁多、用途各异，电动车不同所采用的供电方式也不相同，这就决定了V2G具有不同的实现方法。根据应用对象的不同，可以将V2G实现方法分成四类。

3.1 集中式的V2G实现方法

所谓集中式的 V2G是指将某一区域内的电动汽车聚集在一起，按照电网的需求对此区域内电动汽车的能量进行统一的调度，并由特定的管理策略来控制每台汽车的充放电过程，例如，修建供V2G使用的停车场。从文献来看，按此种方式进行研究的较多。

对于集中式的V2G，可以将智能充电器建在地面上，这样能够节约电动汽车的成本。同时，由于此种方式采用统一的调度和集中的管理，可以实现整体上的最优，例如通过先进的算法可以计算每台汽车的最优充电策略，保证成本最低及电力最优利用。

3.2 自治式的V2G实现方法

自治式V2G的电动车经常散落在各处，无法进行集中的管理，因而一般采用车载式的智能充电器，它们可以根据电网发布的有、无功需求和价格信息，或者根据电网输出接口的电气特征（如电压波动等），结合汽车自身的状态（如电池 SOC）自动地实现V2G运行。日本东京大学的Yutaka Ota等人就是采用这种方法[9]，他们提出一种自主分布V2G方法，实现了能量的智能存储，装置结构如图2所示。

图2 自治式V2G的电动汽车Fig.2 Autonomous V2G Electric Vehicle

自治式V2G一般采用车载的智能充电器，充电方便，易于使用，不受地点和空间的限制，自动地实现V2G。但是，每一台电动车都作为一个独立的结点分散在各处。由于不受统一的管理，每台电动车的充放电具有很大的随机性，是否能保证整体上的最优还需进一步研究，此外，车载充电器还会增加电动汽车的成本。

3.3 基于微网的V2G实现方法

按照美国电气可靠性技术解决方案联合会（CERTS）的定义，微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微网内部电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。

基于微网的V2G实现方法，实际上是将电动汽车的储能设备集成到微网中，它与前边两种实现方法的区别在于，这种V2G方法作用的直接对象不是大电网，而是微网。它直接为微网服务，为微网内的分布电源提供支持，并为相关负载供电。

新西兰奥克兰大学的Udaya K. Madawala等人将电动汽车集成到家庭住宅供电网络中，该网络包括风能、太阳能等分布式发电，并与外部大电网相联接[10]。它能利用电动汽车支持可再生能源并向家庭和商业用户供电。

3.4 基于更换电池组的V2G实现方法

此外，还有一种基于更换电池组的V2G实现方法，其源于更换电池组的电动汽车供电模式，如图 3所示。它需要建立专门的电池更换站，在更换站中存有大量的储能电池，因而也可以考虑将这些电池连到电网上，利用电池组实现V2G。

图3 更换电池组的方法Fig.3 The method of exchanging battery pack

这种方法的原理类似于集中式V2G，但是管理策略上会有所不同，因为电池最终是要用来更换的，所以必须确保一定比例的电池电量是满的。它融合了常规充电与快速充电的优点，在某种意义上极大弥补了电动汽车续驶里程不足的缺陷，但是它迫切需要统一电池及充电接口等部件的标准。

4 V2G涉及的关键问题

4.1 从电网角度对V2G进行智能调度

研究表明，采用V2G的供电策略，可以使电网的发电量需求增加最少，并使基础设施投资最少。那么，从电网的角度，又该如何对电动汽车的储能源进行规划与调度呢，这是一个亟待解决的问题。

这个问题的实质是如何对各个 V2G单元以及电网其他发电单元进行调度的问题。电网各个发电单元的作用不相同：容量较大的发电单元价格便宜，但是响应速度慢，适用于提供基本负荷；容量较小的单元价格昂贵，但响应速度快，一般用于峰值负荷。因而规划的作用就是利用V2G尽可能减少电网对昂贵发电单元的依赖，并减少无功补偿装置的使用。这就需要电网根据自身的负荷状况、可再生能源的发电状况以及V2G单元可用容量等信息，事先计算出对各V2G单元的有功和无功需求，并给出合理的电价。

对此问题的处理可以分为两种方式，第一种是由电网直接对接入的每台电动车连同其他发电单元进行统一调度，采用智能的算法来控制每台汽车的V2G运行。美国密苏里理工大学的 Ahmed Yousuf Saber等人就是采用这种方式[11]。但是，这种方式会使问题变得异常复杂。此外，这种方式是从电网的角度来考虑的，并没有从用户的角度进行分析。

针对上述问题，韩国Konkuk大学Sekyung Han等人采用了第二种方式，即在电网与电动汽车群之间建立一个中间系统，称为 Aggregator[12]。该中间系统将一定区域内接入电网的电动汽车组织起来，成为一个整体，服从电网的统一调度。这样电网可以不必深究每台电动车的状态，只需根据自己的算法向各个中间系统发出调度信号（包括功率的大小、有功还是无功以及充电还是放电等），而对电动汽车群的直接管理，则由中间系统来完成。

4.2 从用户角度对V2G进行智能充放电管理

上述电网对电动汽车储能源供能的调度，是从电网的角度来进行的。其直接受益者是电力供应商和运营商，并没有考虑电动车用户的利益。此外，上述规划只讨论了电网与中间系统，并没有涉及单独每台电动汽车的V2G运行。因此还需要研究中间系统对每台电动车的智能充、放电管理策略。

电动汽车 V2G的智能充放电管理策略描述的是这样一个过程：中间系统根据电动汽车的充电需求对能量进行合理的供应，同时根据电网需求将电动汽车能量反馈给电网[13-15]。对于每一台与电网相连的电动汽车而言，一方面要通过V2G来提供辅助服务，另一方面还要从电网获取能量为电池充电。但是，不论是提供辅助服务（放电）还是从电网获取能量（充电），其过程并不是随意地，毫无限度的，它需要实时考虑电动汽车当前及未来的状况，如电池SOC、未来行驶计划、当前的位置、当前电力价格以及连网时间等信息。这样做是为了在保证正常行驶的前提下使用户获得最优。

针对这些问题，日本东京大学的 Sekyung Han等人针对V2G频率调节服务，提出了一种最优的集成策略（Aggregator），它能够充分利用电动汽车的分布功率来供给电网[12]。但该策略只是针对频率调节，如果应用于其他服务，还需要另外进行修改。美国密苏里理工大学的Chris Hutson等人提出了一种智能的方法来安排使用PHEV和EV的可用能量存储[16]。采用二元粒子群最优的方法计算出一天内合适的充放电时间，并使用California ISO数据库的价格曲线来反应真实的价格波动。美国密苏里理工大学的Ahmed Yousuf Saber等人研究了在受限停车场内的V2G管理问题，采用现代智能控制方法对此问题进行解决[17]，减少了运营成本，增加了旋转备用，提高了电网的可靠性。

综上可知，对于电动汽车智能充放电管理策略的研究，主要涉及如何对各电动车进行协调充电；制定管理策略寻找最大化车主利益的最优方案，例如在电价便宜时为电动车充电，电价昂贵时向电网提供服务。从文献来看，所采用的大多数管理策略只适用于V2G运行的某一方面，有的适用于频率调节，有的适用于调峰，并没有提出一个统一的策略。另外，电动汽车限制条件对管理策略的制定具有很大的影响，现在的研究为了使问题简化往往只考虑电池的容量及SOC限制，而对于其他限制因素（特别是用户使用行为）论述较少。

4.3 V2G双向充电器

要使电动汽车实现V2G，需要在电网和汽车间配备双向的智能充电器。此双向充电器必须具有为电动汽车电池充电的功能，同时产生最小的电流谐波，也应具有根据调节向电网回馈能量的能力。

一般来讲，双向充电器由滤波器、双向DC-DC变换器以及双向 AC-DC变换器组成。当充电器工作于电池充电模式时，交流电首先通过滤波器滤除不期望的频率分量，然后通过双向 AC-DC变换器将交流整流成直流。由于双向 AC-DC变换器的输出电压可能与直流储能单元的电压不匹配，还需要一个双向 DC-DC变换器来保证合适的充电电压。当变换器工作于电池放电模式时，其过程则恰好相反。

从文献来看，对于双向充电器的研究主要集中在拓扑结构的选择与集成以及控制策略的探讨。其目的是为了在保证充电器正常功能的条件下，尽可能提高效率、降低成本、减少体积和重量，并使总谐波畸变最小。

美国橡树岭国家实验室的Lixin Tang和Gui-Jia Su给出了一种低成本车载充电器，其思路是利用现有的主拖动电机和辅助电机及相关电力电子系统来构成充电电路。该充电器不需要额外的充电电路，因而能显著降低成本、重量和体积[18]。美国国家可再生能源实验室的 Bill Kramer等人给出了一种集成电机控制器和充电器的结构，该结构既可以作为电机控制器使用，还可以用作双向的充电器[19]。田纳西工业大学的Sharanya Jaganathan提出了一种基于三电平AC-DC和双向DC-DC变换器的电池充电系统，并设计了脉冲充电控制器为电池充电，仿真结果表明该系统大大降低了谐波[20]。美国的Young-Joo Lee等人提出了一种新型的集成双向AC-DC和DC-DC的充电器，此集成变换器减少了大电流电感和电流传感器的数量，并能提供故障电流容差，但此电路结构较改进前效率略有降低[21]。北卡罗莱纳州立大学的Xiaohu Zhou等人提出了一种改进的AC-DC控制策略，与传统PI控制器相比，大大提高了联网控制器在低谐波输出和抑制背景噪声鲁棒性方面的性能[22]。此外，Yu Du和 Xiaohu Zhou等人还针对半桥变换器很难在宽电池电压范围内维持高效率的问题，并提出了变频 PWM的控制方案[23]。

综上可以看出，对于双向充电器的研究主要包括以下几个方面：

（1）变换器结构的研究，包括结构的选择以及双向DC-DC、双向AC-DC变换器的集成，还有就是如何利用现有牵引驱动系统完成双向充电的功能。

（2）并网谐波的抑制问题，包括三电平结构的应用以及新控制策略的研究。

（3）充电器宽电压运行范围内的效率问题。

4.4 V2G运行对电池的影响

如前所述，电动汽车的拥有者可以通过V2G向电网回馈能量，从而产生一定的收益。但是，实际上这些收益的一部分是以 V2G设备的损耗为代价的，特别是车载电池的损耗。现有电池的寿命是一定的，不断对电池进行充电和放电必然会使其可用次数减少，容量降低。所以需要研究V2G运行对电池寿命的影响。

田纳西大学的Mithat C. Kisacikoglu等人研究了电动车对电网进行无功补偿运行时对电池的影响情况[24]。仿真表明利用Level1的方法进行充电，可以在不对电池产生任何功率需求的条件下实现无功补偿，而且不会对电容产生不利的影响。进一步的研究需要探讨在较大功率等级下进行无功补偿是否会对电池产生不利影响。

目前，并没有相对完善的模型来评估V2G运行对电池寿命的影响，研究只是针对V2G某一个方面来进行的，V2G运行的其他方面以及大功率的情形有待进一步讨论。

5 国内研究现状

在国内，V2G还是一个比较新的概念，作为智能电网重要的组成部分，其各项研究仍处于起步阶段[25]。虽然我国还没有制定出 V2G建设的相关发展战略，但智能电网建设的一些研究成果实际上为V2G的发展提供了重要的参考，例如，2010年上海世博会，国家电网展示了V2G在世博智能电网中的应用。

目前，国内涉及V2G研究的机构较少，上海市电力公司技术与发展中心是较早开展此项研究的机构之一。从总体来讲，国内对V2G的研究主要侧重于可行性分析、整体结构的描述及各组成部分功能分析等，而对其具体的实现技术则涉及较少，零星分布在数量不多的文献内。文献[26]研究了电动汽车动力电池参与电网调峰的应用问题，并建立了V2G系统的模型为今后的研究提供参考。文献[27]阐述了电动汽车充放电控制策略的总体思路，并针对某一特定区域给出了一种 V2G充放电控制策略算法的具体实现。河海大学的王丹等提出了一种基于低谷填入思想的插电式混合动力汽车集中充电算法，并给出了数学模型，通过算例仿真和效益分析表明系统侧和用户侧能够实现双赢[28]。

可以看出，国内对 V2G的研究还处于起步阶段，对于V2G所涉及的关键问题论述较少，仍有大量的基础研究工作需要展开。

6 结论

V2G不论是从工程上还是从经济上，其效益都是引人注目的。将V2G的实现方法分成四类，有利于根据不同对象灵活的选择实现方法。V2G四个关键问题分别涉及四种关键技术：V2G智能调度技术、智能充放电管理技术、电力电子技术以及电池管理技术。同时装置的集成化、高效率和低成本等也是其重要的发展方向，未来必将与智能电网相结合，向智能化、信息化的趋势发展。

目前，我国正大力发展电动汽车产业，考虑到现阶段我国智能电网的发展水平，V2G的发展可适当参考以下三条建议：

（1）在建设智能电网的进程中，加紧制定V2G发展的战略规划，并加强对V2G的基础研究。

（2）在建设电动汽车基础设施过程中，尽量将V2G的因素考虑在内。

（3）先在小规模的微电网内建立V2G试点工程，然后考虑扩大规模，最后将其推广到整个大电网中。

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