電動汽車與智能電網(wǎng)從V2G到B2G的全新結(jié)合模式

隨著石油資源的枯竭以及可再生能源技術的迅猛發(fā)展，發(fā)展新能源汽車，尤其是純電動汽車已經(jīng)是大勢所趨[1-2]。作為未來電網(wǎng)中比重龐大的負荷，同時又兼具大規(guī)模能量存儲能力的電動汽車動力電池，在實現(xiàn)智能電網(wǎng)的過程中，勢必要扮演一個舉足輕重的角色[3-5]。

　　電動汽車及其動力電池對于智能電網(wǎng)扮演著2種不同的角色，電動汽車的動力服務作為一項龐大的負荷，將可能占據(jù)整個電網(wǎng)負荷的極大比重，其運行對于電網(wǎng)安全會產(chǎn)生重大影響;而另一方面，電動汽車的動力電池作為一種儲能裝置，其能量存儲的總量對于電網(wǎng)來說又是一種保障和優(yōu)化電網(wǎng)運行的積極資源[6]。因此，如何讓電動汽車及其動力電池在這2 種角色之間平穩(wěn)自由的轉(zhuǎn)換，成為智能電網(wǎng)與電動汽車相結(jié)合的關鍵問題之一。具體體現(xiàn)為怎樣合理安排電動汽車這種負荷以及怎樣優(yōu)化動力電池這種儲能裝置的運行。當電動汽車作為負荷時，可以通過技術手段和經(jīng)濟手段合理安排充電時間，實現(xiàn)有序充電管理，達到移峰填谷的效果，提高系統(tǒng)運行效率，減少對電網(wǎng)安全的影響;當動力電池作為儲能裝置時，可以將其作為系統(tǒng)的備用容量，或者峰荷時向電網(wǎng)提供電量，優(yōu)化電網(wǎng)運行，提高系統(tǒng)的安全可靠性。在這種背景下，V2G(vehicle to grid)的概念應運而生。顧名思義，V2G 是指與電網(wǎng)相連接的電動汽車(Vehicle)作為一種分布式負荷和電源，可以向電網(wǎng)(Grid)釋放存儲在其動力電池內(nèi)的電能，從而為優(yōu)化電網(wǎng)運行和安全提供積極支持[7]。在這一概念的驅(qū)動下，學術界進行了大量以V2G 為基礎，對運行模式、充放電技術以及與可再生能源發(fā)電相結(jié)合實現(xiàn)有序充電管理等問題進行了深入的研究[7-13]。

　　然而，從V2G 命名本身強調(diào)車輛(Vehicle)來看，就可以發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)思維中，一直將車輛與電池作為一個整體來看待，將充放電的主體始終默認為車輛。在這種思維方式下，人們將一些電動汽車本身的屬性也默認成了動力電池的屬性。電動汽車分屬于千百萬不同的用戶，其具有明顯的移動、分散以及相應的與電網(wǎng)連接的時間和地點的不確定性。由于電動汽車的產(chǎn)權分屬于不同用戶，電動汽車接入電網(wǎng)及其充放電的操作權限也相應的歸屬于不同用戶，造成了分布式?jīng)Q策的局面。同時，車輛作為人們?nèi)粘Ｉ畹墓ぞ?，其連接入電網(wǎng)的位置勢必廣泛分布于配電網(wǎng)，而其作為分布式電源向電網(wǎng)輸送電能必然造成配電網(wǎng)潮流的復雜變化，為配電網(wǎng)的運行帶來諸多不確定的沖擊和影響。將這些車輛的屬性等同看成電池的屬性，造成了V2G 實施中面臨的一系列困難和障礙，很多研究一直延續(xù)這種思維方式，試圖從這些束縛中尋找突破。

　　實際上，如果大膽的突破原有的思維模式，在電動汽車與動力電池之間進行解耦，就會發(fā)現(xiàn)那些對于電動汽車的諸多束縛對于動力電池其實并不存在。在擺脫這些束縛之后，通過建立大型集中儲能充電站，可以實現(xiàn)動力電池直接向電網(wǎng)輸送電能。因此，在V2G 的基礎上，可以擴展出一種新的概念，將其命名為B2G(Battery to Grid)。B2G 揭示了電動汽車動力電池與電網(wǎng)交互的本質(zhì)，而去除了車輛屬性的束縛，擺脫V2G 概念的局限性。實際上，V2G是B2G 的一種特例或者存在形式，V2G 的本質(zhì)依然是電池與電網(wǎng)的能量交互，只是由于V2G 特殊的存在形式造成了諸多的束縛和問題。作為對V2G 的擴展和升級，除了V2G 之外，B2G 也可以包括集中充電的動力電池與電網(wǎng)的能量交互。

　　本文將集中充電的動力電池與電網(wǎng)的能量交互作為B2G 的重點進行論述，無特殊說明時，文中所述B2G 均指這種運行方式。本文以V2G 為基礎闡述其產(chǎn)生和特點，論述實現(xiàn)該B2G 在商業(yè)模式上、運行管理上、技術條件上面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決途徑。并以B2G 為基礎，展望在此基礎上智能電網(wǎng)未來可能的發(fā)展愿景。

　　1 電動汽車與動力電池的解耦

　　電動汽車與動力電池的解耦主要體現(xiàn)在3 個方面：資產(chǎn)關系解耦、時間解耦和地點解耦。通過資產(chǎn)關系解耦，首先解決對于動力電池充放電的決策權問題，而通過電動汽車的動力服務與電池充放電在時間和地點上的解耦，解決電動汽車本身移動、分散的特點與電池充放電過程精確計劃與控制之間的矛盾。

　　1)資產(chǎn)關系解耦。與燃油汽車相似，用戶在購買汽車時，并不愿意為了確保能夠獲得固定數(shù)量的燃油供應而額外支付一筆保證費用，因此對于電動汽車來說，讓用戶為確保獲得電能供應而單獨為電池付費并不完全合理[14]。此外，電池的所有權也直接決定了對于電池的充放電操作的決策權，資產(chǎn)關系的解耦是其他解耦和技術路線的前提，只有專業(yè)的充換電運營公司掌握了電池的所有權，才能更好地避免汽車用戶的意愿對電池利用的限制和約束，同時大大降低決策的復雜程度和主體數(shù)量。

　　2)電動汽車動力服務與電池充放電操作的地點解耦。由于動力電池的充電時間過長而無法滿足人們快捷的動力服務的需求，電池更換模式徹底打破了電動汽車與電池一體化的思路，使電動汽車的動力服務與動力電池的充放電操作可以完全在不同的地點進行。由于分屬于不同的所有者以及不確定的使用方式，電動汽車接入配電網(wǎng)的地點也同時具有分散和不確定的特點。而通過換電模式實現(xiàn)地點解耦，使得動力電池的充放電有可能擺脫對配電網(wǎng)的依賴和沖擊，避免分散和隨機而采用集中的方式，以避免諸多不確定性因素的影響。

　　3)電動汽車動力服務與電池充放電操作的時間解耦。電動汽車整車充電模式下，動力電池連接入電網(wǎng)充放電的時間與電動汽車運行行駛的時間難免會形成矛盾，而電網(wǎng)由于自身運行安全和成本效益的考慮，對動力電池充放電的時間又具有特殊的要求。因此在V2G 中，很多技術和方法都是針對這種矛盾來尋求2 者在時間上的平衡，但這種平衡畢竟是在約束下的有限度的平衡。因此，換電模式將電動汽車動力服務與電池充放電操作進行了時間解耦，對于電網(wǎng)而言，解決了其利用動力電池優(yōu)化運行和安全的最大障礙。

　　圖1 中，將資產(chǎn)關系、時間以及地點3 種屬性用三維空間的方式來表示電動汽車與動力電池的解耦關系。在整車充電的模式中，電動汽車與動力電池的這3 種屬性基本相同，而解耦之后2 者可以完全具有不同的空間屬性。

　　由以上分析可以看到，從V2G 到B2G 的發(fā)展，對應了從整車充電到更換電池模式的轉(zhuǎn)變，人們逐漸地意識到電動汽車與動力電池的資產(chǎn)關系并非先天的不可分割，而動力服務與電池的充放電操作的時間和地點也并非必然一致。而V2G 在資產(chǎn)關系、時間和地點上將電動汽車與動力電池僵化看待為一體，也因此造成了其實踐中所要面對的諸多困難。例如，由于資產(chǎn)關系的約束，V2G 要面對決策變量和決策主體數(shù)量維數(shù)爆炸的困擾，對于用戶參與和資源統(tǒng)計以及控制的態(tài)度不確定性的影響;由于地點的約束，各充放電地點廣泛分散在配電網(wǎng)，且由于接入地點的隨機性，造成了對配電網(wǎng)諧波和潮流等不確定性的沖擊和影響;由于時間的約束，電網(wǎng)對于電池充放電時間的要求因為用戶行駛需求和意愿的約束變得難以實現(xiàn)和平衡，且為實現(xiàn)這種溝通和平衡，其所消耗的資源和成本也會非常龐大。然而，通過3 種關系的解耦，在B2G 的模式下，這些問題就會迎刃而解。

　　2 實現(xiàn)B2G 的基本要素

　　2.1 商業(yè)模式實現(xiàn)B2G的3 種基本解耦都與電動汽車動力服務的商業(yè)模式息息相關。為實現(xiàn)資產(chǎn)關系的解耦，動力電池不再作為汽車用戶的私有財產(chǎn)，而僅僅是提供動力服務的工具，則必須由一個具有足夠規(guī)模和實力的運營實體來承擔購買和維護大量動力電池的成本。此外，由于電動汽車需要一個逐步發(fā)展和普及的過程，而動力服務的基礎設施建設，包括動力電池的采購和供應，要適度超前于電動汽車的普及和使用，因此成本的回收和經(jīng)濟效益的顯現(xiàn)需要一個漫長的過程。所以建立這樣一個運營實體需要由具備強大經(jīng)濟實力而同時又擔負巨大社會責任的企業(yè)實體來承擔。

　　此外，為了實現(xiàn)有序集中充放電，電網(wǎng)調(diào)度需要具有直接調(diào)度電池集中充放電的能力，而電池的資產(chǎn)關系與其決策權緊密相關，只有在電網(wǎng)公司具有對電池資產(chǎn)管轄權的情況下(無論是直接的或是間接的)，才有可能使電網(wǎng)具有全面調(diào)度電池充放電，并將其作為優(yōu)化智能電網(wǎng)運行資源的完整權限。因此，由電網(wǎng)公司來組織負責專業(yè)電動汽車運營服務公司的組建，并將其作為自身業(yè)務的延續(xù)，才能完全發(fā)揮B2G 技術的作用。

　　進一步的，電動汽車的動力服務與動力電池的充放電操作在地點和時間上的解耦，實際上意味著整個運營服務體系的網(wǎng)絡化結(jié)構(gòu)，整個服務網(wǎng)絡的各個節(jié)點根據(jù)全系統(tǒng)網(wǎng)絡化服務需要分別承擔不同的功能，而電池作為系統(tǒng)共有資源在整個網(wǎng)絡中流動和調(diào)配。網(wǎng)絡化的充換電服務體系在國外已經(jīng)開展了實踐和應用[14]，打破點對點的服務方式，利用網(wǎng)絡化的連接和協(xié)調(diào)能力，利用網(wǎng)絡的內(nèi)部分工和整體結(jié)合，突破各站單一獨立服務模式下現(xiàn)有電池技術對動力服務能力的制約。而在此基礎上發(fā)展B2G 技術，也可以解決充換電網(wǎng)絡與電網(wǎng)之間在資源利用上的沖突。通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術建立完全覆蓋電動汽車、動力電池以及充換電設施網(wǎng)絡的完整信息網(wǎng)絡，將電動汽車充換電服務與智能電網(wǎng)運行完美的結(jié)合起來。圖2 是一種3 層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，由車聯(lián)網(wǎng)、電池物聯(lián)網(wǎng)以及充換電設施網(wǎng)絡構(gòu)成，而充換電設施網(wǎng)絡從廣義上講也是智能電網(wǎng)的一部分。各層網(wǎng)絡的實體之間通過運行服務進行動態(tài)關聯(lián)，例如電動汽車與電池之間在發(fā)生動力服務時產(chǎn)生動態(tài)關聯(lián)，當電池被更換后這種關聯(lián)結(jié)束;電池與充換電設施在充換電運行時發(fā)生動態(tài)關聯(lián)，當充放電結(jié)束后這種關聯(lián)結(jié)束。

　　2.2 大型集中儲能充電站的關鍵技術

　　1)選址。大型集中儲能充電站可以根據(jù)其功能定位和具體條件進行選址。一般可借助于35.kV以上的變電站進行建設，可以解決場地和容量的限制。如果希望與可再生能源發(fā)電配合運行，例如風電，也可在條件允許時選擇與風電場一起合理規(guī)劃布局，使該電站同時肩負充電以及通過儲能改善風電場并網(wǎng)運行的雙重功能，從而實現(xiàn)優(yōu)化配置資源。

　　2)大功率充放電裝置。與一般的綜合性換電站不同，大型集中儲能充電站的充放電規(guī)模和容量都要更加龐大，這就需要研發(fā)和建設大功率的充放電裝置和網(wǎng)絡。此外，與V2G 向配電網(wǎng)放電不同，大型集中儲能充電站依托于高壓變電站，其放電地點可能位于高壓輸電網(wǎng)絡。因此，與V2G 以每一臺電動汽車為基本控制單元不同，B2G 的放電基本控制單位可能需要具有相當大的容量和規(guī)模才能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，這也需要集中充電站在建設和管理方式上與其相適應。

　　3)諧波治理。諧波是電動汽車充放電的固有產(chǎn)物，也引起了學術界的廣泛關注和研究。但是，在集中充電站，諧波的規(guī)模和幅度可能要遠遠超出在配電網(wǎng)進行的整車充放電。然而，同時這也為諧波的集中治理提供了契機，避免了諧波在配電網(wǎng)中的分散和傳播。目前高壓直流輸電中成熟的大功率交直流轉(zhuǎn)換技術以及諧波治理技術，都可以為建設集中儲能充電站的大功率充放電裝置和諧波治理提供技術支持。

　　4)電池數(shù)量以及容量配置。在建設大型集中儲能充電站中，如何規(guī)劃電池的數(shù)量以及充電設施的容量也是重要的技術挑戰(zhàn)。如果系統(tǒng)不僅擔負著電動汽車的動力服務，而且還擔負著為電網(wǎng)優(yōu)化運行以及提供儲能服務的職責，則其電池的數(shù)量和充放電設施容量，在滿足電動汽車動力服務需求的基礎上，還需要具有一定的冗余。一方面，集中充電站為了實現(xiàn)削峰填谷只能選擇有限的時段進行充電;另一方面電池作為儲能裝置不能完全投入電動汽車的動力服務，所以合理的配置電池資源和容量顯得尤為重要。

　　2.3 一體化綜合調(diào)度決策

　　通過由電網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)度大型集中儲能充電站的電池充放電，是實現(xiàn)基于B2G 的有序充放電管理的明顯特征，也是其克服V2G 分散、難以計劃以及難以控制的核心方法。但是要實現(xiàn)電池集中充放電的調(diào)度，勢必要保證電池資源能夠按照調(diào)度計劃進行配置，且不影響充換電服務網(wǎng)絡的正常運行。而這種配置要依靠電池配送調(diào)度來實施和保障。電池的配送要依靠配送車輛來實施，而如何組織和調(diào)度配送車輛既涉及到配送調(diào)度能否實施，也涉及到調(diào)度的成本。

　　通俗地講，電池集中充放電的運行調(diào)度要解決在什么時間、什么地點為多少電池充入多少電量，或利用多少電池釋放多少電量。而電池的配送調(diào)度則要保證在運行調(diào)度所指定的時間地點，有充足的電池資源以供電網(wǎng)調(diào)度實施其運行規(guī)劃，而同時在充換電服務網(wǎng)絡的各個服務站點都具有足夠的電池資源以滿足電動汽車動力服務的需要。為了保障電池調(diào)度規(guī)劃的實行，配送車輛調(diào)度既要滿足電池配送調(diào)度計劃的順利執(zhí)行，又要優(yōu)化配送調(diào)度的成本。因此這3 種調(diào)度并非彼此孤立，而是環(huán)環(huán)相扣的。正是這3 種調(diào)度的一體化設計和執(zhí)行，才能夠使電動汽車的充換電服務網(wǎng)絡與電網(wǎng)緊密地結(jié)合在一起，彼此形成良性互動，而非彼此制約和負擔。

　　如圖3 所示，3 種調(diào)度之間的關系可以用3 層模型來表示，車輛調(diào)度處于最底層，為電池配送調(diào)度提供運力支撐，電池配送調(diào)度為集中充放電運行提供電池資源支撐，而集中充放電運行調(diào)度可以理解為未來智能電網(wǎng)調(diào)度的一部分。整個調(diào)度體系在調(diào)度規(guī)劃階段需要綜合決策，不能彼此在決策流程和次序上完全分離，應根據(jù)動力服務需求、電網(wǎng)運行效益以及配送成本的優(yōu)化進行一體化的協(xié)調(diào)和決策。

　　3 基于B2G 的有序充放電管理

　　有序充電這一概念本身是站在電網(wǎng)的角度來審視電動汽車動力電池的大規(guī)模充電問題，而對于電動汽車及其用戶而言，并不存在“有序”或“無序”的區(qū)別。如果動力電池的充電負荷按照電網(wǎng)調(diào)度的期望實現(xiàn)有序管理，達到可預測、可調(diào)度和可控制，不僅可以大大減少投入，甚至還可以優(yōu)化電網(wǎng)運行效率。此外，動力電池作為儲能裝置在必要時向電網(wǎng)提供電能支撐，還可以進一步優(yōu)化電網(wǎng)的運行效率以及安全保障。但是在整車充電和V2G模式之下，因為電池的所有權和充電的決策權在用戶手中，用戶基于其自身的未來行駛需求各自分散進行充電決策，預測這種充電負荷時間和地點的分布勢必會面臨巨大的不確定性。而要引導用戶按照電網(wǎng)運行所期望的方式(時間、地點)進行充電，需要借助一系列的政策和服務作為手段，借助于需求側(cè)管理的方式實現(xiàn)對于充電負荷的調(diào)度，但這種調(diào)度無論是在精度還是有效性上都難以獲得保障。在引入V2G 之后，要實現(xiàn)對大規(guī)模分散的電動汽車及其動力電池進行精確放電控制，所需要的通信網(wǎng)絡建設和技術的難度與成本都將是巨大的。

　　然而，基于電池更換和B2G 的模式，由于電池被集中充電，其充電的容量和時間等因素完全由調(diào)度直接指定，其作為充電負荷或放電電源的容量對于電網(wǎng)調(diào)度而言是完全明確的，其預測的精度將是其他傳統(tǒng)負荷無法比擬的。而電動汽車運營服務公司作為電力公司的下屬企業(yè)，電網(wǎng)調(diào)度可以擁有對于所有電池運行的直接調(diào)度和管理權限，這種調(diào)度不需要其他任何附加的管理和技術成本，而且高效可靠。此外，要實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度對于電池充放電的直接控制，在集中充電的模式下，可以集中建設通信網(wǎng)絡，其控制的成本和控制算法的復雜性都要遠低于V2G 模式。具體的，在B2G 模式下的有序充放電管理，要特別關注以下幾點問題：

　　1)負荷預測。與以往研究相比[15]，集中充電的動力電池是一種特殊的負荷。對于電網(wǎng)調(diào)度而言，不僅其規(guī)模和容量可以精確預測，其充電的時間地點在相當程度上也可進行決策和調(diào)度。運營服務公司根據(jù)預測的未來周期內(nèi)動力服務所需要的動力電池總量，結(jié)合系統(tǒng)電池配置的數(shù)量和冗余情況，制定未來周期內(nèi)的動力電池充電的總量規(guī)劃并上報電網(wǎng)。這些動力電池充電負荷作為未來負荷預測的一部分供電網(wǎng)調(diào)度進行調(diào)度規(guī)劃使用，但是電網(wǎng)調(diào)度在滿足時間和總量的前提之下，可以制定和調(diào)整這些動力電池充電的時間和地點，具體可以將這些負荷看作出力為負數(shù)的機組來參與調(diào)度。

　　2)機組組合。在考慮電池作為電源可向電網(wǎng)放電的模式之下，電網(wǎng)調(diào)度在制定機組組合計劃時將不得不將其納入規(guī)劃體系之內(nèi)。但是在V2G 模式之下，由于各電動汽車的分散和自主決策，如果將每一臺電動汽車都作為獨立電源，那么機組組合問題的變量維度將空前龐大，從而使問題難以求解[16]。在B2G 模式之下，集中充電站可以被看作一座發(fā)電廠，根據(jù)其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和最小控制規(guī)模與范圍，將所有電池看作有限數(shù)量的機組，可以在傳統(tǒng)的機組組合算法的支撐下便捷地完成新的機組組合計劃。

　　3)潮流分析。動力電池無論是作為充電負荷還是放電電源，都會對電網(wǎng)潮流產(chǎn)生巨大的沖擊。在整車充電和V2G 模式下，大規(guī)模的充放電將帶來配電網(wǎng)潮流的復雜變化。而同時由于電動汽車充放電的分散決策，其接入電網(wǎng)的時間地點的不確定性，會造成配電網(wǎng)潮流變化分析和應對的一系列困難。因此，在這種模式下，配電網(wǎng)為適應未來潮流的沖擊所需要的改造和建設壓力將是巨大的。但是在B2G 的模式之下，一座電池集中充電站可以依托于大容量的變電站建設，其并網(wǎng)點明確，而相應的充放電操作對于電網(wǎng)潮流的影響完全可以通過傳統(tǒng)的潮流計算和分析方法進行，不僅降低技術難度，也可以節(jié)約配電網(wǎng)建設和改造的成本。

　　4 結(jié)語

　　智能電網(wǎng)的建設正在蓬勃興起和發(fā)展，而與此同時，電動汽車的大規(guī)模推廣和運行與其不期而遇。如何將電動汽車的服務和運營與智能電網(wǎng)的建設與運行完美地結(jié)合起來，實現(xiàn)其一體化的無縫連接，是一個關鍵問題。如何回避V2G 固有的障礙又完美的發(fā)揮動力電池對于電網(wǎng)運行的優(yōu)勢，成為電動汽車與智能電網(wǎng)技術相結(jié)合的關鍵所在。本文通過對電動汽車與動力電池進行資產(chǎn)、時間和地點幾個方面的解耦之后，建立網(wǎng)絡化的服務系統(tǒng)并與電網(wǎng)調(diào)度運行相結(jié)合，通過電池向電網(wǎng)集中供電的B2G 模式應運而生。B2G 在諸多方面相對于V2G具有不可比擬的優(yōu)勢，而其所依賴的諸多調(diào)度和運行的基礎技術恰恰是傳統(tǒng)的電網(wǎng)運行和調(diào)度技術優(yōu)勢所在，而相應的運營和服務又恰恰可以通過集中式的建設和管理來解決，尤其適用于我國國情。B2G 可以克服V2G 固有的用戶大范圍分散決策與電網(wǎng)調(diào)度集中決策的矛盾;B2G 可以回避V2G 造成的充放電時間地點的不確定性;B2G 可以最大限度地保留電網(wǎng)對于負荷和電源的集中式傳統(tǒng)運行調(diào)度模式;B2G 也更加適用于國家電網(wǎng)正在開展的智能充換電服務網(wǎng)絡的運營模式。因此B2G 將會成為未來電動汽車與智能電網(wǎng)技術相融合的一種極具競爭力的選擇。