电动汽车与能源互联网

胡泽春[e-mail]2015年8月29日能源互联网背景下的电动汽车充放电设施布局与运营调控策略清华大学电机系内容大纲发展电动汽车的背景电动汽车发展的历史与现状电动汽车电能补给设施电动汽车与能源互联网电动汽车充电设施优化规划电动汽车充放电调控优化发展电动汽车的背景电动汽车发展的历史与现状电动汽车电能补给设施电动汽车与能源互联网电动汽车充电设施优化规划电动汽车充放电调控优化内容大纲我国发展面临的重大问题（1）•环境污染我国发展面临的重大问题（2）•温室气体排放我国发展面临的重大问题（3）•能源安全我国发展面临的重大问题（3）•能源安全中国石油表观消费量2002年为2.24亿吨，10年后的2011年达到4.58亿吨，2012年4.92亿吨。同一时期内，国内石油产量基本稳定在2亿吨左右，新增石油消费几乎都由进口解决，2002年石油对外依存度仅为31%，2012年达到58%。2012年，成品汽油消费8684万吨，成品油消费量2.76亿吨，汽油消费量占成品油消费的三分之一多。成品油主要用于汽车动力使用。中国每年新增2000万辆汽车，简单折算增加3000万吨成品油消费，折合5000万吨原油。中国主要靠进口石油支撑的石油消费增长，主要用来满足汽车数量增长的能源需求。内容大纲发展电动汽车的背景电动汽车发展的历史与现状电动汽车电能补给设施电动汽车与能源互联网电动汽车充电设施优化规划电动汽车充放电调控优化电动（汽）车发展简史早期历史1830sto1900s几乎灭绝1920sto1980s复兴1990stopresent昀早的设计可追溯至1828年1865-1881年蓄电池技术的突破为电动车发展奠定基础1897年，纽约电动出租车实现了电动车的商用化1899年，电动车时速超过100km/h至1912年，美国电动车33,842辆，相对内燃机汽车优势明显从20世纪20年代开始，电动汽车逐渐被内燃机汽车替代（内燃机车速度快、续航里程长、价格便宜、噪音降低；高速公路建设；油价下降等）至1930年，家用电动车几乎绝迹亮点：阿波罗15号的月球车是电动的复兴的主要原因：1、能源安全2、环境污染3、技术进步4、政府推动最近的发展曲折•上世纪90年代初，加利福尼亚州空气质量管理局(CARB)，开始着手推进低油耗和低排放的汽车，昀终目标是实现电动车这样的零排放车型。CARB规定，到1998年2月，所有汽车制造商新售汽车中的2%必须是零排放车辆。到2003年，这个比例要达到10%。•汽车厂商的开发的电动汽车：ChryslerTEVan,FordRangerEVpickuptruck,GMEV1andS10EVpickup,HondaEVPlushatchback,Nissanlithium-batteryAltraEVminiwagonandToyotaRAV4EV.•汽车制造商们普遍对这项法规表示谴责，认为太过仓促，难以在短时间内将零排放汽车提升到足以令消费者们满意的程度，因此开始用说客和诉讼的方式对抗CARB的这项规定。•2001年，CARB废除了这项规定，差不多所有量产电动车都撤离市场。纪录片：WhoKilledTheElectricCar(2006)RevengeoftheElectricCar(2011)纪录片：WhoKilledTheElectricCar(2006)RevengeoftheElectricCar(2011)近几年的快速发展（国际）•2008年，金融危机、油价高位震荡和节能减排等产生巨大的外部压力，全球汽车产业进入了能源转型时期。•2009年，各国政府纷纷出台电动汽车政策来支持电动汽车的发展。–美国能源部设立20亿美元政府资金资助电池和零部件研发–日本实施新的“绿色税制”–英国执行新汽车消费税，对纯电动汽车免缴消费税–法国对购买低排放（二氧化碳）汽车的消费者给予奖励–德国政府颁布了《国家电动汽车发展计划》•2013年，美国插电式电动汽车销量95859量。•2014年，美国插电式电动汽车销量119710量，全球电动汽车销量超过32万辆我国电动汽车的发展•20世纪50年代，我国开始尝试自主研发电动汽车；•70年代，成功研制出钠-硫电池驱动的电动汽车；•80年代末，我国成立电动车辆研究会，而且依托于清华大学开始建设的汽车安全与节能技术国家重点实验室中已经设有电动汽车研究室。•2001年，我国启动实施“863计划”电动汽车重大专项，国家投入10多亿元资金。•2007年11月，国家发改委颁布《新能源汽车生产准入管理规则》•2009年1月，国务院原则通过《汽车产业调整和振兴规划》•2010年6月，财政部、科技部、工信部以及发改委联合发布《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》•2010年8月，由国资委牵头，16家央企组建成立了电动汽车联盟•2011年10月比亚迪e6、2012年11月荣威e50上市向个人销售•2013年，全部插电式电动汽车销量1.76万辆•2014年2月北京私家车首次实行电动汽车牌照摇号•2014年，我国电动汽车产量达8.39万辆，同比增长近4倍电动汽车销量比较(2014年）注：美国、中国为2014年全年销量；法国、英国、挪威、德国、日本为2014年1-11月销量。比亚迪官方公布的销量数据：2014年比亚迪秦共售出14747辆，成为全国新能源乘用车销量冠军。今年我国电动汽车销量情况•2015年1-7月，我国新能源汽车累计生产9.6万辆，同比增长2.5倍，累计销售8.96万辆，同比增长2.6倍。中国新能源车1-7月销量超越美国中国对美的局部超越的原因：美国市场的新能源车遭遇低油价的冲击，形成电动车发展减速的趋势。而中国形成在电动和插电混动的局部超越，主要是政策的推动，包括中央的政策和地方各城市的差异化政策的组合推动。目前的新能源车销售的核心区域是限购城市，占到全国新能源车销量的67%，这也是核心市场。美国和全球情况（2014）美国和全球情况（2015）内容大纲发展电动汽车的背景电动汽车发展的历史与现状电动汽车电能补给设施电动汽车与能源互联网电动汽车充电设施优化规划电动汽车充放电调控优化电动汽车电能补给的方式补电传导式交流充/车载直流充/地面感应式/无线充静态动态换电静止式无线充电运动式无线充电无线充电的优缺点与前景•公共车辆可以试点，私家车大规模推广比较难无线充电优点不需物理连接提高舒适性行驶中充电缺点成本高安全隐患可替代性内容大纲发展电动汽车的背景电动汽车发展的历史与现状电动汽车电能补给设施电动汽车与能源互联网电动汽车充电设施优化规划电动汽车充放电调控优化受到电力工业关注的主要原因•负荷增长•运营模式•充电设施建设与电网规划•电网调度•电池的利用•智能电网电动汽车发展趋势25微量私家车充电负荷计算的对象充电负荷计算全国京津唐地区深圳市充电负荷特点分析•2010-2015年充电负荷较小•2016-2020年，出现充电负荷高峰•2021-2030年，电动汽车充电负荷快速上升•充电负荷有一个明显的晚高峰•电动汽车充电负荷具有明显的峰谷差，其峰荷时段与全网负荷峰时段基本一致，电网调控潜力大对电网运行的影响配网安全经济运行充电负荷输电安全经济运行居民区配电网接纳电动汽车能力电动汽车与智能电网电源电网负荷智能电网平台与技术接纳新能源接入智能调度需求侧响应、分布式发电等•电动汽车是新型负荷/新型家电，具有较好的调控性，可以纳入需求侧管理、电网调度、与新能源发电配合，因而成为智能电网中的重要角色。电动汽车充放电控制与利用•电动汽车有序充电–以可控负荷的形式参与电网调控，是有效规避其大规模充电对电网造成负面影响的重要手段。–一般以经济性昀优或对电网的影响昀小为目标，综合考虑电池性能约束与用户充电需求，协调充电过程，控制的手段为充电时间和充电功率的大小。•电动汽车与电网双向互动(Vehicle-to-Grid,V2G)–电动汽车与电网互动是指电动汽车作为分布式储能单元，以充电和放电的形式参与电网的调控。–削峰填谷、调频、备用等。V2G示意来源:Kemtponetal,2001电网调度箭头方向表示电力流向V2G的主要功能•在负荷低谷充电、在高峰负荷期间放电•延伸，与新能源发电出力相配合削峰填谷•参与一次调频（可本地控制）•参与二次调频（纳入AGC系统）调频•维持电压水平合格•参与无功优化调压•旋转备用/可中断负荷•应急电源备用*在电力市场中，后三种功能属于辅助服务范畴削峰填谷•实际就是有序充放电行为与控制削峰填谷集中调控组织实施者机组组合经济调度站级控制分散决策市场/激励机制充放电响应V2G参与调频•被认为是较有潜力的应用：–电网需要的调频容量较小，约占高峰负荷的1%–对电池浅充浅放，对电动汽车的影响小参与调频集中调控电网调度/AGC提高调频性能提高新能源发电接纳分散决策本地测控类似一次调频作用电动汽车与能源互联网•大规模新能源发电消纳EV用户风电场EV运营商电网公司光伏电站电动汽车与能源互联网•与智能交通融合融入智能交通的能源互联网示意图充电导引交通网、电网信息发布基于能源互联的出行规划电动汽车与能源互联网•电池回收利用当电池只能充满原有电容量80%的时候，就不再适合继续在电动汽车上使用。梯次利用：建立储能电站，调峰、调频、备用、与新能源发电配合；安装在建筑使用的太阳能光伏储能系统中；用作备用电源及不间断电源(UPS)等。有500万辆车的电池，平均20度/车，则总容量可达100GWh几个关键环节基础设施（通信、标准）调度控制运营模式与市场机制内容大纲发展电动汽车的背景电动汽车发展的历史与现状电动汽车电能补给设施电动汽车与能源互联网电动汽车充电设施优化规划电动汽车充放电调控优化充电设施优化规划充电设施优化规划停车需求生成率模型1niijijijjPfRL*1ijniijijijjPtPtfRL传统停车生成率模型：考虑停车需求动态变化的改进停车生成率模型：单位建筑面积停车生成率不同类型用地建筑面积区位优势度不同类型用地停车需求时间变化标幺曲线*ijPt基于停车生成率模型的负荷预测由停放、驾驶特性分析充电需求不同类型电动汽车不同地点、时间的充电需求改进停车需求生成率模型不同停车场所占比例日行驶里程分布通勤到达、离开时间分布电动汽车时空分布停车时长分布停车数量时间分布第一次出行时间分布昀后一次停车时间分布电动汽车SOC分布基于停车生成率模型的负荷预测基于蒙特卡洛模拟的电动汽车负荷时空分布计算清华大学电机系智能电网运行与优化实验室充电需求的产生：1.电动汽车到达目的地停车，并且此时SOC下降到一定的阈值，这时电动汽车会选择在停车地充电；2.电动汽车在行驶过程中，但是SOC下降到警戒值（20%）以下，这时电动汽车会选择到快速充电站充电；3.电动汽车一天昀后一次停车，一般会选择在昀终停车地充电。初始化：以凌晨2点作为仿真的起始时刻，考虑汽车第一次出行时间分布，对所有汽车进行停车状态、充电状态初始化汽车停放类型：1.昀后一次停车2.普通停车停放时长：根据日出行里程进行修正，出行里程越大，单次平均停车时间应该越短仿真多天：连续仿真多天充电负荷趋于稳定，降低初始化的影响基于停车生成率模型的负荷预测深圳市电动私家车工作日充电负荷预测算例分析算例分析2020年电动私家车保有量：24万面向三个问题：1.充电行为选择对电动汽车充电负荷的影响2.工商业公共停车场充电设施配建比例对电动汽车负荷的影响3.不同区域充电负荷的差异问题1：充电行为选择对负荷的影响清华大学电机系智能电网运行与优化实验室假设：所有停车场所均配建充电设施。昀后一次停车后，不论SOC为多少都会充电。结果分析：电动汽车充电会引起早晚两个负荷高峰；伴随着充电起始SOC阈值的降低，电动汽车负荷将向夜晚转移，快速充电需求增加。快速充电负荷相比其他充电负荷较低。算例分析算例分析问题2：工商业停车场充电设施配建对负荷的影响清华大学电机系智能电网运行与优化实验室假设：居民区、通勤车工作单位配建充电设施；30%用户在SOC30%的情况下充电，40%用户在SO