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ISSN 1000-7229 CN 11-2583/TM
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电动汽车与电网互动可以实现削峰填谷、参与调频、提供备用等作用，对于电网的安全经济运行和提高新能源发电消纳能力具有重要意义。围绕电动汽车与电网互动的调控技术、市场机制和基础设施这3方面的关键问题进行分析。首先，对电动汽车与电网互动的层次与目标进行了梳理；其次，对电动汽车与电网互动的集中式控制、分布式控制、分层控制策略进行了分析；再次，对电动汽车与电网互动的成本-效益、商业模式与市场机制的研究进行了总结并提出了建议；进一步讨论了电动汽车与电网互动的设施与通信技术标准的发展现状；最后，对电动汽车与电网互动的研究和应用进行了展望。
发展电动汽车产业已成为许多国家应对能源危机和环境污染这两大难题的战略选择， 可入网电动汽车的规模化应用会对电力系统的多个方面带来新的问题甚至挑战。在此背景下， 首先介绍动力电池的研究现状和发展动向， 详细评述现有考虑时空分布的电动汽车集群负荷特性方面的研究进展。之后， 阐述电动汽车规模化应用对电力系统多方面可能带来的影响与挑战， 着重分析电动汽车接入对配电系统的影响， 电动汽车与电力系统的交互与协调问题， 概述对电动汽车充放电管理以改善电力系统运行的安全性与经济性的可能途径。最后， 从用户侧和系统侧简要评述大量电动汽车与电力系统交互所能带来的经济价值。
：随着电动汽车关键技术的不断突破和基础设施的日趋完善，世界各国纷纷加入抢占电动汽车技术和市场的行列。首先概括了全球电动汽车市场的发展现状及前景，从市场状况、技术研发、产业扶持等方面梳理了美国、欧盟、日本及我国的电动汽车发展历程，并提出我国电动汽车产业的发展瓶颈。之后从电机驱动技术、电控能量管理技术和锂离子电池技术这3个方面提出我国电动汽车技术的现状与趋势。
随着电动汽车数目的迅速增长，大量电动汽车的充放电行为会对配电网的规划带来较大的影响。合理利用电动汽车的充放电行为，使其服务配电网的统筹规划将是未来研究的重点。电动汽车的类型、数量、充电模式以及政府关于电动汽车的相关政策会使电动汽车对配电网的影响发生变化，为此首先介绍了以上影响因素，在此基础上分析了电动汽车充放电对配电网运行的影响及其合理利用，最后提出了电动汽车充电设施规划和适应电动汽车接入的配电网规划方面的建议。
电动汽车是清洁能源替代传统能源的革命性技术，已在全球范围引起持续关注。在电动汽车快速发展的背景下，分析了电动汽车的用电行为及发展路线。通过对电动汽车负荷接入配电网的影响分析，总结了配电网规划所面临的挑战，进而提出适应电动汽车发展的配电网规划体系，为指导大规模电动汽车负荷接入条件下配电网的规划设计工作指明了研究方向和重点。
结合电动汽车发展及其充换电设施的建设情况，分析了电动汽车接入对配电网的影响，并从电压等级选择、用户等级确定、接入点选择、供电电源配置、设备选型和电能质量要求等方面，提出了电动汽车充换电设施接入电网的技术原则，最后给出了电动汽车充换电设施接入的典型模式，为指导规划设计、规范运行管理，保障充换电设施及时可靠、合理有序地接入提供重要依据。
电动汽车充电设施的合理规划对于电动汽车的推广具有重要作用。为此， 提出了一种基于分区充电需求系数的电动汽车充电设施选址定容方法。首先基于对各类电动汽车充电模式分析， 提出了电动汽车负荷预测模型。接着由各类电动汽车的日能量需求及日最大接入数量， 计算出各类电动汽车充电设施的需求数量。之后， 对所需研究的规划区域进行区块划分， 确定各区块的充电需求系数， 并选出充电需求较高的区块， 再根据所得到的候选布点区块及充电桩总数来确定每个区块的充电桩数量。最后， 以杭州市充电设施规划为例来说明所提方法的基本特征。
电动汽车是国家战略制高点和持续发展重要着力点，其产业推动依赖于充换电服务网络建设与发展。充换电负荷作为配电网增供终端推动负荷增长的同时，其服务网络影响并受制于配电网。二者形成的复杂技术经济动力学演进系统亟待研究。面向电动汽车产业在“示范推广-快速增长-平稳发展”的典型发展阶段中充换电负荷特性与类比、充换电设施配置、双网协同规划等领域的理论问题展开探讨，指出其中涉及的关键技术、难点和发展方向。
不同环境温度对电动汽车附加能耗、电池性能、行驶路况等影响显著，因而导致电动汽车充电需求的差异。分析环境温度对电动汽车充电负荷的影响，对深入研究充电负荷对电网的影响以及合理的充电设施规划等具有重要意义。提出考虑温度影响的电动汽车充电负荷计算方法，结合电动汽车平均续航里程、行车需求统计数据，采用蒙特卡洛模拟计算不同温度下多种类型电动汽车充电负荷。以广州市电动汽车充电负荷为例进行仿真计算，仿真结果表明环境温度对电动汽车充电负荷有显著影响，相较于常温天气，高温和低温天气条件下电动汽车充电负荷明显增加。不同类型电动汽车的充电负荷受环境温度影响程度不同，每日行驶里程更长的电动公交车充电负荷受环境温度影响更大。
电动汽车充电负荷预测是进行充电设施、电网规划建设以及运行调度控制的基础。电动汽车充电负荷的时空分布具有很强的随机性，在对预测区域空间进行划分的基础上，考虑电动汽车的动态转移特性，对不同功能用地的泊车规律进行分析，预测不同类型电动汽车的空间分布，进而对不同电动汽车充电时间特性的影响因素进行分析，并建立了预测模型。利用蒙特卡洛仿真方法对某市一区域在不同情景下的充电负荷进行计算。结果表明，不同功能区的充电负荷分布特性差异明显，并且采用快速充电方式的比例越高，峰谷差越大，因此可根据预测结果对电动汽车充电时间、充电地点和充电方式进行合理引导，使在满足充电需求的同时，减少充电负荷对电网的影响。
电动汽车充电负荷因受诸多因素影响而充满随机性与复杂性，随着电动汽车的规模化应用，势必会给配电网带来一系列问题，这也成为目前国内外学者和相关科研机构的研究热点。基于电动汽车充电运行数据，选取充电起始时间和充电持续时间作为影响充电负荷时间分布的关键因素，结合用户充电行为的不确定性分析，建立电动汽车充电负荷的时间分布模型。以此为根据，对充电负荷区域进行划分，建立电动汽车充电负荷的时空分布模型。通过算例分析，研究电动汽车充电负荷对配电网运行中的电压质量、网络损耗及日负荷曲线的影响。
电动汽车在减少化石燃料消耗和CO2排放方面有着重要的意义。越来越多的电动汽车接入电网，对电力系统配套电网及电能质量将产生不可忽视的影响。通过分析充电设施接入配电网的典型方式，预判充电设施用电需求、电力负荷总量并分析电网接纳能力，对比分析了居民区、公共停车场、公交专属场站、出租车专属场站等不同场景下充电负荷对原负荷的影响情况，进而提出配套电网建设改造规划的原则，为大规模电动汽车充电设施接入配套电网建设提供参考。
大量电动汽车接入配电网，必然会对配电网产生极大的影响。基于蒙特卡罗模拟方法计算了充电负荷，并根据北京市某地区的实际配电网搭建典型配电网结构。首先分析了不同渗透率下电动汽车无序充电对电网的影响，然后给出了基于电网侧与用户侧双向充电目标的有序充电方法，并与无序充电时的情况进行对比。结果显示有序充电能起到很好的削峰填谷作用。
即插即充的无序充电会对电网稳定性造成巨大威胁，基于此，建立了充电站综合控制系统。针对充电规划时需考虑功率分配和电池充电特性，提出了一种充电站功率和时间分配控制策略。该策略通过理论建模将充电控制过程转化为微小时间段的近似线性规划问题，经系统测试，可在满足用户基本充电要求的情况下，尽量减少对电网稳定性和电池寿命的影响。
电动汽车聚合商作为电动汽车充电服务的提供商，是电网公司和电动汽车用户之间交互的重要协调者。从电动汽车聚合商的角度出发，在考虑电动汽车用户的电量需求、充电时间以及配电变压器的可用容量等约束条件下，以电动汽车聚合商充电收益最大化为目标，构建了基于拉格朗日松弛法的分散优化模型，研究了分散优化充电策略的执行机制和流程。采用蒙特卡洛方法模拟电动汽车的充电情况，通过仿真算例，对比分析了在无序充电、集中优化充电和分散优化充电模式下的负荷曲线、经济效益和计算效率。结果表明：基于拉格朗日松弛法的分散优化充电策略可得到近似于集中优化模式下的充电收益，同时具有更高的计算效率，适合实际应用。
电动汽车未来有望以集群（例如大型充电站内的电动汽车）形式参与电网调度。收到电网下发的集群优化充电调度指令后，集群代理需优化集群内的电动汽车充电功率以追踪电网指令。该追踪问题是一个大规模的优化问题，难于集中式求解。提出一种递阶分散优化算法求解该问题。集群代理下发协调信息，各电动汽车根据协调信息分布式地优化自身充电功率，并向代理返回迭代信息，通过迭代求得问题的最优解。为进一步提高计算效率，对集群代理和单辆汽车的优化子问题进行了深入研究和算法改进。通过数值实验发现所提方法具有很快的计算速度，尤其适用于求解大规模电动汽车集群内的追踪问题。
大规模的电动汽车充电负荷具有大功率、波动性和不确定性的特点，将给电网带来峰值增高、电压波动等不利影响。为了降低电动汽车充电负荷对电网的不利影响，建立了电动汽车充换电站换电池的充电优化模型。通过对换电池在充电过程中充电时间、充电功率和电池电量的实测数据进行拟合，得到了电动汽车换电池的充电特性。以此为基础，建立了电动汽车充换电站的换电池有序充电模型，该模型在满足充电机数量、电动汽车对换电池的需求、充换电站容量和变电站容量约束的前提下，最小化所属变电站负荷曲线的离差平方和，并应用遗传算法实现了有序充电模型的快速求解。以山东省某电动汽车充换电站为算例，证明了该模型的快速性、正确性和有效性。
V2G（vehicle to grid）是目前电动汽车参与电网互动的主要模式，但也存在很多问题，影响电动汽车进一步发展。相较之下，B2G（battery to grid）模式解决了V2G模式下模型庞大繁复，难以控制的问题。提出了一种基于B2G模式下的电动汽车参与电网互动策略，以申报用电调整计划的方式，根据电站实时运行状态，以电站运行经济效益最大化为目标，求解最优用电调整计划，从而达到互动效果。通过银川某电站的示范运行，证明该策略具有可操作性，可以带来良好的经济效益。
随着能源供应的日趋紧张，电动汽车的迅速发展势在必行，大量的电动汽车储能电池的无序充电将给电网造成负面冲击。为此，提出一体化电站的运营模式，建立包含有电动汽车充换储一体化电站和可中断负荷的虚拟电厂控制模型；以运行成本最小为调度目标，运用二进制粒子群算法，实现虚拟电厂的经济调度。最后，运用仿真算例验证了调度方案的可行性。结果表明，在虚拟电厂的控制下，充换储一体化电站与可中断负荷相互配合，可大大缓解高峰用电的紧张，起到削峰填谷的作用。
提出了一种基于需求响应的电动汽车充电策略，根据电网实时电价信息优化电动汽车用户充电电价触发值，降低用户充电成本。同时，研究了含大规模电动汽车的电力系统机组组合问题。在此基础上建立了基于需求响应的电动汽车经济调度模型，通过对电动汽车用户行为特性的预测，以电网公司收益最大化为目标，优化制定电动汽车充电电价，转移电动汽车充电负荷。算例分析结果表明，提出的经济调度模型可以起到降低峰谷差率的作用，且与无序充电情景相比，能够明显降低系统的运行费用，可以实现电动汽车大规模接入电网时的经济调度。
电动汽车（electric vehicle，EV）规模化接入电网需要合理的控制框架和算法。为了优化电动汽车的充放电管理，首先介绍了电动汽车代理商（aggregator）的概念，并在此基础上提出了一种电动汽车集群的分层控制架构。基于电动汽车分层控制的结构，构建了电动汽车双层优化控制数学模型，从而实现了电网负荷削峰填谷的目的。为了避免随着电动汽车数目增加导致的集中式方法难以求解的问题，提出了一种改进的求解算法，将高维的优化问题分解成多个低维的子优化问题，得到了很好的收敛特性，显著提高了计算效率。最后，通过不同的算例场景，验证了所提出模型与改进算法的有效性和实用性。
针对大规模间歇性新能源并网造成的电力系统频率不稳定问题，提出利用电动汽车作为一种有效的需求侧响应资源，为电力系统提供辅助调频服务。在充分分析用户参与辅助调频服务受电价影响行为特征的基础上，提出了基于变参与度的电动汽车动态频率控制策略，可有效评估实时电价（real-time pricing，RTP）环境下电动汽车参与系统调频服务的响应能力。仿真结果表明：在RTP环境下，基于变参与度的电动汽车频率控制策略能够充分利用电动汽车负荷的充放电特性为电力系统提供动态辅助调频服务，有效支撑电力系统的动态频率稳定。
目前对电动汽车参与电力系统调频的研究，通常把电动汽车作为能量储存系统参与电网互动，并未考虑其作为交通工具的主要特性。事实上，只有处于可控状态的电动汽车，才能通过电动汽车与电网互动（vehicle-to-grid， V2G）技术向电网提供频率调整辅助服务，即电动汽车参与电力系统调频。因此，要研究电动汽车如何有效响应系统调频控制信号及其对系统频率的影响，首先应研究可控电动汽车数量的动态变化情况。为此，提出了基于蒙特卡洛的电力系统调频可控电动汽车数量动态变化模拟算法，该算法可在缺乏大量电动汽车实际运行数据的情况下，计算出各时段处于可控状态的各类型电动汽车数量及可控电动汽车总数，以有效研究电动汽车对系统频率影响。最后，通过仿真结果验证了该算法的有效性和可行性。
随着电动汽车动力电池需求日益扩大，其对电动汽车充电装置性能与功能的要求也随之提高，基于此，提出了一种多功能电动汽车模块化充放电系统。在此基础上，对由三相桥式AC/DC变换器和电磁隔离型双有源全桥DC/DC变换器构成的充放电模块的控制策略进行了研究。提出了可以提高充放电模块能量传输效率、功率密度等目标的两级变换器协调优化控制策略，分析得出了双移相控制下消除DC/DC变换器回流功率的条件，并通过仿真模拟动力电池的充放电过程验证了结论；在直流母线电压控制中引入充放电机负载的功率前馈补偿来提高动态和稳态性能，最后通过仿真模拟验证了控制策略的优越性。
为了提升储能系统能量转换效率，提出了一种应用于锂离子电池的复合型正弦-脉冲电流（hybrid sinusoidal-pulse current，HSPC）充电方法。首先基于锂离子电池的交流阻抗频谱特性，阐述了利用宽频段电流提升锂离子电池能量转化效率的原理。然后，采用并联型Boost电力电子变换器与移相技术生成正弦-脉冲复合型充电电流的方法，并与恒流、脉冲等充电方法进行了比较，仿真和实验结果表明该充电方法的有效性。
以电池管理系统中的电池荷电状态估算策略为研究对象，采用扩展卡尔曼滤波算法，在Matlab SimuLink/Stateflow中搭建了仿真模型，并验证了模型的正确性；使用dSPACE公司的TargetLink自动代码生成工具，完成了模型转换、在环仿真、代码生成。生成的代码下载到CPU为Freescale的EVB9S12XEP100系列芯片的电路板调试。测试结果与理论结果的误差在可接受范围内，生成的代码尺寸和堆栈使用情况满足芯片的处理能力要求，软件能够稳定运行。
智能充放储一体化电站作为区域性有源电站，可以根据电网当前的运行状态，制定合理的充放电策略，对电网提供辅助支持服务。根据电网常见的正常、警戒、紧急、崩溃和恢复5种运行状态，一体化电站运行于相应的正常、系统保护和孤岛3种状态。提出的一体化电站各种标准运行规程可以细化并进入各种控制流程，通过研究电网运行状态集合与一体化电站运行状态集合在合理的运行域产生的各种交集，可实现对电网的频率调节、无功补偿和谐波治理等增值服务。该一体化电站运行状态集合，充分考虑了电网的当前运行状态和各运行指标，对改善电网电能质量有着积极的作用。
对电动汽车实施有序充电可以优化系统负荷轮廓， 从而改善电力系统运行的安全性与经济性， 如何制定有序充电策略和评估其潜在经济效益就成为值得研究的重要问题。在此背景下， 首先建立了以平抑给定时间段内系统负荷波动为目标的电动汽车有序充电的优化模型， 并采用高效商业求解器AMPL/CPLEX求解， 以获取有序充电模式下的电动汽车负荷。之后， 以电动汽车无序充电情形为基准， 从避免发输电设备投资、降低配电系统扩容成本、降低系统网损和降低辅助服务购买成本这4个方面， 对实施有序充电管理可为电力系统投资和运行这2个层面所带来的潜在经济效益进行了分析， 提出了相关计算方法。在此基础上， 建立了评估电动汽车有序充电管理综合效益的数学模型。最后， 采用54节点算例配电系统对所提出的方法做了说明，计算结果表明， 对电动汽车进行有序充电管理可带来显著经济效益。
光伏发电系统与电动汽车充电站的集成，可以促进光伏发电就地消纳，降低充电负荷对配电网的影响，有效减少电动汽车的间接碳排放。针对商业楼宇光伏充电站，考虑其停车需求及充电需求的一致性，提出了一种典型的运营模式；考虑环境、经济效益以及对配电网的影响等因素，建立了评价光伏充电站长期运营效用的综合评估指标体系；针对日间实际运行场景，设计了计及光伏发电消纳与服务质量的充电策略；最后，基于实际统计数据进行了仿真研究，分析评估了光伏充电站的日间运行效果与长期综合效用。
根据我国电动汽车充电站运行特点，参考相关标准和技术规范及现实因素，从供电可靠性、充电设备效率、电能质量、运营状况及为电网提供辅助服务的能力等5个方面出发，建立电动汽车充电站运行能效评估指标体系，提出基于AHP-熵权法的电动汽车充电站运行能效评估模型，将定量指标和定性指标分别进行规范化处理，应用AHP-熵权法综合考虑指标的主观权重与客观权重，从而实现对电动汽车充电站运行能效水平的综合评估。针对武汉地区4个运营中的电动汽车充电站进行了运行能效评估，结果表明，基于AHP-熵权法的电动汽车充电站运行能效评估模型能够为电动汽车充电站的建设和经济运行提供参考依据。
电动汽车运营系统是一个复杂的系统，涉及多种类型的主体，主体具有很强的自主性和自适应性，传统的建模方法无法进行准确的建模。介绍了一个基于复杂适应理论及多代理系统（multi-agent system，MAS）的电动汽车综合运营仿真平台的设计、开发和应用。该平台基于JADE开发，可以对电动汽车运营、充电设施规划等问题中包括电网、充换电设施、电动汽车等在内的多个类型主体的行为进行仿真和分析，同时具有良好的适应性和扩展性。在此仿真平台上对南方某地区的一个算例进行建模，该模型详细地考虑了乘客的出行特性、电动出租车的充换电方式和交接班制度等，通过仿真运行研究了电动出租车的充电负荷特性，并与传统方法对比验证了基于多代理方法的优势。
