V2G技术概述

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2016.3.9

摘 要：V2G（vehicle-to-grid）技术可实现电网与电动汽车（EV: electric vehicle）之间能量的双向流动，EV用户可以是能量消耗者，也可以是能量供应者。在合理控制下，V2G技术的应用可提供调峰、调频以及电压控制，增加对间歇性的可再生能源的消纳，维持电力系统安全稳定运行。而在实现以上辅助服务的过程中，还存在着很多挑战以及需要解决的问题，诸如专门的双向通信网络建设、用户的隐私保护、促进用户与电网互动的激励机制的制定，对V2G技术的研究具有非常重要的意义。本文是一篇对V2G技术的概述类文献，对其概念、应用、研究内容与方向以及待解决的问题作了简要阐述。

A Summary of V2G Technology

Abstract: V2G（vehicle-to-grid）is a kind of technology which can realize the bidirectional energy flow between the power grid and electric vehicles. And EV users can be both energy consumers and energy suppliers. Under the rational control, the application of V2G provides load shaving, frequency regulation as well as voltage control, and increases the absorption of intermittent renewable energy to maintain the safety and stability of the power system. However, to make aforementioned ancillary services come true, we will be in the face of numerous challenges and problems to be solved. Such as the construction of dedicated both-way communication network, privacy protection of EV users, and the establishment of incentive mechanisms to encourage users to interact with the power grid. Accordingly, the research in V2G technology has the significant meaning. This paper is a summary of V2G technology, involving the concept, applications, the contents and orientation of the research as well as the challenges and problems to be solved.

1. 引言

EV有利于减少温室气体排放，是一种绿色的交通工具，一辆配有10kwh电池的EV大概可行驶30英里；经研究表明，EV的使用可以给用户带来不错的经济效益；发电和负荷的实时平衡是维持电力安全、稳定运行的基本要求，据统计，90%的电力中断和干扰与配电网有关，EV的接入为电力系统提供大规模的可控储能装置，在合理充放电控制下可提供调频、电压控制、旋转备用等辅助服务，可有效缓和间歇性的新能源大规模并入电网所带来的电网波动性，提高电网的效率、灵活性以及可靠性；EV属于一种分布式、可控储能装置，可有效减少发电能源损耗、供电线损，提高能源利用率。基于以上原因，学术界和工业界对其饶有兴趣，各国政府也都大力推行EV的相关政策，以促进其广泛应用，其市场份额也与日俱增。目前比较盛行的EV品牌有特斯拉（Tesla，全球第一家采用锂离子电池的电动汽车公司）、比亚迪（BYD，国内新能源汽车领域引领者）等。

而大规模EV不加控制得并入电网，尤其是在聚集充电、高峰充电情况下，会加大负荷峰谷差，加重配电网的供电负担。此外，EV的充电负荷具有非线性、不稳定的特征，引进的电力电子设备将产生谐波，会损害电网电能质量。经研究表明，合理的充放电控制，可有效抑制、消除其对电网的不利影响，促进电网安全、稳定运行。

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而以上的前提就是需要电网和EV的能量互动。V2G技术，概括得来说，就是一种实现电网和EV之间能量双向流动的机制，EV可通过整流技术从电网摄取能量，也可通过逆变技术向电网回馈能量，可以说是智能电网（smart grid）的重要组成部分。文献[1]，[2]对V2G技术进行了深入的阐述。

综上所述，对V2G的研究具有很重要的意义，本文属于概述类文献，主要是对V2G技术的概念、应用、所研究问题与方向以及其实现过程中所面临的挑战作简要叙述。

2. V2G技术

V2G技术可实现能量的双向流动，增加用户与电网的互动性，使用户不再只是能量消耗者，还可以是能量供应者。V2G系统与固定的能量储能系统不同之处在于，其具有能量存储、携带、输送机制。部分文章对V2G技术的应用以及PHEV的性能作了评估。文献[3]对汽车电池充放电调度以缓和住宅负荷波动的最优性做出评估，并用仿真工具比较了无任何智能充电场景、不涉及V2G的本地智能充电优化场景以及涉及V2G的充电优化场景。文献[4]提出了一种新型的基于能量的电气化潜能系数（EPF），其可用于从用户、汽车工业以及公用事业角度评估PHEV的综合效益和影响，分析了不同的驾驶曲线和控制策略下的行驶成本和电池寿命间的权衡。文献[5]提出一种对电力系统的实时检测诊断，考虑的系统参数包括电压曲线、电压稳定性、阶跃电压调整器（SVR）运作、功率以及能耗。结果表明对于给定的V2G渗透水平，三相全系统V2G并入在系统性能和经济运行上比单相V2G并入好，同时得出在一个最优位置用V2G停车场向电网注入无功功率可以减少大约95%的能耗（相对于没有V2G设施的能耗）。图 1所示为插入式混合电动汽车（PHEV）的V2G系统示例图[6]。PHEV的功能就在于其可由电动机驱动，也可由内燃机驱动。图中描述的是PHEV三种场景下（家里，工作场所以及行驶路途中）的能量走向，其中PHEV控制器（PHEV controller）的功能包括控制电池充放电、控制电动机和内燃机的运转、检测电池的状态和能量需求等。

图 1 PHEV的V2G系统示例图

2.1 V2G技术的应用

对V2G的研究涉及甚广，其应用也牵扯得比较多，以下涉及的是我经查阅资料后列举的一些主要应用。

1）调峰、调频、电压控制

V2G的两个主要应用就是调峰和调频。所谓调峰，即在电网负荷低谷时，电网给EV充电，以存储

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能量；在负荷峰值时，EV用所存储的能量回馈给电网，以平缓电网的负荷曲线。通常根据负荷情况调整电价作为激励机制来促使用户调整自己的用电需求，诸如分时定价TOU（time-of-use，电价预先设定，如每半年设定一次）、阶梯定价（Tiered Pricing，上海市阶梯电价情况如错误!书签自引用无效。所示）以及实时定价等。这对于电网来说，可以移峰填谷，提供电压支持（高负荷时放电抑制电压下降）；对用户来说，购买低电价的电量可以节省花费，向电网供电还可以获得电价补偿。所谓调频，可以说是一种辅助机制，旨在短时间内微调电网的频率，比如以分钟级调整。通常此应用方向需要研究内容包括能量成本最小化问题、定价策略、充电调度、调频以及调峰。

表 I 上海市阶梯电价

办理享受“一户多人口”政策用户 一般用户 户籍5人及以上 户均0-3120度（含）（260*12） 第一档 户均3120-4800度（含） 超第二档临界点当月 第二档 峰加价 0.05元 谷加价 0.05元 峰加价 0.06元 未分时 0.05元 谷加价 0.03元 也可选择全电量每度平均加价0.024元执行 户均0-4320度（含）（360*12） 不加价 户均4320-6000度（含） 超第二档临界点次月起 户籍7人及以上 户均超过4800度（400*12）的部分 超第三档临界点当月 第三档 峰加价 0.3元 谷加价 0.3元 户均超过6000度（500*12）的部分 超第三档临界点次月起 峰加价 0.36元 未分时 0.3元 谷加价 0.18元 文献[6]涉及的是V2G的调峰应用，解决的是分时电价下的日常能量成本最小化问题，在真实电池模型下，结合考虑能量的双向流动、马尔科夫调制过程的能量需求、电池特性以及分时电价，基于动态规划定义能量成本最小化问题。文献[7]结合频繁充放电引起的电池寿命缩短以及高温环境下的使用，分析了使用纯电动汽车（BEV）作为能量存储的成本，基于厂商数据建立了充放电，室温环境，放电深度（DoD）以及EV电池退化间的数学关系式。文献[8]研究了PHEV在时变电价信号下的充电曲线优化的凸二次规划框架，采用等效电路电池模型计算充放电时的电池能量损耗，并将PHEV的总燃料和电费成本化为电池荷电状态的二次函数。文献[9]涉及的是V2G的调频应用，提出了一种推得APC（achievable power capacity）概率分布的方法，基于APC的概率分布计算aggregator的功率容量，并结合可能的惩罚项针对四种可能的合同类型分别建立利润函数，最优的CPC（contracted power capacity）值由最大化相应的利润函数求得。文献[10]提出一种在配电网侧对aggregator进行充电控制的VOS（vehicle-originating-signals）法，目的是使得总电力消耗接近给定的目标曲线，其中信号反映了EV的

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充电需求以及供应电力的意愿。

2）虚拟发电厂（VPP）

针对单一EV充放电负荷小，电池容量有限以及电池消耗问题，提出电动汽车群（aggregator）的概念。部分文献将aggregator作为一种中间系统，将一定区域内接入电网的EVs组织起来，成为一个集体，服从中间系统的统一调度。其中，aggregator可以允许EVs构成一个合作群体，其中可包含充电成员以及放电成员或仅包含其中一种，充放电双方可形成一种直接的电力交易，aggregator和aggregator之间也可以进行电力交易，该aggregator具有一定规模的可调度负荷和储能容量，V2G下的aggregator能量流动概念图如图 2所示。aggregator可存储具有间歇性特征的可再生能源所发电量，并在负荷峰值时，向电网馈送能量，故可看成是一个虚拟发电厂，可减少高成本的峰值机组的启用的同时，增加可再生能源的消纳，达到供需平衡。因此，VPP概念可用于微电网和孤岛。通常此应用方向需要研究内容包括建立aggregator的相关模型、aggregator/EV的可用电力容量的估算、新能源和EV的联合调度研究以及电池模型的建立（涉及充放电时的能量损失、受限的电池容量、充放电率、电力的双向传输对电池的要求）。

ChargingControl CenterAggregator AAggregator BDischargingAggregator CPower GridCommunication FlowEnergy Flow Between Grid and AggregatorEnergy Flow in an Aggregator/Between Aggregators

图 2 Aggregator能量流动概念图

文献[11]描述了估算V2G停车场系统的电力容量的数学模型，将EV供需模型化为排队论问题，并评估了其电力市场潜能。文献[12]研究的是估算配有光伏（PV）雨蓬的V2G停车场（VPL）的电力容量的数学模型，将EV的供需模型化为排队论问题，考虑了充电时电池充电器效率对电力需求的影响以及放电时逆变器效率对其的影响。文献[13]提出一种每半小时估算V2G容量的算法，用于作为建筑能源管理系统（BEMS）的一部分，BEMS使用所预测的建筑荷载需求以及EV的充电曲线来估算V2G容量，而BEMS对EV的充放电调度则将所估算的V2G容量以及可再生能源考虑在内。

3）V2B/V2H（vehicle to building/vehicle to house）

V2G技术可实现在峰值负荷时，将EV中所存储能量供应给商业建筑或居住建筑，图1中就包括了V2G的这项辅助应用。该方向涉及家庭能量管理系统以及停车场的模型建立以及充放电调度优化问题。

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2.2 V2G技术涉及的问题与挑战

1）适用于V2G技术的双向通信的建设、安全问题和隐私保护问题

双向的能量流动控制是实现V2G的关键技术，对充放电的能量管理以及优化调度等都基于电网状态以及各种实时信息，这些都需要可靠的双向通信网络来支持。

V2G网络的运行是基于不断得监测EV状态以及合理设计的激励机制以吸引EVs足够的参与度。然而密切的监测就易于引起EV用户的隐私问题，包括身份、位置信息泄露以及个人偏好等，部分文献对此问题进行了研究。

文献[14]研究的是V2G网络中的隐私保护问题，提出了一种精确的合理的报酬机制以及一种安全通信架构，以保护电动汽车用户的隐私。文献[15]针对传统的认证机制只考虑了电动汽车作为能量消耗者，并不适用于在V2G场景下多角色（能量消耗、存储以及供应）的电动汽车的安全和隐私保护，提出一种依赖于角色的隐私保护机制（ROPS）。

2）充电基础设施的建设、电池技术

充电基础设施是支持EVs大范围运用的重要组成部分，但对其的建设过程中有很多需要解决的问题，诸如位置的选址，充电桩的放置，电压和电力水平等。

电池技术包括电池存储技术、电池状态监测技术等。目前纯电动汽车大量引入的最大绊脚石是由于目前的电池未能胜任内燃机驱动的汽车所能给我们带来的便利。

3）EV用户的配合与积极参与

V2G的各项辅助功能都离不开用户的配合，若想期许V2G成为现实，必须消除用户的各种疑虑与担忧。诸如a）EV的购买价格和维护成本高于内燃机驱动汽车，能否在电池寿命期间收回成本；b）EV的行驶范围较短，且充电时间长；c）向电网出售所存储电力是否具有经济效益；d）频繁充放电会导致电池退化，缩短电池寿命，以及电力系统对电池的影响。

3. 结论

EV有利于减少温室气体排放，有不错的经济效益，EV并入电网可提供大规模的可控储能装置。V2G技术的存在就是实现电网与EV之间能量的双向流动，增加EV用户与电网的互动性，EV用户不再只是能量消耗者，也可以是能量供应者。在合理充放电控制下可提供调频、电压控制、旋转备用等辅助服务，可有效缓和间歇性的可再生能源大规模并入电网所带来的电网波动性，提高电网的效率、灵活性以及可靠性。而在实现以上辅助服务的过程中，还存在着很多挑战以及需要解决的问题。比如说，需要建设适用于V2G特性的双向通信网络；如何对用户进行隐私保护、漏洞分析；如何制定激励机制以吸引用户参与到电力交易中。综上所述，对V2G技术的研究具有非常重要的意义。本文对V2G技术作了简要概述，主要阐述了其概念、应用、研究内容与方向以及待解决的问题。

参考文献

[1] [2] [3]

Su W, Habiballah R E, Zeng W, and Chow M Y, A Survey on the Electrification of Transportation in a Smart Grid Environment, IEEE Trans. Industrial Informatics, 2012, 8(1): 1-10

Hosseini S S, Badri A, and Parvania M, The Plug-in Electric Vehicles for Power System Applications: The Vehicle to Grid (V2G) Concept, 2012 IEEE International Energy Conference and Exhibition, Florence, Sept. 2012: 1101-1106 Mets K, Verschueren T, Turck F D, and Develder C, Exploiting V2G to optimize residential energy consumption with electrical vehicle (dis)charging, 2011 IEEE First International Workshop on Smart Grid Modeling and Simulation, Brussels, Oct. 2011: 7-12

5

[4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

Raghavan S S, and Khaligh A, Electrification Potential Factor: Energy-Based Value Proposition Analysis of Plug-In Hybrid Electric Vehicles, IEEE Trans. Vehicular Technology, 2012, 61(3): 1052-1059

Chukwu U C, and Mahajan S M, Real-Time Management of Power SystemsWith V2G Facility for Smart-Grid Applications, IEEE Trans. Sustainable Energy, 2014, 5(2): 558-566

Liang H, Choi B J, Zhuang W, and Shen X, Towards Optimal Energy Store-Carry-and-Deliver for PHEVs via V2G System, 2012 Proceedings IEEE INFOCOM, FL, March. 2012: 1674-1682

Zhou C, Qian K, Allan M, and Zhou W, Modeling of the Cost of EV Battery Wear Due to V2G Application in Power Systems, IEEE Trans. Energy Conversion, 2011, 26(4): 1041-1050

Bashash S, and Fathy H K, Cost-Optimal Charging of Plug-In Hybrid Electric Vehicles Under Time-Varying Electricity Price Signals, IEEE Trans. Intelligent Transportation Systems, 2014, 15(5): 1958-1968

Han S, Han S, and Sezaki K, Estimation of Achievable Power Capacity From Plug-in Electric Vehicles for V2G Frequency Regulation: Case Studies for Market Participation, IEEE Trans. Smart Grid, 2011, 2(4): 632-641

Razo V, Goebel C, and Jacobsen H A, Vehicle-Originating-Signals for Real-Time Charging Control of Electric Vehicle Fleets, IEEE Trans. Transportation Electrification, 2015, 1(2): 150-167

Chukwu U C, and Mahajan S M, V2G Electric Power Capacity Estimation and Ancillary Service Market Evaluation, 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, CA, July. 2011: 1-8

Chukwu U C, and Mahajan S M, V2G Parking Lot With PV Rooftop for Capacity Enhancement of a Distribution System, IEEE Trans. Sustainable Energy, 2014, 5(1): 119-127

Kumar K N, Sivaneasan B, Cheah P H, So P L, and Wang D Z W, V2G Capacity Estimation Using Dynamic EV Scheduling, IEEE Trans. Smart Grid, 2014, 5(2): 1051-1060

Yang Z, Yu S, Lou W, and Liu C, P2: Privacy-Preserving Communication and Precise Reward Architecture for V2G Networks in Smart Grid, IEEE Trans. Smart Grid, 2011, 2(4): 697-706

Liu H, Ning H, Zhang Y, Xiong Q, and Yang L T, Role-Dependent Privacy Preservation for Secure V2G Networks in the Smart Grid, IEEE Trans. Information Forensics and Security, 2014, 9(2): 208-220

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