安科瑞 陳聰

   摘要：隨著我國“3060”雙碳目標(biāo)的確立，新能源汽車與可再生能源協(xié)同優(yōu)化策略研究已成為一種趨勢(shì)。本文概述了電動(dòng)汽車、新能源接入對(duì)電網(wǎng)的影響，從提升新能源消納水平采取的主要方式以及對(duì)于電動(dòng)汽車的考慮形式和約束條件兩方面綜述了考慮新能源消納的電動(dòng)汽車有序充電策略研究現(xiàn)狀，并對(duì)相關(guān)方向未來的發(fā)展進(jìn)行展望，旨在為推動(dòng)新能源汽車與可再生能源的高效協(xié)同發(fā)展提供參考依據(jù)。

      關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；有序充電；新能源消納

一、引言

      自《巴黎協(xié)定》以來，世界多國相繼提出了碳中和發(fā)展目標(biāo)。2020年9月，我國明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，加快能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加速能源綠色低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。

      根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，自2012年至2021年，我國一次能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中化石能源占比從88.8%下降到79.7%，清潔能源消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的比重由14.5%上升到25.5%?？傮w來看，化石能源占比仍然較高，且短時(shí)間內(nèi)化石能源主體地位難以改變。為了實(shí)現(xiàn)我國“3060”碳達(dá)峰碳中和的發(fā)展目標(biāo)，國務(wù)院在《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中提出要加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系。因此，提升可再生能源占比、促進(jìn)可再生能源高水平消納，成為“十四五”期間我國可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵。同時(shí)，發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)也是我國應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措之一。促進(jìn)新能源汽車與可再生能源高效協(xié)同，鼓勵(lì)“綠電綠用”，能夠提升可再生能源應(yīng)用比例，降低新能源汽車用電成本，提高電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻響應(yīng)能力。

      在此背景下，深入研究考慮新能源消納的電動(dòng)汽車有序充電策略顯得尤為重要，本文將圍繞該主題展開詳細(xì)探討，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望。

二、電動(dòng)汽車、新能源接入對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1.1負(fù)荷特性改變與峰谷差加劇

      近年來，電動(dòng)汽車保有量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，其充電行為使得電網(wǎng)的負(fù)荷特性發(fā)生了顯著變化。電動(dòng)汽車的充電時(shí)間分布具有一定的集中性特點(diǎn)，很多用戶習(xí)慣在下班后或夜間進(jìn)行充電，這導(dǎo)致電網(wǎng)原本的負(fù)荷峰谷分布出現(xiàn)了明顯改變。例如，在城市居民用電場(chǎng)景中，通常傍晚時(shí)分至夜間是居民生活用電的高峰時(shí)段，而大量電動(dòng)汽車在此時(shí)集中充電，進(jìn)一步加劇了電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差。

2.1.2電能質(zhì)量面臨挑戰(zhàn)

      電動(dòng)汽車充電設(shè)備屬于非線性負(fù)載，在充電過程中會(huì)產(chǎn)生諧波電流注入電網(wǎng)，進(jìn)而引發(fā)一系列電能質(zhì)量問題。一方面，諧波電流容易造成電網(wǎng)電壓畸變，使得電網(wǎng)電壓波形偏離正弦波，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，一些對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的精密儀器設(shè)備，在電網(wǎng)電壓畸變的情況下，可能出現(xiàn)測(cè)量誤差增大、運(yùn)行故障甚至損壞等情況。另一方面，大量電動(dòng)汽車分散且隨機(jī)的充電行為還可能導(dǎo)致電網(wǎng)的三相不平衡問題，三相電壓或電流的幅值、相位出現(xiàn)偏差，降低電網(wǎng)的供電效率，增加線路損耗，嚴(yán)重時(shí)可能影響整個(gè)供電區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在部分老舊小區(qū)，由于電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)薄弱，當(dāng)多輛電動(dòng)汽車同時(shí)充電時(shí)，電能質(zhì)量問題尤為突出，居民家中的電器設(shè)備時(shí)常會(huì)出現(xiàn)閃屏、異常發(fā)熱等現(xiàn)象，給居民的正常生活用電帶來諸多不便。

2.1.3配電網(wǎng)容量與線路壓力增大

      電動(dòng)汽車充電時(shí)需要從電網(wǎng)獲取電能，眾多電動(dòng)汽車同時(shí)充電會(huì)使局部配電網(wǎng)的供電容量面臨巨大壓力。特別是在一些充電樁集中分布的區(qū)域，如大型商業(yè)中心停車場(chǎng)、住宅小區(qū)等，如果配電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)未充分考慮電動(dòng)汽車充電需求，可能出現(xiàn)變壓器過載、線路載流量超標(biāo)等情況。例如，某老舊住宅小區(qū)原本的變壓器容量是按照居民生活用電需求設(shè)計(jì)的，隨著越來越多的居民購置電動(dòng)汽車并在小區(qū)內(nèi)充電，當(dāng)同時(shí)充電的車輛數(shù)量超過一定限度時(shí)，變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，不僅加速了設(shè)備的老化，還可能因過載引發(fā)跳閘事故，影響整個(gè)小區(qū)的正常供電。而且，大量的充電電流在線路中傳輸，會(huì)使線路發(fā)熱加劇，增大線路損耗，對(duì)線路的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，可能需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造以滿足日益增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車充電需求。

2.2新能源接入對(duì)電網(wǎng)的影響

2.2.1功率平衡與調(diào)度難度提升

      新能源發(fā)電（如風(fēng)電、光伏發(fā)電等）具有間歇性、波動(dòng)性以及隨機(jī)性的顯著特點(diǎn)。以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比關(guān)系，風(fēng)速的自然變化導(dǎo)致風(fēng)電功率輸出極不穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，時(shí)而滿發(fā)，時(shí)而功率趨近于零。同樣，光伏發(fā)電的功率輸出取決于光照強(qiáng)度和日照時(shí)長(zhǎng)，天氣狀況（晴天、陰天、多云等）以及季節(jié)變化都會(huì)使其發(fā)電功率產(chǎn)生劇烈變化。大規(guī)模的新能源接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)需要實(shí)時(shí)維持功率平衡變得愈發(fā)困難，傳統(tǒng)的基于穩(wěn)定電源的調(diào)度方式難以適應(yīng)新能源的這種特性。例如，在一個(gè)以風(fēng)電為主的地區(qū)電網(wǎng)中，當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)天氣時(shí)，風(fēng)電大發(fā)，若不能及時(shí)消納或合理調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率升高超出安全范圍；而在風(fēng)速較低的時(shí)段，風(fēng)電功率銳減，又需要其他電源快速補(bǔ)充功率缺額，這對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度靈活性和快速響應(yīng)能力是極大的考驗(yàn)，增加了電網(wǎng)運(yùn)行控制的復(fù)雜性和難度。

2.2.2電能質(zhì)量波動(dòng)問題

      新能源發(fā)電的波動(dòng)性同樣會(huì)引發(fā)電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題。由于新能源發(fā)電功率的頻繁變化，可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，在一些新能源接入比例較高的地區(qū)，電壓波動(dòng)幅度有時(shí)會(huì)超出正常允許范圍，影響到電網(wǎng)中各類用電設(shè)備的正常運(yùn)行。而且，部分新能源發(fā)電設(shè)備在轉(zhuǎn)換電能過程中也可能產(chǎn)生諧波，與電動(dòng)汽車充電諧波疊加后，進(jìn)一步惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量環(huán)境，使得電網(wǎng)的電壓暫降、閃變等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，增加了對(duì)電能質(zhì)量治理的難度，對(duì)敏感負(fù)荷（如電子制造企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、醫(yī)院的精密醫(yī)療儀器等）的正常運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的潛在威脅

      新能源的分散式接入以及大規(guī)模并網(wǎng)，改變了電網(wǎng)的潮流分布和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了諸多潛在威脅。一方面，新能源發(fā)電的隨機(jī)性使得電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)難以精確預(yù)測(cè)，電網(wǎng)在應(yīng)對(duì)故障或擾動(dòng)時(shí)的恢復(fù)能力受到挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生局部故障后，新能源發(fā)電單元由于缺乏有效的慣性支撐，可能無法像傳統(tǒng)火電、水電那樣提供穩(wěn)定的有功功率和無功功率，延緩電網(wǎng)的恢復(fù)過程，甚至可能引發(fā)連鎖故障，擴(kuò)大停電范圍。另一方面，新能源接入點(diǎn)的增多，使得電網(wǎng)的短路電流水平、系統(tǒng)阻尼特性等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化，需要重新評(píng)估和優(yōu)化電網(wǎng)的保護(hù)配置、安全穩(wěn)定控制策略等，以保障電網(wǎng)在各種工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，否則可能因保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)等情況，影響電網(wǎng)的可靠供電。

三、考慮新能源消納的電動(dòng)汽車有序充電策略研究現(xiàn)狀

3.1提升新能源消納水平采取的主要方式

3.1.1儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

      通過配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，如鋰電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能等，在可再生能源發(fā)電過剩時(shí)儲(chǔ)存電能，在發(fā)電不足或用電高峰時(shí)段釋放電能，起到平滑功率波動(dòng)、削峰填谷的作用，有效提高新能源的消納能力。例如，在一些大型的風(fēng)電場(chǎng)附近建設(shè)配套的儲(chǔ)能電站，當(dāng)風(fēng)速較大風(fēng)電大發(fā)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；而在風(fēng)速較小時(shí)或者用電高峰，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電來補(bǔ)充電力缺口。

3.1.2需求響應(yīng)機(jī)制

      引導(dǎo)電力用戶根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況和電價(jià)信號(hào)等，調(diào)整自身用電行為。對(duì)于電動(dòng)汽車用戶而言，可以通過制定分時(shí)電價(jià)策略，鼓勵(lì)其在低谷電價(jià)時(shí)段充電，避開電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)段，從而間接為新能源消納騰出空間，提高電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力。

3.2對(duì)于電動(dòng)汽車的考慮形式和約束條件

3.2.1考慮形式

      在有序充電策略制定中，通常會(huì)考慮電動(dòng)汽車的充電時(shí)間、剩余電量、用戶出行需求等因素。比如，借助智能充電管理系統(tǒng)預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車用戶的下次出行時(shí)間，以此來合理安排充電時(shí)長(zhǎng)和充電功率，確保既滿足用戶出行需求，又能使充電行為符合電網(wǎng)整體的優(yōu)化調(diào)度要求。

3.2.2約束條件

      主要包括電網(wǎng)側(cè)的容量限制、電壓約束以及線路載流量限制等。從電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行角度出發(fā)，不能因?yàn)殡妱?dòng)汽車的充電而使局部電網(wǎng)出現(xiàn)過載、電壓越限等問題；同時(shí)，也要考慮用戶側(cè)的經(jīng)濟(jì)成本和使用便捷性等因素，不能因過度追求電網(wǎng)優(yōu)化而給用戶帶來過高的費(fèi)用負(fù)擔(dān)或使用不便。

四、安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)助力有序充電開展

4.1概述

      AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

      適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

        小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

        智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

       設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

        在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

五、考慮新能源消納的電動(dòng)汽車有序充電策略未來發(fā)展展望

      隨著科技的不斷進(jìn)步和能源轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn)，未來在該領(lǐng)域有望取得更多的突破和發(fā)展。一方面，智能電網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步完善，能夠更加精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)新能源發(fā)電功率和電動(dòng)汽車充電需求，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的充電調(diào)度和新能源消納管理。另一方面，隨著車網(wǎng)互動(dòng)（V2G）技術(shù)的逐步成熟，電動(dòng)汽車不僅可以作為用電設(shè)備從電網(wǎng)充電，還能在電網(wǎng)需要時(shí)將自身儲(chǔ)存的電能反饋給電網(wǎng)，成為移動(dòng)的儲(chǔ)能單元，極大地提升電網(wǎng)對(duì)新能源的消納靈活性和整體的調(diào)節(jié)能力。此外，相關(guān)政策的持續(xù)完善和細(xì)化，將進(jìn)一步引導(dǎo)和規(guī)范電動(dòng)汽車有序充電以及新能源消納行為，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)朝著更加綠色、高效、可持續(xù)的方向發(fā)展。

六、結(jié)論

      考慮新能源消納的電動(dòng)汽車有序充電策略研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國“3060”雙碳目標(biāo)，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和綠色發(fā)展具有重要意義。本文分析了電動(dòng)汽車、新能源接入對(duì)電網(wǎng)的影響，綜述了當(dāng)前相關(guān)策略的研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)介紹了安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)在其中的應(yīng)用與作用，最后對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行了展望。希望通過各方的共同努力，不斷優(yōu)化相關(guān)策略和技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)新能源汽車與可再生能源的深度協(xié)同，助力我國早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。

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