电动汽车与智能电网从V2G到B2G的全新结合模式

随着石油资源的枯竭以及可再生能源技术的迅猛发展，发展新能源汽车，尤其是纯电动汽车已经是大势所趋[1-2]。作为未来电网中比重庞大的负荷，同时又兼具大规模能量存储能力的电动汽车动力电池，在实现智能电网的过程中，势必要扮演一个举足轻重的角色[3-5]。

　　2)大功率充放电装置。与一般的综合性换电站不同，大型集中储能充电站的充放电规模和容量都要更加庞大，这就需要研发和建设大功率的充放电装置和网络。此外，与V2G 向配电网放电不同，大型集中储能充电站依托于高压变电站，其放电地点可能位于高压输电网络。因此，与V2G 以每一台电动汽车为基本控制单元不同，B2G 的放电基本控制单位可能需要具有相当大的容量和规模才能够实现并网发电，这也需要集中充电站在建设和管理方式上与其相适应。

　　2 实现B2G 的基本要素

　　然而，从V2G 命名本身强调车辆(Vehicle)来看，就可以发现在传统思维中，一直将车辆与电池作为一个整体来看待，将充放电的主体始终默认为车辆。在这种思维方式下，人们将一些电动汽车本身的属性也默认成了动力电池的属性。电动汽车分属于千百万不同的用户，其具有明显的移动、分散以及相应的与电网连接的时间和地点的不确定性。由于电动汽车的产权分属于不同用户，电动汽车接入电网及其充放电的操作权限也相应的归属于不同用户，造成了分布式决策的局面。同时，车辆作为人们日常生活的工具，其连接入电网的位置势必广泛分布于配电网，而其作为分布式电源向电网输送电能必然造成配电网潮流的复杂变化，为配电网的运行带来诸多不确定的冲击和影响。将这些车辆的属性等同看成电池的属性，造成了V2G 实施中面临的一系列困难和障碍，很多研究一直延续这种思维方式，试图从这些束缚中寻找突破。

　　1)资产关系解耦。与燃油汽车相似，用户在购买汽车时，并不愿意为了确保能够获得固定数量的燃油供应而额外支付一笔保证费用，因此对于电动汽车来说，让用户为确保获得电能供应而单独为电池付费并不完全合理[14]。此外，电池的所有权也直接决定了对于电池的充放电操作的决策权，资产关系的解耦是其他解耦和技术路线的前提，只有专业的充换电运营公司掌握了电池的所有权，才能更好地避免汽车用户的意愿对电池利用的限制和约束，同时大大降低决策的复杂程度和主体数量。

　　4)电池数量以及容量配置。在建设大型集中储能充电站中，如何规划电池的数量以及充电设施的容量也是重要的技术挑战。如果系统不仅担负着电动汽车的动力服务，而且还担负着为电网优化运行以及提供储能服务的职责，则其电池的数量和充放电设施容量，在满足电动汽车动力服务需求的基础上，还需要具有一定的冗余。一方面，集中充电站为了实现削峰填谷只能选择有限的时段进行充电;另一方面电池作为储能装置不能完全投入电动汽车的动力服务，所以合理的配置电池资源和容量显得尤为重要。

　　1)选址。大型集中储能充电站可以根据其功能定位和具体条件进行选址。一般可借助于35.kV以上的变电站进行建设，可以解决场地和容量的限制。如果希望与可再生能源发电配合运行，例如风电，也可在条件允许时选择与风电场一起合理规划布局，使该电站同时肩负充电以及通过储能改善风电场并网运行的双重功能，从而实现优化配置资源。

　　3)电动汽车动力服务与电池充放电操作的时间解耦。电动汽车整车充电模式下，动力电池连接入电网充放电的时间与电动汽车运行行驶的时间难免会形成矛盾，而电网由于自身运行安全和成本效益的考虑，对动力电池充放电的时间又具有特殊的要求。因此在V2G 中，很多技术和方法都是针对这种矛盾来寻求2 者在时间上的平衡，但这种平衡毕竟是在约束下的有限度的平衡。因此，换电模式将电动汽车动力服务与电池充放电操作进行了时间解耦，对于电网而言，解决了其利用动力电池优化运行和安全的最大障碍。

　　3)谐波治理。谐波是电动汽车充放电的固有产物，也引起了学术界的广泛关注和研究。但是，在集中充电站，谐波的规模和幅度可能要远远超出在配电网进行的整车充放电。然而，同时这也为谐波的集中治理提供了契机，避免了谐波在配电网中的分散和传播。目前高压直流输电中成熟的大功率交直流转换技术以及谐波治理技术，都可以为建设集中储能充电站的大功率充放电装置和谐波治理提供技术支持。

　　3 基于B2G 的有序充放电管理

　　通过由电网统一规划调度大型集中储能充电站的电池充放电，是实现基于B2G 的有序充放电管理的明显特征，也是其克服V2G 分散、难以计划以及难以控制的核心方法。但是要实现电池集中充放电的调度，势必要保证电池资源能够按照调度计划进行配置，且不影响充换电服务网络的正常运行。而这种配置要依靠电池配送调度来实施和保障。电池的配送要依靠配送车辆来实施，而如何组织和调度配送车辆既涉及到配送调度能否实施，也涉及到调度的成本。

　　有序充电这一概念本身是站在电网的角度来审视电动汽车动力电池的大规模充电问题，而对于电动汽车及其用户而言，并不存在“有序”或“无序”的区别。如果动力电池的充电负荷按照电网调度的期望实现有序管理，达到可预测、可调度和可控制，不仅可以大大减少投入，甚至还可以优化电网运行效率。此外，动力电池作为储能装置在必要时向电网提供电能支撑，还可以进一步优化电网的运行效率以及安全保障。但是在整车充电和V2G模式之下，因为电池的所有权和充电的决策权在用户手中，用户基于其自身的未来行驶需求各自分散进行充电决策，预测这种充电负荷时间和地点的分布势必会面临巨大的不确定性。而要引导用户按照电网运行所期望的方式(时间、地点)进行充电，需要借助一系列的政策和服务作为手段，借助于需求侧管理的方式实现对于充电负荷的调度，但这种调度无论是在精度还是有效性上都难以获得保障。在引入V2G 之后，要实现对大规模分散的电动汽车及其动力电池进行精确放电控制，所需要的通信网络建设和技术的难度与成本都将是巨大的。

　　由以上分析可以看到，从V2G 到B2G 的发展，对应了从整车充电到更换电池模式的转变，人们逐渐地意识到电动汽车与动力电池的资产关系并非先天的不可分割，而动力服务与电池的充放电操作的时间和地点也并非必然一致。而V2G 在资产关系、时间和地点上将电动汽车与动力电池僵化看待为一体，也因此造成了其实践中所要面对的诸多困难。例如，由于资产关系的约束，V2G 要面对决策变量和决策主体数量维数爆炸的困扰，对于用户参与和资源统计以及控制的态度不确定性的影响;由于地点的约束，各充放电地点广泛分散在配电网，且由于接入地点的随机性，造成了对配电网谐波和潮流等不确定性的冲击和影响;由于时间的约束，电网对于电池充放电时间的要求因为用户行驶需求和意愿的约束变得难以实现和平衡，且为实现这种沟通和平衡，其所消耗的资源和成本也会非常庞大。然而，通过3 种关系的解耦，在B2G 的模式下，这些问题就会迎刃而解。

　　2.3 一体化综合调度决策

　　2)电动汽车动力服务与电池充放电操作的地点解耦。由于动力电池的充电时间过长而无法满足人们快捷的动力服务的需求，电池更换模式彻底打破了电动汽车与电池一体化的思路，使电动汽车的动力服务与动力电池的充放电操作可以完全在不同的地点进行。由于分属于不同的所有者以及不确定的使用方式，电动汽车接入配电网的地点也同时具有分散和不确定的特点。而通过换电模式实现地点解耦，使得动力电池的充放电有可能摆脱对配电网的依赖和冲击，避免分散和随机而采用集中的方式，以避免诸多不确定性因素的影响。

　　通俗地讲，电池集中充放电的运行调度要解决在什么时间、什么地点为多少电池充入多少电量，或利用多少电池释放多少电量。而电池的配送调度则要保证在运行调度所指定的时间地点，有充足的电池资源以供电网调度实施其运行规划，而同时在充换电服务网络的各个服务站点都具有足够的电池资源以满足电动汽车动力服务的需要。为了保障电池调度规划的实行，配送车辆调度既要满足电池配送调度计划的顺利执行，又要优化配送调度的成本。因此这3 种调度并非彼此孤立，而是环环相扣的。正是这3 种调度的一体化设计和执行，才能够使电动汽车的充换电服务网络与电网紧密地结合在一起，彼此形成良性互动，而非彼此制约和负担。

　　1 电动汽车与动力电池的解耦