1、電動汽車發(fā)展歷程
利用電能驅(qū)動的交通工具主要包括有軌電車、電氣化鐵路、電驅(qū)動飛機、電動汽車等,已有近200年的發(fā)展歷程。在19世紀上半葉,已有電力驅(qū)動交通工具的實驗及專利問世。不過,由于電池技術等的限制,這一時期的電動汽車主要采用無法重復充電的原電池驅(qū)動。到了19世紀下半葉,可充電的鋰電池技術使得電能驅(qū)動車輛得到了迅速發(fā)展,并在19世紀末期實現(xiàn)了電池驅(qū)動電動汽車的規(guī)模化生產(chǎn),進入了電氣化交通發(fā)展的一個黃金時期。在20世紀初期,電池驅(qū)動的汽車約占美國總汽車保有量的三分之一。
由于電池技術的局限,早期電動汽車在續(xù)航里程、行駛速度等方面無法與內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車相媲美。從20世紀20年代開始,電動汽車逐漸被內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車所取代,對電動汽車技術的研究在相當長的時期內(nèi)也大多局限于原型車的研制。隨著全球性的化石能源危機和環(huán)境問題逐步凸顯,電動汽車從20世紀末期開始重新回到了公眾的視野。在電池技術、充電技術、可再生能源發(fā)電技術等取得明顯發(fā)展的背景下,電動汽車可以有效減少對化石燃料的消耗和對環(huán)境的污染,且有望逐步實現(xiàn)不遜色于內(nèi)燃機汽車的行駛特性。近年來,電動汽車開始逐步獲得市場認可,且已經(jīng)成為許多國家乘用車電氣化改革的重中之重。
現(xiàn)有的電動汽車可以從總體上分為純電動和混合動力兩大類。其中,主流的純電動汽車(BEV)主要采用鋰電池驅(qū)動,而混合動力汽車則可進一步細分為油電混合動力汽車(HEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)兩類。常見的電動汽車類型和典型參數(shù)如下表所示。
2、電動汽車接入電力系統(tǒng)的相關研究
BEV和PHEV的電池需要接入電力系統(tǒng)進行充電。當BEV和PHEV的數(shù)量達到一定規(guī)模時,電動汽車充電行為會顯著增加電力系統(tǒng)尤其是配電系統(tǒng)的負荷,同時對電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行等方面提出了更高的要求。另一方面,接入電力系統(tǒng)的電動汽車電池可被視為儲能元件,有助于改善電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟運行。近年來,就電動汽車對電力系統(tǒng)影響與其他相關問題,國內(nèi)外專家學者做了相當多的研究,主要包括以下幾個方面。
1)電動汽車充電負荷預測與建模
受車主行駛習慣等難以預測因素的影響,電動汽車充電負荷具有充電需求、充電時刻、充電地點等時空不確定性。影響電動汽車充電負荷的因素包括但不局限于車輛類型和參數(shù)、車主行駛需求和行駛習慣等。電動汽車充電負荷預測通常基于對歷史行駛數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學分析,模擬行駛里程的分布函數(shù),并依此預測單個/集群電動汽車的充電負荷需求。在對電動汽車充電負荷時空分布特性進行分析時,則需要在計及車主行駛習慣的基礎上,結合交通網(wǎng)絡和電力網(wǎng)絡等空間信息,對電動汽車的停車位置、停車時長、充電需求等綜合考慮。
2)電力網(wǎng)絡接納電動汽車的能力分析和充/換電設施的建設規(guī)劃
分析電力網(wǎng)絡接納電動汽車的能力一般需要考慮配電系統(tǒng)容量、電壓分布、三相不平衡度、負荷增長情況等。電動汽車充換電設施主要包括集中式充電站、快速充電站、換電站和離散式的充電樁。現(xiàn)有研究側(cè)重于集中式充換電站的選址定容問題,在考慮充換電站的服務半徑和地理環(huán)境因素基礎上,對交通系統(tǒng)網(wǎng)絡、交通流量和充電需求、充換電站的電氣屬性(節(jié)點電價、網(wǎng)絡擁塞程度等)、與配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃等諸多因素進行了探索。對于離散型充電樁的布局問題,一般根據(jù)交通網(wǎng)絡和電動汽車分布情況確定,并適當考慮配電系統(tǒng)運行約束。
3)電動汽車有序充電策略
對電動汽車充電進行適當引導有助于維持甚至改善電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。電動汽車車主可以通過優(yōu)化充電策略來降低充電成本,而電動汽車充換電站則可以充分利用電價機制來提升運營效益。制定以降低車主充電成本為目標的充電策略需要考慮充電價格機制對充電成本的影響,例如分時電價、實時電價、考慮負荷彈性的電價等,可采用分層、多代理等結構建立車主有序充電的模型。充換電站的運營優(yōu)化則以最大化運營效益為目標,以充電價格機制為基礎,適當考慮充電站的服務能力、車主充電需求、換電站的運營模式、電池管理模式等因素。
4)電動汽車參與電力系統(tǒng)運行的互動協(xié)調(diào)策略
通過利用電動汽車電池的儲能功能,電動汽車對電力系統(tǒng)優(yōu)化運行的貢獻主要體現(xiàn)在三個方面:削峰填谷,平滑系統(tǒng)負荷曲線;改善潮流分布,減少網(wǎng)絡阻塞、減低網(wǎng)損和系統(tǒng)運行成本;與間歇性可再生能源發(fā)電互補,增強電力系統(tǒng)消納間歇性可再生能源發(fā)電的能力。通常利用調(diào)度和控制手段,對電動汽車電池充電計劃進行優(yōu)化管理。現(xiàn)有文獻主要考慮了電動汽車的充電需求和充電功率特性、電力系統(tǒng)運行約束、間歇性可再生能源發(fā)電出力的不確定性、不同的充電價格機制等因素的影響,對平滑負荷波動、削峰填谷、平抑間歇性可再生能源發(fā)電出力波動、均衡潮流分布、降低網(wǎng)絡損耗、降低機組組合成本、減少碳排放成本等多種目標進行了較為廣泛的研究。
5)電力市場環(huán)境下電動汽車與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行策略
在電力市場環(huán)境下,電動汽車可以參與電力輔助服務市場,利用電池的儲能特性和快速響應能力為系統(tǒng)提供調(diào)頻等輔助服務,獲取一定的收益。為滿足輔助服務市場的準入條件,通常由代理商等中間機構,將一定數(shù)量的電動汽車進行集群。在滿足電動汽車行駛需求的前提下,對電動汽車參與市場的準入機制、相關的市場設計、電動汽車在調(diào)頻等輔助服務市場的經(jīng)濟效益分析、能量和輔助服務市場的協(xié)調(diào)互動、電動汽車代理商的競價策略和博弈問題、電動汽車與其他可控負荷聚類的市場競價策略、電動汽車電池響應調(diào)頻信號的調(diào)度控制策略等方面開展了比較廣泛而初步的研究。
6)電動汽車與智能交通系統(tǒng)的交互作用
作為智能交通系統(tǒng)的組成部分,電動汽車的行駛特性與交通系統(tǒng)相互影響。在考慮電動汽車行駛行為、充電需求以及充換電設施可用性、交通擁堵情況、交通網(wǎng)絡約束等因素的基礎上,已有針對電動汽車充換電地點和時間分配、電動汽車充換電路徑導航等方面的研究。利用交通系統(tǒng)信息,可以減少電動汽車充換電的排隊時間、行駛距離和時間,同時也可以在相當程度上減輕交通系統(tǒng)擁堵,提高電動汽車充換電設施利用率。
從時間尺度上,可以將電動汽車相關研究之間的關系用下圖表示:
電動汽車相關研究之間的關系圖