电动汽车充电机的技术与仿真.doc

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1、电动汽车充电机的技术与仿真摘要电动汽车的普及与推广将引致对大功率充电设备的大量需求，采用现代电力电子技术的大功率充电机是高度非线性的用电设备，对电网产生的谐波影响不容忽视。而本文简要介绍了电动汽车充电机的原理，建立了充电机的仿真模型图，并设置了主要参数，通过对充电机的仿真分析，得出了谐波电流的分布趋势。谐波在供电系统中的广泛存在，对电网和电力设备产生了严重的危害。伴随着电动汽车充电站数量的迅速提高，非线性设备和负荷大量使用，使谐波将越来越多地产生。为了抑制谐波以得到较好的电能质量必须对充电机产生的谐波进行评估。关键词：电动汽车；充电机；谐波AbstractThe promotion and p

2、opularization of the electric vehicles will lead to the large demand for high-power charging device， and the modern power electronic technique of charger is highly nonlinear electrical equipment. The impacts of a large number of charging station working on the grid cannot be ignored.The principle of

3、 the electromotor of automobile is introduced briefly. The emulational model of the electromotor is established， and the main parameter is set up. This paper educes the distributing trend of the resonance voltaic by the emulational analyzing of the electromotor.Key Word: electric vehicles; charger;

4、harmonics目录第一章 绪论11.1课题研究意义11.2课题研究现状11.3课题研究内容及方案2第二章 电动汽车42.1电动汽车概述概述42.2电动汽车发展现状42.3电动汽车的分类52.4电动汽车主要结构62.5电动汽车的主要技术82.6电动汽车接入电网的影响92.7对我国电动汽车的展望10第三章 V2G113.1概述113.2 V2G的功能113.3 V2G的可行性研究133.4 国内研究现状143.5 中国发展存在的障碍143.6 本章小结16第四章 基于电动汽车充电机的仿真研究174.1概述174.2充电机等效模型184.2.1充电机原理图184.2.2 充电机的一般结构184.

5、2.3 充电机等效模型194.3充电机的仿真204.3.1仿真模型图所示204.3.2 主要参数设置214.3.3仿真波形的输出224.4 本章小结26第五章 谐波抑制275.1 谐波的定义及产生的原因275.1.1 谐波定义275.1.2 谐波产生原因275.2谐波的分类275.3谐波的危害285.4抑制谐波有源电力滤波器295.4.1 APF的基本结构和基本工作原理295.4.2 APF 种类及适用条件305.4.3 APF 主电路参数的计算315.5 有源电力滤波器的仿真分析375.5.1 单相整流电路仿真375.5.2 APF控制系统的仿真385.6 本章小结41第六章 总结42致谢4

6、3参考文献44第一章 绪论1.1课题研究意义随着经济发展与能源供给、环境污染之间的矛盾的日益加剧，节能降耗和减少对化石燃料的依赖已经成为经济可持续发展迫切需要解决的问题。电动汽车(electricvehicle，EV)是全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，它以电代油，能够降低碳排放且噪声低，是解决交通、能源和环境问题的重要手段。与此同时，电动汽车对未来电力系统的可靠与经济运行以及可再生能源的接入也有着重要影响。作为一种灵活的充电负荷及储能装置，电动汽车可以为电力系统提供调频和备用等辅助服务推动可再生能源的广泛利用。在过去的10多年间，电动汽车技术尤其是电池技术取得了很大进步，成本也明显

7、下降。与此同时，能源安全、环境污染、全球气温变暖等逐步成为国际社会所普遍关心的重要问题。不少发达国家采用了以提高经济效率、保障能源安全、减少环境污染与温室气体排放为主要目标的能源政策。在这样的技术、经济、环境和政策背景下，电动汽车在国际上得到了比较快速的发展。随着电动汽车保有量的增加，电动汽车作为用电负荷的影响将日益增大，如控制协调得当，将会提高发电机组和电网的利用率，提高运行效益；如果协调不好，无序充电得不到有效控制，将会出现“峰上加峰”的情况，增大电网调峰难度，加大输配电网建设的压力，降低发电机组和电网的运行效率。而且电动汽车充电机是一种非线性设备，会对供电系统产生谐波污染，导致电网损耗增

8、加，同时会造成电压畸变、功率因数下降，影响电网中其它用电设备的正常运行。本文分析了电动汽车充电站对电网谐波影响，并提出了实施谐波治理方案。1.2课题研究现状由于电动汽车尚处于初期市场推广阶段，充电机和充电站的数量还很有限，缺少实践数据作为研究支持。目前国际上尚未在电动汽车充电方面出台相应的标准，我国各地已建的示范充电站在某些技术方面均存在差异，国家虽出台了充电接口的相应标准（GB/T 电动汽车传导式充电接口等），但也未对充电技术做出明确的规定。国内外学者对这方面的研究尚处在探索阶段，M.S.W.Chan 等人对单相充电机进行了建模，该模型假设单相二极管整流桥输出滤波电感足够大，保证充电机交流侧

9、电流为方波，所以可称之为单相方波模型，但由于实际应用的充电机距离该模型的假设条件较远，该方法的实际意义有限。PT.Staats 等人提出了一种预测一组纯电动汽车充电机总电流谐波的方法，该方法运用随机理论进行建模，能够分析各次谐波电流因在幅度和相位上的多样性而产生的相互抵消现象。但该方法基于中心极限定理，在分析时需要有足够大数量的充电机样条数量远远不足，因此分析结果有待进一步验证。另外有研究小组提出一种简化的充电站谐波工程算法，计算一个充电周期内的谐波变化特性和谐波最大值。总体说来，以上的研究成果缺乏对电动汽车充电系统建设过程中进行谐波抑制设计的指导作用。由于不同充电机产生的谐波存在相互抵消现象

10、，充电机台数的增加可能致使各次谐波含有率和电流总谐波畸变率减小。那么，充电机运行时对电网产生的谐波影响随充电机功率、数量增长的变化规律是怎样的？这些是在充电站大规模建设之前必须解决的问题。论文将通过建立实用的充电机和充电站仿真模型，仿真分析单台和多台充电机工作时对电网电能质量的影响，找出其谐波影响规律，为指导电动汽车充电系统建设提供理论基础。1.3课题研究内容及方案电动汽车充电机是一种非线性设备，工作时产生的谐波电流很高。谐波电流注入电网会造成电能质量降低、对公用电网造成污染。通常一个大型的充电站中有很多这样的充电机，因此，为了消除和抑制谐波污染，有必要对大型充电站产生的谐波进行预测研究。本文

11、将实现对充电机的仿真。第一章 绪论 阅读大量文献，研究电动汽车相关内容， V2G技术的发展现状及课题研究意义，确定研究内容和研究方案。第二章 研究电动汽车相关内容包括电动汽车的发展现状、电动汽车的分类，主要结构、相关技术及电动汽车接入电网的影响第三章 研究V2G技术的相关内容包括V2G的功能，可行性研究，国内外发展现状，中国发展V2G存在的障碍等。第四章 电动汽车充电机的仿真研究通过建立电动汽车充电机等效模型，应用Matlab/Simulink进行了充电机的仿真，对大型充电站产生的谐波进行预测研究。第五章 谐波抑制有源滤波器简要介绍了APF的基本结构和基本工作原理，APF的种类及适用条件，AP

12、F主电路参数的计算等。第六章 结论和展望对本课题所得结论进行了总结归纳。分析了不足之处并提出了后续的研究方向。44第二章 电动汽车2.1电动汽车概述概述温室气体的过度排放，导致全球气候变暖趋势加剧。电动汽车作为新一代的交通工具，在节能减排、减少人类对传统化石能源的依赖方面具备传统汽车不可比拟的优势。目前，插入式混合电动汽车(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)和纯电动汽车(battery electric vehicle，BEV)由于具备接入电网进行电能补给的能力而得到了广泛的关注与发展。世界各国政府纷纷出台相关政策推动电动汽车产业发展。在美国，能源部牵头

13、实施了 EV Project 计划，通过免费为电动汽车的用户建设家用充电桩来推广电动汽车的使用。在中国，科技部牵头实施“十城千辆”。该项目计划两三年内在中国部分城市推广新能源汽车在公交车、公务车、社会服务车辆以及出租车中的示范运营。2.2电动汽车发展现状我国的电动汽车发展较晚，但近年来发展势头猛劲，国家相继出台一系列政策推广电动汽车。2006年国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）分别将“低能耗与新能源汽车”和“氢燃料电池技术”列入优先主题和前沿技术；2007年发布实施新能源汽车生产准入管理规则，将电动汽车正式纳入国家汽车新产品公告管理；2008年北京奥运会应用了500多辆自

14、主研发的电动汽车。2009年1月，国务院通过汽车产业调整和振兴规划明确实施新能源汽车战略，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化；2010年6月，财政部、科技部、工信部和发改委联合出台关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知对上海、长春、深圳、杭州、合肥五城市私人购买插电式混合动力乘用车和纯电动乘用车给予一次性补贴。2010年9月电动汽车科技发展“十二五”专项规划制定完毕。计划推动电动汽车产业链发展。1）已确定以磷酸铁锂技术为主的动力电源；2）以动力电池、电机、电控为核心；3)到2015年。电动汽车保有量达100万量，动力电源产能达100亿瓦。综合以上各项中国政府出台的法规政

15、策，不难看出我国决心坚持发展电动汽车。虽然目前来看，很长一段时间内传统汽车仍会占据主要份额，但中国已经开始由单一的以石油为燃料的汽车工业向以新能源、无污染燃料为能源系统的高科技电动汽车行业过渡。2010年8月18日，中国一汽、中国海洋石油总公司、国家电网公司等16家央成立电动车产业联盟。该联盟下属三个委员会：整车及电驱动专业委员会：包括中国一汽、长安汽车、东方电气、中国南车集团公司、东风汽车公司5个汽车行业公司，力争在整体制造方面走向国际前列。电池专业委员会：包括中国海洋石油、中国航空工业、北京有色金属研究总院、中国航天科技集团公司、中国航天科工集团公司5个央企。该委员会一方面为电动车电池供应

16、提供技术保证，另一方面也为中国未来在航空领域的深层次发展奠定基础。充电与服务专业委员会：包括国家电网、南方电网、中石油、中石化、中国保利集团公司 中国普天信息产业股份有限公司6个央企，该委员会主要致力于未来中国电动车充电站、充电桩的基础建设，保证电动车的长久续航。三个委员会下属公司代表了以电动车为核心的我国整个电动车行业发展的最高实力。2.3电动汽车的分类一般来说 现代电动汽车分为三种类型：包括蓄电池电动汽车也叫纯电动汽车（BEV），混合动力电动车（HEV）以及燃料电池电动车（FCEV）这三种类型的电动车各自处于不同的发展阶段 但都面临着各自的挑战。1)蓄电池汽车的能量系统为蓄电池超级电容器，

17、充电设施为电网。其主要特点是零排放，环境污染小，但由于受限于电池系统，其续航能力较差，所以蓄电池电动汽车主要可以应用于小型社区。2）混合动力汽车的能量系统为内燃机蓄电池超级电容器，充电设施为电网加油站，特点是低排放续航强。但成本是其主要问题，怎样去管理多能源系统使其更高效、节能运行也是需要考虑的因素。3）燃料电池电动车的能量系统是燃料电池，充电设施为氢气甲醇汽油，其特点是零排放、能源效率高、续航能力强。其主要问题是燃料系统的供应，因此未来技术上的突破以实现成本降低、大规模生产奖会使其迅速推广。本文主要研究纯电动汽车。2.4电动汽车主要结构电动汽车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械

18、系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。1）电源电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。2）驱动

19、电动机驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有软的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BLDCM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代，如无外壳盘式轴向磁场直流串励电动机3）电动机调速控制装置电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或

20、改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（入GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱

21、动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。4）传动装置电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。5）行驶装置行驶装置

22、的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。6）转向装置转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。7）制动装置电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发

23、电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。目前国内电动汽车在大功率载客汽车，给提供空气制动设备有耐力NAILI滑片式空气压缩机，主要是压缩空气的制动方式。8）工作装置工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成。2.5电动汽车的主要技术1. 电机及控制系统纯电动汽车以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需自动变速箱。相对于自动变速箱，电机结构简单、技术成熟、运行可靠。传统的内燃机能把高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围内，这是为何传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构的原因

24、；而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效产生转矩，在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪音低。与混合动力汽车相比，纯电动车使用单一电能源，电控系统大大减少了汽车内部机械传动系统，结构更简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪音，节省了汽车内部空间、重量。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车中的燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV 和纯电动汽车EV 三大类都要用电动机来驱动车轮行驶，选择合适的电动机是提高各类电动汽车

25、性价比的重要因素，因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的电动机驱动方式显得极其重要。电动汽车的驱动电机目前有直流有刷、无刷、有永磁、电磁之分，再有交流步进电机等，它们的选用也与整车配置、用途、档次有关。另外驱动电机之调速控制也分有级调速和无级调速，有采用电子调速控制器和不用调速控制器之分。电动机有轮毂电机、内转子电机、有单电机驱动、多电机驱动和组合电机驱动等。2. 纯电动车的动力电池动力电池是电动汽车的关键技术，决定了它的续行里程和成本。1）纯电动车所需的动力电池用于电动车的动力电池应有的功能指标和经济指标包括：（1）安全性；（2）比能量；

26、（3）比功率；（4）寿命；（5）循环价格；（6）能量转换效率。这些因素直接决定了电动车的合用性、经济性。2）超级电容器超级电容器的优势是质量比功率高、循环寿命长，弱点是质量比能量低、购置价格贵，但是循环寿命长达50万100万次，故单次循环价格不高，与铅酸电池、能量型锂离子电池并联可以组成性能优良的动力电源系统。3）铅酸电池铅酸电池生产技术成熟，安全性好，价格低廉，废电池易回收再生。近些年来，通过新技术，其比能量低、循环寿命短、充电时发生酸雾、生产中可能有铅污染环境等缺点在不断克服中，各项指标有很大提高，不仅可更好地用作电动自行车和电动摩托车的电源，而且在电动汽车上也能发挥很好的作用。4）以磷酸

27、铁锂为正极的锂离子电池负极为碳、正极为磷酸铁锂的锂电池综合性能好：安全性较高，不用昂贵的原料，不含有害元素，循环寿命长达2000次，并已克服了电导率低的缺点。能量型电池的质量比能量可达120Wh/kg，与超级电容器并联使用，可以组成性能全面的动力电源。功率型的质量比能量也有7080Wh/kg，可以单独使用而不必并联超级电容器。5）以钛酸锂为负极的锂离子电池钛酸锂在充电-放电中体积变化极小，保证了电机机构稳定和电池的长寿命；钛酸锂电极点位较高（相对于Li+/Li电极为1.5V），在电池充电时可以不生成锂晶枝，保证了电池的高安全性。但也因钛酸锂电极电位较高，即使与电极电位较高的锰酸锂正极配对，电池

28、的电压也仅约2.2V，所以电池的比能量只有约5060Wh/kg。即使如此，这种电池高安全性，长寿命的突出优点，也是其他电池无可比拟的。2.6电动汽车接入电网的影响随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系统的运行与规划产生不可忽视的影响。这些影响主要包括：1）负荷的增长。电动汽车充电将导致负荷增长，若大量电动汽车集中在负荷高峰期充电，将进一步加剧电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担。2）电网运行优化控制难度的增加。电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性，使得电动汽车充电负荷具有较大的随机性，这将加大电网控制的难度。3）影响电能质量。电动汽车充电负荷属于非线性负荷，

29、所使用的电力电子设备将产生一定的谐波，有可能引起电能质量问题。4）对配电网规划提出新的要求。在配电网中增加众多充电设施以及大量电动汽车充电，将改变配电网负荷结构和特性，传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车大规模接入的情景。目前，对于电动汽车接入电网的研究可归结为以下 3 个方面：1）电动汽车充电负荷建模与仿真计算。该方面的研究是研究电动汽车对电网的影响和进行充放电调控的基础。电动汽车充电负荷建模涉及动力电池的充电特性、电动汽车用户的用车行为、充电方式等多种因素。由于电动汽车尚未大规模接入，一般通过仿真分析充电负荷的大小特性。2）研究电动汽车接入对电力系统的影响。电动汽车接入对电力系统的直

30、接影响是导致负荷的增长。目前的研究，一方面基于电动汽车发展的不同场景，分析电动汽车接入对电网经济运行、电能质量、配电设备等方面的影响；另一方面从电源侧和/或电网侧分析电力系统承受电动汽车接入的能力。3）研究电动汽车的充放电控制与利用。对电动汽车接入电网的研究不仅因为增加了电网的用电负荷，更重要的是电动汽车用动力电池可作为分布式储能单元，具有一定的可控性并能够向电网反向馈电。目前的研究工作主要包括电动汽车有序充电控制和电动汽车与电网互动(vehicle to grid，V2G)，也有文献称为单向 V2G和双向 V2G。2.7对我国电动汽车的展望电动汽车成本比之传统燃油汽车高，性能上也不及传统汽车

31、，因此目前市场仍旧选择传统燃油汽车，虽然这样，世界各国政府仍然大力支持电动汽车的发展计划。究其原因也是被电动汽车零排放、无污染、低能耗的诱人前景所吸引。电动汽车在目前来看 仅适用于短途运输。当前技术无法解决其长距离运输的续航问题，故而短期来看 我国汽车行业仍以传统燃油汽车为主，电动汽车占据少量市场份额。中长期来看，随着科技不断发展。电动电池容量巨幅提高以及充电站、充电桩等基础设施的不断完善。电动汽车终究会取代传统燃油汽车成为未来汽车领域霸主。故而当前中国应大力投资致力于电动汽车领域以使未来在该领域占据世界领先地位。第三章 V2G3.1概述V2G是指电动汽车的能量在受控的状态下实现与电网的双向交

32、换，其中电动汽车（充放电站）不但从电网获得能量，而且还可以实现在必要时电动汽车向电网反送电，来提高电网运行的可靠性。目前，可再生能源系统（如太阳能，风能等）正被大量接入电力系统中。由于可再生能源自然的不连续性会引起发电的波动，迫切需要其他能源（如电池能量存储系统）进行补偿，以平滑可再生能源的自然可变性，保证电网频率的稳定并抑制由反向功率流引起的电压上升。V2G 的概念就是针对上述问题提出的，其核心思想就是利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲。当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量，避免造成浪费。通过这种方式，电动汽车用户可以在电价

33、低时，从电网买电，电网电价高时向电网售电，从而获得一定的收益。现在，插电式混合动力汽车（PHEV）和纯电动汽车（EV）正慢慢进入市场。由于这些汽车上均装有较大容量的电池，可以考虑让它们在停车时为电网提供能量缓冲，因为大多数汽车每天有大约 22小时是处于停止状态的，在这段时间内它们代表了一种闲置资产。而当这些汽车的数量足够大时，其电池的总容量是相当巨大的，因而可以将其作为电网以及可再生能源系统的缓冲。但是，电动汽车并不能随意地、毫无管理地接入到电网中，这是因为如果电网正处于峰值负荷需求，大量汽车的充电要求必然会对电网产生极其严重的影响 ；对于汽车而言，除了为电网提供辅助服务外，还必须能够满足日常

34、的行驶需求。因此在向电网馈电的过程中，还必须兼顾汽车自身的能量存储状态，以避免影响汽车的正常使用。综合上述两个方面，非常有必要对电动汽车 V2G 进行研究，协调汽车与电网间的充电和放电，使得既不会影响电网的运行，也不会限制汽车的正常使用。3.2 V2G的功能当电动汽车充放电站数量发展到足够的规模，同时实现蓄电池的输出功率的大小和方向可控，V2G的功能可归纳为：1）平抑地区电网负荷峰谷；2）对频率做出响应；3）作为应急电源EPS；4）为分布式电源接入平抑扰动。由于运行中电网日负荷有很大的峰谷差，当电动汽车充电站具备了V2G功能时，在地区电网负荷高峰时段放电输出功率；在电网负荷低谷时充电吸收功率，

35、可以在一定程度上起到平抑负荷峰谷的作用，而且当电动汽车参与地区电网负荷峰谷平抑时，其调整容量也是可以得到保证的。据资料显示，一天当中90%的电动汽车都可以参加V2G服务，即使在交通的高峰时期也有80%的车辆是停放的。而且对于私家车来说，一天之中只有4%-5%的时间是行驶的，也即95%的时间可以参加V2G服务，即便是白天出勤率较高的电动公交车、出租车等，也可以在夜间负荷低谷时充点，起到填谷的作用。而且电动汽车的充放电效率比一般的抽水蓄能电站运行的平均综合能源效率要高，充放电速度也很快，可达到毫秒级，对调节命令响应快速准确。电网负荷的随机变化必将引起电网频率的波动，通过电池充电和放电参与系统的功率

36、平衡，可以认为V2G具有一定的调频功能。同时，V2G站可以不受动作次数和频率限制实现功率上调和下调的交替工作，这一点与常规电厂比较具有明显优势。当然长期的频繁充放电对电池寿命的影响问题有待进一步研究。EPS（Emergency Power Supply）即应急电源，当交流供电电源中断时保证对重要负荷的短时紧急供电。有V2G功能的电动汽车或V2G站的可控的电源特性可以实现EPS功能，根据实际情况来选择需要的容量或扩大容量，从而节省常规EPS装置的投资。当电网出现故障时，可以通过控制电动车的电池放电实现EPS功能。只需V2G站的正常维护考虑EPS功能，就保证可靠性，从而减少大量EPS设备的配备和维

37、护人员的定期维护工作。在V2G站内，可以在实现V2G其他功能的同时，选择一部分电动车兼做EPS，进一步提高经济性。而以风能、光伏为代表的分布式电源，由于风能和光伏的间歇性特征，使发电输出功率具有较大的波动性。这时利用电动汽车充电站的V2G功能，可以使其作为备用容量对分布式电源接入所产生的扰动进行平抑，以减少火电或其他常规机组的备用容量。V2G技术的应用具有明显的社会效益和经济效益。V2G的车辆在完成自身行驶功能的同时，不需要添加额外装置，充分利用闲置的电动汽车储能能力，鼓励用户参与V2G服务，参与系统功率平衡、作为EPS等，使电动车用户获得收益。同时节省了增设固定储能装置的投资，并减少了部分电

38、厂的调节容量，进而提高了常规电厂运行的经济性能。3.3 V2G的可行性研究早在 20 世纪 90 年代，人们便注意到电动汽车不同于电网中的其他电负荷，它们具有高度的移动性和不可预测性，因而电动汽车的大量接入会对电网产生影响。但由于当时的技术条件所限以及电动汽车数量较少，研究还只处于初始阶段，且没有提出可行的解决方案。V2G 的概念是由 Amory Lovins 在 1995 年提出的，特拉华大学 William Kempton 教授对其进一步发展。近年来由于 PHEV 和 EV 的广泛使用以及电池技术的进步，V2G 越来越受到人们关注。但是，电动汽车作为日常负载可能会增加电网负担，并需要增加基

39、础设施投资。所以针对此问题，开始涌现出大量文献对 V2G 的可行性进行评估。2005 年，美国特拉华大学（University of Delaware）的 Willett Kempton 研究了 V2G 的基础问题：容量计算和净收益。研究表明，V2G 的工程原理和经济利益是引人注目的。同年，他还研究了V2G 的实现问题：稳定电网和支持大规模可再生能源。 2009 年，德国的 Dirk Uwe SAUER 等人发表文章展示了德国电力工程协会的研究成果。文章重点关注的是 V2G 在移动存储中的可能影响。结果表明，由电动汽车与控制系统相结合形成的移动存储系统能够部分替代静止存储系统，负荷周期可在一秒

40、到一天的范围内。 对于 V2G 的研究除了理论分析之外，还出现了很多实际系统的设计与尝试，其中比较著名的是特拉华大学等联合机构利用单台汽车进行 V2G 运行的试验。通过对 V2G 的评估可以看出，利用电动汽车电池作为电网储能源是可行的，不论是从工程上还是从经济上，V2G 的效益都是引人注目的。从直接效益来看，通过 V2G 可以利用电动车电池作为电网的缓冲，为电网提供辅助服务，如调峰、无功补偿等；能为车主提供额外的收入，抵消购买电动汽车的部分花费，有利于清洁汽车的普及；可以增加电网稳定性和可靠性，降低电力系统运营成此外，从长远来看，V2G 能减少对新发电基础设施的投资；还可以产生能量存储缓冲，从

41、而为可再生能源提供支持。总而言之，将电动汽车与电网智能地结合起来，利用电动车的储能系统为电网服务即V2G是可行的。当然，必须对电动汽车的充放电过程进行合理的、智能化的管理，才能使其为电网更好地服务。3.4 国内研究现状 在国内，V2G 还是一个比较新的概念，作为智能电网重要的组成部分，其各项研究仍处于起步阶段。虽然我国还没有制定出 V2G 建设的相关发展战略，但智能电网建设的一些研究成果实际上为V2G的发展提供了重要的参考，例如，2010 年上海世博会，国家电网展示了V2G在世博智能电网中的应用。目前，国内涉及 V2G 研究的机构较少，上海市电力公司技术与发展中心是较早开展此项研究的机构之一。

42、从总体来讲，国内对 V2G 的研究主要侧重于可行性分析、整体结构的描述及各组成部分功能分析等，而对其具体的实现技术则涉及较少，零星分布在数量不多的文献内。国内对 V2G 的研究还处于起步阶段，对于 V2G 所涉及的关键问题论述较少，仍有大量的基础研究工作需要展开。3.5 中国发展存在的障碍电动汽车和智能电网的低碳效益使得V2G技术越来越受到社会的关注。就电动汽车的研发而言，中国已具有一定的基础，并且技术水平已经与美国基本处在同一起跑线上，但是中国电动汽车产业的发展之路还比较漫长，再加上智能电网的建设工作刚刚起步，中国V2G的发展依然面临着种种障碍。(1)基础设施建设层面1)智能电网建设工作起步

43、较晚。V2G技术的应用必须以强大的智能电网作为支撑，可以说，智能电网是V2G的基础。虽然国家电网公司已经开始了智能电网的发展计划，但智能电网建设工作目前仍处于规划试点阶段。中国目前所处的经济发展阶段和所具备的能源集中分布特点决定了要把智能电网建设成一个具有长距离、大容量输电特征的特高压的坚强电网，这是有别于美国的。根据国家电网所公布的发展计划，我国要到2020年才能全面建成统一的“坚强智能电网”。2)充电设施严重不足。随着各种优惠政策的相继出台，尽管电动汽车的发展已经迎来了重要的机遇期，但是充电站、充电机、充电桩和充电接口等基础设施的严重不足，直接阻碍了电动汽车的发展。基于V2G技术的电动汽车

44、对充电设施的要求更高，它不仅需要布局合理的充电站，还需要有一个完善的充电网络体系，让电动汽车无论是停在公共场所还是私人住所，都能顺利实现充放电的过程。充电网络的缺乏一直都困扰着电动汽车开发商和生产商，同时也影响着消费者对于使用电动汽车的信心。所以，发展V2G的同时也必须要跟进配套充电设施的建设，这样才会让应用V2G 技术的电动汽车更具市场前景。(2)技术研发层面1)电动汽车电池储能技术和使用寿命有待进一步提高。在应用V2G技术时，电动汽车的电池就成为了天然的分布式储能单元，电池的储电能力越高，电动汽车的续驶能力显然就越强 而在作为分布式储能单元为智能电网返销电力的过程中，储电能力越强的电池也会

45、返销得越多，给智能电网补充的负荷就越多，缓解电网高峰用电压力的能力便会越强;此外，电动汽车的电池寿命都是有限的，电池每放电一次，有效寿命就会减少一次 所以，只有电池每次所储存电量的增值大于电池每次充放电时所耗损的价值时，V2G技术才会更有经济意义。2)可再生能源储能技术应得到突破。一些可再生能源分布式发电系统由于受到环境因素的影响比较大，不可能做到随时都能够发电，而在应用V2G技术时必须要保证拥有充足的电能，所以它要求有更多更高效的分布式储能设施。高效的分布式储能设施的特点就是要将可再生能源所发的电能有效地储存起来，并在特定的时间里提供电能。目前应用比较广泛的储能技术是电池储能，但是电池存在运

46、行维护复杂、工作环境要求高、环境污染严重、使用寿命有限等缺点，所以需要寻找新型储能元件，技术，比如功率密度高、充电速度快使用寿命长、低温性能优越的超级电容就是比较好的选择。3)智能电网关键技术需要多部门展开合作研发 一个强大的智能电网主要由四部分组成，分别是：高级量测体系 (Advanced Metering Infrastructure，AMI ) 高级配电运行 (Advanced Distribution Operation，ADO) 高级输电运行 (Advanced Transmission Operation，ATO )以及高级资产管理 (Advanced Asset Manageme

47、nt，AAM )，其中涉及到的关键技术有测量技术、通信技术、输配电技术、决策和控制技术等。这些技术是电网智能化的基础，需要系统地形成一个全面的技术体系。在美国，就有一个由美国电科院创建的、由通用公司管理的，由多家公司参与的电力系统体系结构，为电网建立技术体系。 (3)政策支撑层面1)缺乏发展V2G的相关标准体系。一方面，在中国目前还缺乏智能电网建设的标准体系。2009年3月19日，美国电气电子工程师学会 (IEEE)批准成立旨在确保智能电网相互兼容的工作组IEEE2030：指南：能源技术及信息技术与电力系统 (EPS)、终端电器及负载的智能电网互操作。这给中国智能电网的建设带来了启示：制定自有

48、的智能电网标准体系是中国大规模建设智能电网的关键重点要根据国内电网的环境和特点，结合V2G应用的需求，整合一套适合国内智能电网建设的、兼容性好、可操作性强的标准体系。另一方面，基于V2G技术的电动汽车的标准体系以及电动汽车充电插头、插座的标准体系也是必不可少的。美国学者提出了要组建汽车改装公司，专门用来将传统汽车改装成电动汽车，与智能电网实现接轨，既能实现低碳发展，又能减轻消费者的经济负担。这样的改装技术当然需要一套完整的标准体系作支撑。2）智能电网的建设缺乏外资参与。V2G的发展与智能电网建设息息相关。智能电网的建设是一项长期投资的巨大工程，一方面，智能电网的建设涉及到巨额的资金投入，另一方面，它又涉及到诸多先进技术的研发，所以引进外资参与是必然的要求。但是，根据中国的法律规定，电网实际上属于一种不对外资开放的较为的敏感行业，外资如