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大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

时间: 2018年05月16日 来源: 能源e直播 关键词: 电动汽车充电 电网

核心提示:16年年底国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提到了要“推动新能源汽车成国家支柱产业”,现在看来其已然成为了我国的支柱产业。...

太阳能电动汽车网讯讯,众所周知,目前我国对于新能源汽车的发展非常重视,“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。要加大研发力度,认真研究市场,用好用活政策,开发适应各种需求的产品,使之成为一个强劲的增长点。”

16年年底国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提到了要“推动新能源汽车成国家支柱产业”,现在看来其已然成为了我国的支柱产业。

新能源汽车与电动汽车

根据《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》中的定义,新能源汽车是指采用新型动力系统,完全或主要依靠新型能源驱动的汽车,其中包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。

下方右边饼图展示了17年中国新能源乘用车的动力类型和市场细分结构,在整个乘用车市场中,纯电动汽车占比80.7%,插电式占比19.3%;新能源汽车保有量超过160万辆,乘用车保有量月80.1万辆。所以,接下来我将主要围绕大规模的电动汽车进行分析和探讨。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策1

电动汽车与第三次工业革命

在里夫金12年出版的《第三次工业革命》中提到了第三次工业革命的五大支柱:

①可再生:大力发展可再生能源,使其成为世界能源供应的主力能源;

②分布式:将世界上每一栋建筑转化为微型发电厂,实现能源的自产自销;

②储能:发展和应用氢能等存储技术,使每栋建筑成为剩余能源的储备设施;

③能源互联网:利用网络技术,建立其五大洲的全球电网,也就是能源互联网,使得所有的微型发电厂通过网络买卖和共享剩余能源;

④电动车:普及电动燃料电池汽车,使其通过全球电网充电或者出售剩余的电量。

可以看出这五点都和电动汽车相关,我认为没有电动汽车就没有第三次工业革命。里夫金还首次提到了能源互联网的愿景,并认为其应该具有四大特征,交通的电气化是核心要素。

新能源汽车发展情况

目前,许多国家纷纷调整发展战略,在新能源、智能网联产业加快产业布局,抢占新一轮制高点。我们可以从发展的速度和规模上,来看我国当前新能源汽车发展的现状。

从保有量来说,全球新能源汽车突破了300万量,我国也连续三年居世界首位,超过了世界的一半以上。今年,可以预见的,全球市场将持续井喷,年销量可达200万左右。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策2

从销量上做个增速的对比:从全球范围来说,从2011年到2017年间,新能源汽车的年销量增长了24倍,年复合增长率是70.3%,中国由不到一万辆到去年的产销超过70万量,年复合增长率113.7%,是全球的1.62倍。可见,我国发展速度远超其他国家。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

中国充电设施建设情况

除了车本身,要支撑新能源汽车的发展,充电基础设施建设是必不可少的环节。

从2013年至2017年,我国充电桩从2.25万增长到44.5万,增长了近20倍。

根据最新的统计,在充电桩的分类来,直流充电、交流充电、交直流一体充电分别占比分别为31%、25%和44%,公共充电和私人充电桩的数量基本是各占一半。17年底全国累计建成公共充电桩21.4万、私人充电桩23.1万,车桩比3.8:1,2018年4月新增公共类充电桩8984个,同比增长62.5%。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

中国电力发展情况

再看电网发展情况,从装机规模来看,截止2017年底,全国总装机接近18亿千瓦,发电量6.5万亿千瓦时,居世界首位,占全球的1/4。虽然人均装机和人均用电量还不高,但是整体电网的体量和增速都处于世界前列。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

周孝信院士曾提出,我国电网主要有三大阶段(或称三代电网)。目前我国已经进入了第三阶段。

电动汽车的发展,主要是应对能源枯竭和环境污染问题,所以其能量补给是核心。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

从上方示意图可看出,左边是电动汽车,右边是电网,中间是负责能量补给的管道—充电桩,通过充电桩实现了电动汽车与电网的互联。

车桩网之间的能量互联、信息互联是基础,研究三者之间的相互影响,相互协调策略,也是电动汽车持续发展的基础。

综上所述,电动汽车发展已经驶入了快车道,同时电网和充电设施建设在国家政策的大力支持下,依托技术和装备创新,目前也有了一定基础,当然也面临着诸多的挑战。

主要挑战

在大规模电动汽车推广之后,给电网带来的挑战主要体现在6个方面,分别是电力接入问题的冲击、电压的控制、频率的调节、电能的损耗问题和清洁能源的消纳问题。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

①电力接入难:

刚刚提到,根据中促盟数据显示,截止2017年底,联盟内上报充电桩总量45万个。而按照根据国家2020年建设480万个充电桩的计划,意味着在2018年、2019年要完成435万的充电桩建设量。平均每年新建145万个,到2018年底需要完成保有量190万。显然,这几乎是不可能完成的任务。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

再看另一组数据,根据国家能源局出台的《2018年能源工作指导意见》指出,2018年年计划建成充电桩60万个,远小于190万个的计划目标,但是也大于现有的充电桩数量总和,依然有很大的挑战除了数量本身,在充电设施的建设过程中本身就面临着很多难题:

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

②功率冲击大:

这个问题分为以下三个层面:

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

第一个层面,从大电网方面来看,做一个保守估算:若按照2030年8000万辆电动汽车,每辆车2万公里这个边界条件来计算,全年总充电量为3200亿度,总体耗电规模接近1000亿左右,是去年三峡年发电量的3.3倍。凭空多出如此庞大的电量对电网冲击巨大,对于调度控制也非常困难。

第二个层面,以一个配电单元,居民小区为例,如果一个630的变压器,都采用7kW慢充,即便是最多支持90台车(具体容量还需根据小区总体配电的情况及公共桩的情况具体计算),由于无序充电造成过负荷,规模化之后情况将更严重。

第三个层面是单个充电桩本身,现在单枪最大功率在180kW左右,现在的受电弓或者未来的大功率液冷设备,可以支持500kW以上的大功率充电,短时的冲击带来的电网电压问题、谐波问题等都非常突出,需要研究对策。

③频率调节难

在频率调节方面,由于交流电网的频率特性是一个全网的特性,一旦出现问题,可能波及全网,必须引起足够的重视。

目前,我国大电网由于特高压交直流的飞速发展,且以及风电光伏等间歇性能源和电动汽车的电力电子负荷大量并网,整个电网呈现电力电子化特征,转动惯量下降,调节能力下降,在交直流电网的耦合影响下,还可能发生故障的传导,变成全局的影响。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

上图是发生在华东电网的一次事故,某个直流故障后,电网损失大量功率,由于处于低谷负荷,且调节能力下降,导致了电网频率下降了0.5Hz。在这个方面,电网已经做了大量的工作。

④电压控制难

在电压控制方面,主要体现在由于重载过负荷引起的低电压问题,及待机轻载时的功率因素问题。由于充电过程中存在电力电子变换,控制不好,会导致谐波超标等电能质量问题。目前按照相关标准要求,高压侧谐波总含量要控制在4%左右,低压侧要求要低于5%,这对充电桩的设计提出很高的要求,尤其体现在大功率充电和整个桩群的电能质量控制。

⑤电能损耗高

整个充电的过程,会产生变压器的损耗、电缆线损、电压模块的转换损耗等,充电损耗率在10%左右。按照这个数量计算,2020年电损将达到20亿度;2030年将超过300亿度。300亿是什么概念呢?它相当于整个海南省全年的用电负荷。因此,在提升能效水平、降低能耗方面,我们也需要加大投入力度和研发力度。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

⑥清洁能源占比低

回到电动汽车本身是否清洁这一问题,由于目前我国电网接近70%的发电来源于煤电,在电能产生的过程中已产生污染,所以有人认为电动汽车并不环保,这也是有一定道理的。2017年能源消费总量为约45亿吨标准煤,天然气、水电等清洁能源占能源消耗总比的20%。所以如何提高电动汽车清洁能源占比问题,从长远来看是一个很大的挑战。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

解决对策

对策一:政策扶持

按照国家发改委于2014年发布的《国家发展改革委关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》中要求:“电网企业要做好电动汽车充换电设施配套电网建设改造工作,电动汽车充换电设施产权分界点至电网的配套接网工程,由电网企业负责建设和运行维护,不得收取接网费用”;

2015年,国务院办公厅日前发布《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》,要求新建住宅配建停车位应100%建设充电设施或预留建设安装条件,大型公共建筑物配建停车场、社会公共停车场建设充电设施或预留建设安装条件的车位比例不低于10%,每2000辆电动汽车至少配套建设一座公共充电站。

财政部、科技部、工信部、国家发改委、国家能源局等五部委联合发布的《关于“十三五”新能源汽车基础设施奖励政策及加强新能源汽车推广应用的通知》,2016-2020年,我国将继续对充电基础设施建设、运营给予财政奖补。

今年在充电设施的运营和补贴上也加大了力度,相信很快会有成效。

对策二:车桩网互动

车-桩-网互动主要是应对清洁能源占比低、电网调节能力不足等问题。下图为我国西电东送示意图,实现清洁能源跨区域、远距离消纳,实现电从远方来,来的是清洁电。但这也面临着诸多挑战,比如2017年全网的弃风弃光总量达492亿度,而2017年充电总量约48亿度,有十倍的差距。

为了解决上述问题,电动汽车和电网必须要形成良好互动,其中V2G是基础技术。要实现车桩互动,需在充电设备(包括车和桩等硬件)上进行技术创新,同时也要加强在电网监控\调控和互联互通等平台方面的建设,其核心在于双向转化模块和控制系统、并网的控制和保护以及大规模实施控制带来的信息安全问题等。

具体应用有以下几个方面:

第一个是削峰填谷,利用谷时电对电动汽车进行充电,在高峰时利用V2G技术将电动汽车的能源支援电网。

第二个是在故障紧急救援方面,主要是在电网故障发生时,利用电动汽车的双向特性对电网进行紧急支援。

第三个是实现多能跨区互补,包括风、光、水,利用电动汽车的远距离输电通道,实现互补控制,提升输送容量。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

对策三:光储充微网

光储存,包括微网方面的技术和产品,主要解决的是电压控制难、电网容量不足、清洁能源占比低等问题。

关键技术主要包括储能双向变流器、微网的保护与控制、充电桩双向控制、谐波控制以及孤岛/并网控制等。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

对策四:电源共享与能源管理

这个方面目前也有很多研究,主要解决配电容量不足、大电网调节能力不足等问题。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

对策五:新器件/新拓扑的应用

这主要解决电能损耗大、功率因素和电压调节难等问题。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

对策六:智能运维与控制技术

我们首先要保证在故障监测和预警方面要足够完善,同时在运行维护方面要更加及时。对于运维监控平台与电网控制平台及控制装置之间的信息交互和沟通,要加大研发力度,尤其要重视在确保大规模实时性控制的情况下的信息安全问题。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

总结展望

能源与电力发展展望

根据《能源发展“十三五”规划》,2020年能源消费总量须在50亿吨标准煤以内,非化石能源占一次能源15%以上;煤炭占58%以下,天然气力争占10%;电能占终端能源消费比重达27%。

根据《电力发展“十三五”规划》,2020年我国发电装机达到20亿kW;非化石能源装机要占39%;燃煤发电供电煤耗少于310g/kWh;煤电发电装机控制在11亿kW;西电东送规模由1.3亿kW增加到2.7亿kW。

所以我国能源和电力发展的核心还是在清洁能源消纳方面。

《能源生产和消费革命战略》(2016-2030)中提到,2030年能源消费总量控制在60亿吨标准煤以内;非化石能源占比20%左右,天然气15%左右;新增能源需求主要依靠清洁能源满足,初步构建现代能源体系;非化石能源发电量占全部发电量的比重争达到50%。2050年,非化石能源占比超过一半,建成现代能源体系。

未来能源发展方向是电动化、清洁化、智能化。当然,要实现清洁化的前提是需要在发电和用电过程中更加智能化。

大规模电动汽车充电给电网带来的挑战和对策

大规模电动汽车并网后,形成了一个非常庞大的分布式储能资源,利用电动汽车本身的双向特性,既可作为负荷,也可作为电源。需在能源互联相关的技术体系中进行研究和突破,包括V2G技术、储能技术、微电网技术、分布式发电、有序充电等等。希望能实现将电动汽车对电网造成的充电负担转变为能够支援电网的调控法宝,最终实现电能生产、消费的革命。

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责任编辑:huangsilin

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