電動汽車V2G技術是指電動汽車給電網送電的技術，其核心思想就是利用大量電動汽車的儲能源作為電網和可再生能源的緩衝。汽車到電網技術正受到人們的廣泛關注，這是因為通過V2G，電網效率低以及可再生能源波動的問題不僅可以得到很大程度的緩解，還可以為電動車用戶創造收益。詳細介紹了V2G的概念及其可行性評估情況，並給出了其實現方法等。
基本介紹
- 中文名：電動汽車V2G技術
- 外文名：Vehicle to Grid，V2G
- 技術範疇：主動配電網關鍵技術
- 作用：電網和可再生能源的緩衝
- 領域：能源
- 學科：電氣工程
概念,研究,實現方法,智慧型調度,雙向充電器,影響,
概念
現在的電網實際上效率並不是非常高，因為一是成本較高，再就是容易造成浪費。其中一部分問題是由每天發生的負荷需求波動和需要對電網進行電壓及頻率調節引起的。當電網需求超過基本負荷發電廠的容量時，由於電網本身並沒有足夠的電能存儲，調峰電廠就會投入運行，有時候旋轉備用也會參與其中。而當電網需求較低時，用電量會低於基本負荷發電廠的輸出，這樣那些未被使用的能量均會被浪費掉。此外，對電網進行的電壓和頻率調節在很大程度上增加了電網的運營成本。
可再生能源系統(如太陽能，風能等)正被大量接入電力系統中。由於可再生能源自然的不連續性會引起發電的波動，迫切需要其他能源(如電池能量存儲系統)進行補償，以平滑可再生能源的自然可變性，保證電網頻率的穩定並抑制由反向功率流引起的電壓上升。
V2G的概念就是針對上述問題提出的，其核心思想就是利用大量電動汽車的儲能源作為電網和可再生能源的緩衝。當電網負荷過高時，由電動汽車儲能源向電網饋電；而當電網負荷低時，用來存儲電網過剩的發電量，避免造成浪費。通過這種方式，電動汽車用戶可以在電價低時，從電網買電，電網電價高時向電網售電，從而獲得一定的收益。
現在，插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(EV)正慢/LR進入市場。由於這些汽車上均裝有較大容量的電池，可以考慮讓它們在停車時為電網提供能量緩衝，因為大多數汽車每天有大約22小時是處於停止狀態的，在這段時間內它們代表了一種閒置資產。而當這些汽車的數量足夠大時，其電池的總容量是相當巨大的，因而可以將其作為電網以及可再生能源系統的緩衝。
但是，電動汽車並不能隨意地、毫無管理地接入到電網中，這是因為如果電網正處於峰值負荷需求，大量汽車的充電要求必然會對電網產生極其嚴重的影響；對於汽車而言，除了為電網提供輔助服務外，還必須能夠滿足日常的行駛需求。因此在向電網饋電的過程中，還必須兼顧汽車自身的能量存儲狀態，以避免影響汽車的正常使用。綜合上述兩個方而，非常有必要對電動汽車V2G進行研究，協調汽車與電網間的充電和放電，使得既不會影響電網的運行，也不會限制汽車的正常使用。
研究
早在20世紀90年代，人們便注意到電動汽車不同於電網中的其他電負荷，它們具有高度的移動性和不可預測性，因而電動汽車的大量接入會對電網產生影響。但由於當時的技術條件所限以及電動汽車數量較少，研究還只處於初始階段，且沒有提出可行的解決方案。
V2G的概念是由Amory Lovins在1995年提出的，德拉瓦大學William Kempton教授對其進一步發展。近年來由於PHEV和EV的廣泛使用以及電池技術的進步，V2G越來越受到人們關注。但是，電動汽車作為日常負載可能會增加電網負擔，並需要增加基礎設施投資。所以針對此問題，開始湧現出大量文獻對V2G的可行性進行評估。
2005年，美國德拉瓦大學(University of Delaware)的Willett Kempton研究了V2G的基礎問題:容量計算和淨收益。研究表明，V2G的工程原理和經濟利益是引人注目的。同年，他還研究了V2G的實現問題:穩定電網和支持大規模可再生能源。
2009年，德國的Dirk Uwe SAUER等人發表文章展示了德國電力工程協會的研究成果[Ul。文章重點關注的是V2G在移動存儲中的可能影響。結果表明，由電動汽車與控制系統相結合形成的移動存儲系統能夠部分替代靜止存儲系統，負荷周期可在一秒到一天的範圍內。
對於V2G的研究除了理論分析之外，還出現了很多實際系統的設計與嘗試，其中比較著名的是德拉瓦大學等聯合機構利用單台汽車進行V2G運行的試驗。
通過對V2G的評估可以看出，利用電動汽車電池作為電網儲能源是可行的，不論是從工程上還是從經濟上，V2G的效益都是引人注目的。從直接效益來看，通過V2G可以:①利用電動車電池作為電網的緩衝，為電網提供輔助服務，如調峰、無功補償等；②能為車主提供額外的收入，抵消購買電動汽車的部分花費，有利於清潔汽車的普及；③可以增加電網穩定性和可靠性，降低電力系統運營成本。此外，從長遠來看，V2G能減少對新發電基礎設施的投資；還可以產生能量存儲緩衝，從而為可再生能源提供支持；由於電動汽車的大量使用可以減少溫室氣體的排放。
總而言之，將電動汽車與電網智慧型地結合起來，利用電動車的儲能系統為電網服務(即V2G)是可行的。當然，必須對電動汽車的充放電過程進行合理的、智慧型化的管理，才能使其為電網更好地服務。
實現方法
通過評估，知道利用電動汽車的電池實現v2G是可行的。那么，要實現v2G需要採用什麼樣的方法呢?
現在的電動汽車具有多樣性的特點，種類繁多、用途各異，電動車不同所採用的供電方式也不相同，這就決定了v2G具有不同的實現方法。根據套用對象的不同，可以將v2G實現方法分成四類。
集中式的V2G實現方法
所謂集中式的V2G是指將某一區域內的電動汽車聚集在一起，按照電網的需求對此區域內電動汽車的能量進行統一的調度，並由特定的管理策略來控制每台汽車的充放電過程，例如，修建供V2G使用的停車場。從文獻來看，按此種方式進行研究的較多。
對於集中式的V2G，可以將智慧型充電器建在地面上，這樣能夠節約電動汽車的成本。同時，由於此種方式採用統一的調度和集中的管理，可以實現整體上的最優，例如通過先進的算法可以計算每台汽車的最優充電策略，保證成本最低及電力最優利用。
自治式的V2G實現方法
自治式V2G的電動車經常散落在各處，無法進行集中的管理，因而一般採用車載式的智慧型充電器，它們可以根據電網發布的有、無功需求和價格信息，或者根據電網輸出接口的電氣特徵(如電壓波動等)，結合汽車自身的狀態(如電池SOC)自動地實現V2G運行。日本東京大學的Yutaka Ota等人就是採用這種方法，他們提出一種自主分布V2G方法，實現了能量的智慧型存儲。
自治式V2G一般採用車載的智慧型充電器，充電方便，易於使用，不受地點和空間的限制，自動地實現V2G。但是，每一台電動車都作為一個獨立的結點分散在各處。由於不受統一的管理，每台電動車的充放電具有很大的隨機性，是否能保證整體上的最優還需進一步研究，此外，車載充電器還會增加電動汽車的成本。
基於微網的V2G實現方法
按照美國電氣可靠性技術解決方案聯合會 CCERTS)的定義，微網是一種由負荷和微型電源共同組成的系統，它可同時提供電能和熱量；微網內部電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，並提供必需的控制；微網相對於外部大電網表現為單一的受控單元，並可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等的要求。
基於微網的V2G實現方法，實際上是將電動汽車的儲能設備集成到微網中，它與前邊兩種實現方法的區別在於，這種V2G方法作用的直接對象不是
大電網，而是微網。它直接為微網服務，為微網內的分布電源提供支持，並為相關負載供電。
紐西蘭奧克蘭大學的Udaya K. Madawala等人將電動汽車集成到家庭住宅供電網路中，該網路包括風能、太陽能等分散式發電，並與外部大電網相聯接。它能利用電動汽車支持可再生能源並向家庭和商業用戶供電。
基於更換電池組的V2G實現方法
此外，還有一種基於更換電池組的V2G實現方法，其源於更換電池組的電動汽車供電模式。它需要建立專門的電池更換站，在更換站中存有大量的儲能電池，因而也可以考慮將這些電池連到電網上，利用電池組實現V2G。 這種方法的原理類似於集中式V2G}但是管理策略上會有所不同，因為電池最終是要用來更換的，所以必須確保一定比例的電池電量是滿的。它融合了常規充電與快速充電的優點，在某種意義上極大彌補了續駛里程不足的缺陷，但是它迫切需要統一電池及充電接口等部件的標準。
智慧型調度
研究表明，採用V2G的供電策略，可以使電網的發電量需求增加最少，並使基礎設施投資最少。那么，從電網的角度，又該如何對電動汽車的儲能源進行規劃與調度呢，這是一個待解決的問題。
這個問題的實質是如何對各個V2G單元以及電網其他發電單元進行調度的問題。電網各個發電單元的作用不相同:容量較大的發電單元價格便宜，但是回響速度慢，適用於提供基本負荷；容量較小的單元價格昂貴，但回響速度快，一般用於峰值負荷。因而規劃的作用就是利用V2G儘可能減少電網對昂貴發電單元的依賴，並減少無功補償裝置的使用。這就需要電網根據自身的負荷狀況、可再生能源的發電狀況以及V2G單元可用容量等信息，事先計算出對各V2G單元的有功和無功需求，並給出合理的電價。
對此問題的處理可以分為兩種方式，第一種是由電網直接對接入的每台電動車連同其他發電單元進行統一調度，採用智慧型的算法來控制每台汽車的V2G運行。美國密蘇里理工大學的Ahmed YousufSaber等人就是採用這種方式。但是，這種方式會使問題變得異常複雜。此外，這種方式是從電網的角度來考慮的，並沒有從用戶的角度進行分析。
雙向充電器
要使電動汽車實現V2G，需要在電網和汽車間配備雙向的智慧型充電器。此雙向充電器必須具有為電動汽車電池充電的功能，同時產生最小的電流諧波，也應具有根據調節向電網回饋能量的能力。
一般來講，雙向充電器由濾波器、雙向DC-DC變換器以及雙向AC-DC變換器組成。當充電器工作於電池充電模式時，交流電首先通過濾波器濾除不期望的頻率分量，然後通過雙向AC-DC變換器將交流整流成直流。由於雙向AC-DC變換器的輸出電壓可能與直流儲能單元的電壓不匹配，還需要一個雙向DC-DC變換器來保證合適的充電電壓。當變換器工作於電池放電模式時，其過程則恰好相反。
影響
V2G運行對電池的影響
如前所述，電動汽車的擁有者可以通過V2G向電網回饋能量，從而產生一定的收益。但是，實際上這些收益的一部分是以V2G設備的損耗為代價的，特別是車載電池的損耗。現有電池的壽命是一定的，不斷對電池進行充電和放電必然會使其可用次數減少，容量降低。所以需要研究V2G運行對電池壽命的影響。
