插入式电动汽车 (PEV, Plug-in Elec tric Vehicle) 的应用, 特别是通过使用低碳清洁的可再生能源生产的电力, 有助于减少温室气体排放。目前, PEV的技术瓶颈主要在于安全、低成本和小尺寸电池技术。但是, 对电网来说, 如何提高电网应对电动汽车引致的新增电能需求, 以及相应排放和供电成本, 仍然是有待研究的课题。
1 电网和电动汽车的相互影响
电网通过合理优化调度各发电机组的出力配置, 来满足持续变化的电能需求的。而由于发电机组运行方式、装机容量, 及其所采用发电技术和一次能源各不相同, 各发电机组具有不同的成本和排放特性。一般, 基荷电力供应由大型煤电或核电机组承担, 以满足低成本连续运营的要求;峰荷电力供应则主要是由旋转备用的火电机组承担, 运营成本通常很高。其它类型电厂则主要负责腰荷电力供应。各区域电力需求特点、可用一次能源及成本和能源政策决定了不同地区具有不同的发电机组运行调度方式。
电动汽车充电对电网在短期和长期具有不同影响。短期内, 电动汽车充电将会带动电能需求提高。但是, 电动汽车引致的新增电能需求可能并不一定需要新增发电装机来满足。如果充电主要发生在峰荷时段以外的话, 并不需要新增装机。但随着未来电动汽车大量进入市场, 必将对电网结构和运行产生显著影响, 并要求电网重视相应运营成本和排放影响。从宏观电网运营角度来看, 电动汽车充电需求是否会影响新增发电投资决策, 主要取决于充电电能需求规模和时机。如果电动汽车全部在白天甚至峰荷时段充电, 那么可能就需要加大新增发电装机投资, 而如果汽车都在夜间进行充电, 则可能只需要少量新建机组甚至可能不需要新增装机。充电的时空模式将对总发电装机容量、组合以及相应成本和排放产生绝对影响, 而且, 充电的空间模式也会对配网的规划和运行产生重要影响。
2 电动汽车的温室气体排放效应评价
通常采用Well-to-wheel方法或者全寿命周期方法来分析汽车及其燃料使用的环境影响。Well-to-wheel排放包括了与汽车燃料相关的生产和运输过程 (“well-to tank”) , 以及汽车内燃料转化过程 (“tan kto-wheel”) 。传统化石燃料汽车的排放主要来自于前一过程, 但对电动汽车而言, 排放则主要来自于后一过程 (主要是发电环节) 。因此, 研究电动汽车充电对电网的影响, 需要确定一定充电同时率条件下的发电机组运行调度方式。一般而言, 为满足新增电能需求, 往往是需要调度高成本和低效率的边际发电机组, 而且, 这些机组的边际排放率也往往高于一般机组的排放水平。总之, PEV的排放取决于区域电网的特性、充电电能需求产生的规模和时空特性, 以及电动汽车的技术设计。
3 电动汽车充电对发电调度的影响分析
研究电动汽车充电对电网的影响, 需要确定一定充电同时率条件下的发电机组运行调度方式。一般而言, 为满足新增电能需求, 往往是需要调度高成本和低效率的边际发电机组.已有研究表明, 一般情况下, 现有电网容量都能满足相当规模轻型插入式混合电动汽车的充电需求。通过提高某些低利用率机组或备用机组出力, 能够满足非峰荷时段的大多数电动汽车充电需求。并且, 输配电网不会因电动汽车充电而产生过负荷。
但是这并不意味着现有电网在适应电动汽车发展方面不存在问题。例如:配网线路可能会由于当地充电引致的电能需求波动过大而发生阻塞。这时, 反映在变电站和馈线侧的电能需求规模可能并不大, 但在部分配网回路内, 如果车主充电同时率很高, 就会提高当地峰荷水平, 从而对配网提出更高要求。因此, 电网应尽可能管理充电需求时机, 最大化负荷系数和尽量利用已有配网资源。
区域发电机组组合是峰荷需求和整点小时负荷曲线的函数。峰荷需求决定了总装机容量规模, 小时负荷曲线决定了机组的最优组合。根据年需求模式, 可以确定基荷、腰荷和峰荷机组的经济最优组合。通过管理电动汽车的充电时机, 使得电动汽车充电的电能需求能够合理在峰谷时段之间进行分布, 可以有效地提高电网运行效率和降低供电成本。非峰荷充电主要作用在于平滑需求曲线, 提高基荷和腰荷机组的经济性, 降低平均发电成本, 而峰时充电则会提高容量需求, 同时降低现有机组利用率, 提高发电成本。
这里, 基于“被动”设备、“主动”设备和被动需求、主动需求的概念来分析PEV对电网的影响。被动设备对系统产生影响, 但不需要及时响应电网状态。主动设备是可以主动根据电网状态进行优化控制的设备。例如:由于不需要随时启停机或变化出力大小来相应需求变化, 基荷和腰荷机组都是被动设备。而由于备用机组需要根据需求改变运行方式, 即属于被动设备。同样, 大部分电力需求都是被动且不易控制的, 但电动汽车充电需求则是主动的, 这是因为充电时机及相应的需求负荷曲线是可控的, 这表现在电力可以被储存于电池, 且车辆行驶过程与充电过程相分离。电网以实时方式调度和管理主动和被动设备以达到供需平衡。传统上, 由于电网主要由被动电能需求构成, 因此需要主动调度发电机组以实现供需平衡。但是, 未来电动汽车接入形成的可优化主动负荷, 可以用于动态平衡被动设备, 并间接降低对可调度发电机组的需求。
而且, PEV有利于采用可中断的可再生能源发电。因为, 可再生能源发电机组都具有高度不稳定性, 需要电网调度即时主动进行供需平衡。而充电产生的主动需求负荷能够用于减少旋转备用机组装机, 填补可再生能源发电机组失负荷可能造成的电力供需缺口, 并能够显著降低将可中断电源接入电网的成本。
4 总结和启示
电动汽车充电的时空模式及规模, 会影响电网规划和运行方式。反之, 发电机组组合和一次能源类型, 也将会影响为满足电动汽车充电需求的成本和温室气体减排效应。因此, 深入研究电动汽车充电和使用特性, 以及有针对性地对地区电网和发电状况进行分析, 才可能得到对电源电网规划和运行更为有意义的结论。但是, 建立能够用于电网和消费者互动的智能充电系统, 制定合理的充电电价, 有效教育电动汽车用户培养理性的充电行为模式, 将利于电网对消费者充电模式进行管理, 而同时消费者可以获得较低充电电价, 充分利用可再生能源发电能力。在此基础上, 才有可能真正发挥电动汽车在可再生能源新能源利用和温室气体减排方面的积极效应。
摘要：本文在讨论和评价电网和电动汽车相互影响的基础上, 对电动汽车充电对发电调度的影响进行了分析, 指出需要同时优化电动汽车充电模式和提高发供电能力, 才能有效发挥电动汽车降低供电成本和实现温室气体减排的作用。
关键词：电动汽车,充电模式,电力供给,温室气体减排