淺談雙碳目標下電動汽車有序充電及車網互動關鍵技術探究

安科瑞 陳聰

摘要：本文立足全球能源危機大背景，聚焦電動汽車日益普及現狀，深入探討其有序充電與車網互動技術相關內容。鑒于大規(guī)模電動汽車無序充電給電力系統(tǒng)帶來用電壓力，尤其是加劇峰谷差擴大等問題，凸顯出規(guī)劃有序充電的緊迫性。同時結合我國截至2021年7月的電動汽車保有量及充電設施建設情況，詳細分析有序充電控制、充電設施優(yōu)化規(guī)劃、與可再生能源發(fā)電融合、大規(guī)模有序充電調度與控制等關鍵技術問題，并針對各問題提出相應解決思路與策略，旨在助力實現電動汽車與電網的良性互動，推動雙碳目標的達成。

關鍵詞：雙碳目標；電動汽車；有序充電；車網互動；全球能源危機

一、引言

在全球能源危機的嚴峻形勢下，傳統(tǒng)能源供應面臨諸多不確定性與挑戰(zhàn)，而電動汽車作為一種以電能為驅動的綠色交通方式，正日益普及開來。其憑借自身優(yōu)勢在緩解能源壓力、減少碳排放等方面被寄予厚望，然而，隨著電動汽車保有量的快速攀升，大規(guī)模電動汽車無序充電現象愈發(fā)凸顯，給電力系統(tǒng)帶來了新的用電壓力，例如導致用電峰谷差不斷擴大等問題，嚴重影響電網的穩(wěn)定運行與高效利用。在此背景下，科學規(guī)劃電動汽車有序充電，妥善處理好其充電與電力系統(tǒng)的協(xié)調關系，成為當下亟待解決的重要課題，對于保障能源的合理利用以及雙碳目標的實現都有著關鍵意義。

二、電動汽車在雙碳目標及能源危機背景下的發(fā)展現狀與意義

（一）電動汽車的發(fā)展現狀

近年來，全球電動汽車市場呈現出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，我國更是走在前列。截至2021年7月，我國電動汽車保有量已達630萬輛，與之相配套的充電基礎設施建設也取得了顯著成果，累計建設充電站6.6萬座、換電站716座、公共充電樁92.3萬臺，逐步構建起覆蓋一定范圍的充電網絡，為電動汽車的日常使用提供了必要的保障。從全球范圍來看，眾多國家和地區(qū)都在不斷加大對電動汽車產業(yè)的支持力度，無論是研發(fā)投入、政策扶持還是市場推廣等方面，都促使電動汽車越來越多地出現在人們的生活中。

（二）電動汽車對實現雙碳目標及應對能源危機的意義

在全球能源危機下，傳統(tǒng)燃油能源供應緊張且其燃燒帶來的碳排放對環(huán)境造成巨大壓力。電動汽車以電能為驅動能源，當其電能來源更多依托清潔能源時，可有效減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，從能源利用角度緩解能源危機。同時，交通領域作為碳排放的重要源頭之一，電動汽車的推廣應用能夠極大地削減因交通運輸產生的二氧化碳排放量，對于實現 “碳達峰、碳中和” 目標發(fā)揮著不可替代的作用，成為應對能源與環(huán)境雙重挑戰(zhàn)的有力舉措。

三、電動汽車充電負荷對電網運行的影響

3.1無序充電帶來的挑戰(zhàn)

3.1.1增加電網調峰難度

電動汽車用戶充電行為具有較大的隨機性，在缺乏有效引導的情況下，大量電動汽車集中在電網負荷高峰時段充電，會使原本就緊張的電網高峰負荷進一步加劇，而低谷時段充電需求又過少，導致電網負荷峰谷差不斷擴大。以我國當前數百萬輛的電動汽車保有量規(guī)模來看，若無序充電問題得不到解決，這種峰谷差擴大的影響將更為顯著，給電網的調峰工作帶來沉重負擔，增加了電網運行成本以及對調峰電源的依賴，影響電網的安全穩(wěn)定運行。

3.1.2影響電網電能質量

無序充電時，電動汽車充電設備接入電網的隨機性可能造成局部電網的電壓波動、諧波污染等電能質量問題。特別是在一些老舊小區(qū)等電網較為薄弱的區(qū)域，大量電動汽車同時充電容易引發(fā)電壓越限等故障，影響周邊用戶的正常用電體驗，進一步凸顯出有序充電規(guī)劃的必要性。

3.2作為柔性負荷的積極作用

3.2.1平滑負荷曲線

電動汽車可以通過合理的充電時間安排，在電網負荷低谷時段充電，在高峰時段停止充電甚至向電網反饋電能（對于具備雙向充電功能的車輛），起到 “削峰填谷” 的作用，使電網負荷曲線更加平緩，優(yōu)化電網的整體運行狀態(tài)，提高電網設備的利用率。即使面對我國規(guī)模龐大的電動汽車群體，若能實現有序充電，其在平滑負荷曲線方面的作用將十分顯著，助力電網更好地應對用電壓力。

3.2.2降低電網運行成本

借助有序充電和車網互動，電網可以減少對調峰機組等昂貴的備用電源的依賴，降低發(fā)電成本以及電網的建設和運維成本。同時，通過更好地整合利用現有電力資源，避免電力資源的浪費，實現經濟效益的提升，對于緩解能源危機下的資源緊張局面有著積極意義。

3.2.3助力可再生能源消納

新型電力系統(tǒng)中可再生能源的占比日益提高，但可再生能源具有間歇性、波動性等特點。電動汽車作為可靈活調節(jié)的柔性負荷，可以根據可再生能源的發(fā)電情況，適時調整充電策略，例如在風電、光伏發(fā)電充足的時段增加充電量，從而有效消納這些不穩(wěn)定的可再生能源，提高整個電力系統(tǒng)的清潔能源利用率，進一步契合雙碳目標及能源可持續(xù)發(fā)展的要求。

四、電動汽車有序充電與車網互動關鍵技術問題

4.1有序充電控制技術

有序充電控制旨在根據電網的運行狀態(tài)、用戶的充電需求以及相關約束條件，對電動汽車的充電過程進行合理的引導和調控。常用的控制方法包括基于價格信號的控制，即通過峰谷電價等價格機制引導用戶主動選擇在低谷時段充電；還有基于電網調度指令的控制，由電網運營管理部門根據實時電網負荷情況向電動汽車發(fā)送充電功率、充電時間等指令進行控制。但我國龐大的電動汽車用戶群體使得這些方法在實際應用中面臨著用戶響應程度不確定、控制信息傳遞及時性等問題，需要進一步優(yōu)化，以確保有序充電控制能有效覆蓋眾多的電動汽車，保障電網穩(wěn)定。

4.2充電設施優(yōu)化規(guī)劃

合理的充電設施布局對于實現電動汽車有序充電至關重要。需要綜合考慮城市規(guī)劃、交通流量、電網承載能力等多方面因素，確定充電樁的數量、類型（快充、慢充）以及安裝位置等。以我國現有的電動汽車保有量和充電設施建設情況為例，在大型商業(yè)區(qū)、交通樞紐等人流量大且停車時間相對較長的地方，應適當增加快充樁的比例；而在居民區(qū)，則要結合居民用電負荷特點，合理規(guī)劃慢充樁數量及分布，避免對小區(qū)電網造成過大沖擊，同時滿足不同區(qū)域電動汽車用戶的充電需求，提升整個充電網絡的合理性與有效性。

4.3與可再生能源發(fā)電融合技術

要實現電動汽車與可再生能源發(fā)電的深度融合，關鍵在于建立有效的信息交互和協(xié)同控制機制。一方面，需要實時獲取可再生能源的發(fā)電功率、電量等信息；另一方面，要準確掌握電動汽車的充電需求和可調節(jié)能力。通過構建智能的能源管理系統(tǒng)，根據可再生能源的發(fā)電情況動態(tài)調整電動汽車的充電策略，確保可再生能源盡可能多地被電動汽車消納，同時保障電動汽車的充電需求得到滿足，尤其在我國大力發(fā)展可再生能源以及電動汽車日益普及的背景下，這種融合技術的研究與應用顯得更為迫切。

4.4大規(guī)模有序充電調度與控制技術

隨著我國電動汽車保有量的持續(xù)增長，面對大規(guī)模電動汽車的充電調度與控制成為一個復雜的系統(tǒng)工程。需要借助先進的信息技術，如大數據、云計算、物聯網等，對海量的電動汽車充電信息進行采集、分析和處理。同時，建立高效的調度模型和算法，綜合考慮電網安全、用戶滿意度、可再生能源消納等多目標優(yōu)化問題，實現對大規(guī)模電動汽車充電行為的精準調度與有效控制，以應對數百萬輛電動汽車充電帶來的復雜調度需求，保障電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

五、安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯網技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎數據管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

六、結論

在全球能源危機與雙碳目標的雙重驅動下，電動汽車有序充電與車網互動技術的研究與應用對于實現交通領域減碳、緩解能源壓力以及保障電網的穩(wěn)定、高效運行具有重要意義。盡管目前在有序充電控制、充電設施規(guī)劃、與可再生能源融合以及大規(guī)模充電調度等方面還存在諸多技術問題，但通過不斷探索相應的解決策略，提升各關鍵技術環(huán)節(jié)的水平，有望實現電動汽車與電網的和諧共生、協(xié)同發(fā)展，為我國乃至全球應對能源與環(huán)境挑戰(zhàn)、達成雙碳目標貢獻積極力量。未來，還需進一步關注技術的更新迭代以及市場和政策環(huán)境的變化，持續(xù)完善相關技術體系，推動電動汽車產業(yè)更好地服務于雙碳戰(zhàn)略。

參考文獻：

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