淺談雙碳目標下電動汽車有序充電及車網(wǎng)互動關(guān)鍵技術(shù)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(xiàn)狀，深入探討其有序充電與車網(wǎng)互動技術(shù)相關(guān)內(nèi)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(jié)合我國截至2021年7月的電動汽車保有量及充電設(shè)施建設(shè)情況，詳細分析有序充電控制、充電設(shè)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(diào)度與控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，并針對各問題提出相應(yīng)解決思路與策略，旨在助力實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的良性互動，推動雙碳目標的達成。

關(guān)鍵詞：雙碳目標；電動汽車；有序充電；車網(wǎng)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(yīng)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(qū)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(xiàn)象愈發(fā)凸顯，給電力系統(tǒng)帶來了新的用電壓力，例如導(dǎo)致用電峰谷差不斷擴大等問題，嚴重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行與高效利用。在此背景下，科學(xué)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(diào)關(guān)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(xiàn)都有著關(guān)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(xiàn)狀與意義

（一）電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，全球電動汽車市場呈現(xiàn)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)也取得了顯著成果，累計建設(shè)充電站6.6萬座、換電站716座、公共充電樁92.3萬臺，逐步構(gòu)建起覆蓋一定范圍的充電網(wǎng)絡(luò)，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(chǎn)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(xiàn)在人們的生活中。

（二）電動汽車對實現(xiàn)雙碳目標及應(yīng)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(yīng)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(qū)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(lǐng)域作為碳排放的重要源頭之一，電動汽車的推廣應(yīng)用能夠極大地削減因交通運輸產(chǎn)生的二氧化碳排放量，對于實現(xiàn) “碳達峰、碳中和” 目標發(fā)揮著不可替代的作用，成為應(yīng)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(wǎng)運行的影響

3.1無序充電帶來的挑戰(zhàn)

3.1.1增加電網(wǎng)調(diào)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(dǎo)的情況下，大量電動汽車集中在電網(wǎng)負荷高峰時段充電，會使原本就緊張的電網(wǎng)高峰負荷進一步加劇，而低谷時段充電需求又過少，導(dǎo)致電網(wǎng)負荷峰谷差不斷擴大。以我國當前數(shù)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(wǎng)的調(diào)峰工作帶來沉重負擔(dān)，增加了電網(wǎng)運行成本以及對調(diào)峰電源的依賴，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

3.1.2影響電網(wǎng)電能質(zhì)量

無序充電時，電動汽車充電設(shè)備接入電網(wǎng)的隨機性可能造成局部電網(wǎng)的電壓波動、諧波污染等電能質(zhì)量問題。特別是在一些老舊小區(qū)等電網(wǎng)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(wǎng)負荷低谷時段充電，在高峰時段停止充電甚至向電網(wǎng)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(wǎng)負荷曲線更加平緩，優(yōu)化電網(wǎng)的整體運行狀態(tài)，提高電網(wǎng)設(shè)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(xiàn)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(wǎng)更好地應(yīng)對用電壓力。

3.2.2降低電網(wǎng)運行成本

借助有序充電和車網(wǎng)互動，電網(wǎng)可以減少對調(diào)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(wǎng)的建設(shè)和運維成本。同時，通過更好地整合利用現(xiàn)有電力資源，避免電力資源的浪費，實現(xiàn)經(jīng)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(diào)節(jié)的柔性負荷，可以根據(jù)可再生能源的發(fā)電情況，適時調(diào)整充電策略，例如在風(fēng)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(wǎng)互動關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1有序充電控制技術(shù)

有序充電控制旨在根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài)、用戶的充電需求以及相關(guān)約束條件，對電動汽車的充電過程進行合理的引導(dǎo)和調(diào)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(dǎo)用戶主動選擇在低谷時段充電；還有基于電網(wǎng)調(diào)度指令的控制，由電網(wǎng)運營管理部門根據(jù)實時電網(wǎng)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(yīng)用中面臨著用戶響應(yīng)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(wǎng)穩(wěn)定。

4.2充電設(shè)施優(yōu)化規(guī)劃

合理的充電設(shè)施布局對于實現(xiàn)電動汽車有序充電至關(guān)重要。需要綜合考慮城市規(guī)劃、交通流量、電網(wǎng)承載能力等多方面因素，確定充電樁的數(shù)量、類型（快充、慢充）以及安裝位置等。以我國現(xiàn)有的電動汽車保有量和充電設(shè)施建設(shè)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(yīng)適當增加快充樁的比例；而在居民區(qū)，則要結(jié)合居民用電負荷特點，合理規(guī)劃慢充樁數(shù)量及分布，避免對小區(qū)電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)的合理性與有效性。

4.3與可再生能源發(fā)電融合技術(shù)

要實現(xiàn)電動汽車與可再生能源發(fā)電的深度融合，關(guān)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(diào)節(jié)能力。通過構(gòu)建智能的能源管理系統(tǒng)，根據(jù)可再生能源的發(fā)電情況動態(tài)調(diào)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(shù)的研究與應(yīng)用顯得更為迫切。

4.4大規(guī)模有序充電調(diào)度與控制技術(shù)

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(diào)度與控制成為一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。需要借助先進的信息技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)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(diào)度模型和算法，綜合考慮電網(wǎng)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(xiàn)對大規(guī)模電動汽車充電行為的精準調(diào)度與有效控制，以應(yīng)對數(shù)百萬輛電動汽車充電帶來的復(fù)雜調(diào)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(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)據(jù)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(wù)、支付管理，交易結(jié)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(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應(yīng)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(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)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(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)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(shè)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(chǔ)數(shù)據(jù)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(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、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(shè)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(shè)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(jié)、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(shè)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(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)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(shè)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(chǔ)數(shù)據(jù)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(shè)施，維護充電設(shè)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(jié)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(shù)設(shè)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(shè)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(jié)論

在全球能源危機與雙碳目標的雙重驅(qū)動下，電動汽車有序充電與車網(wǎng)互動技術(shù)的研究與應(yīng)用對于實現(xiàn)交通領(lǐng)域減碳、緩解能源壓力以及保障電網(wǎng)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(shè)施規(guī)劃、與可再生能源融合以及大規(guī)模充電調(diào)度等方面還存在諸多技術(shù)問題，但通過不斷探索相應(yīng)的解決策略，提升各關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的水平，有望實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的和諧共生、協(xié)同發(fā)展，為我國乃至全球應(yīng)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(guān)注技術(shù)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(guān)技術(shù)體系，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)更好地服務(wù)于雙碳戰(zhàn)略。

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