淺談雙碳目標(biāo)下電動(dòng)汽車有序充電及車網(wǎng)互動(dòng)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(jī)大背景，聚焦電動(dòng)汽車日益普及現(xiàn)狀，深入探討其有序充電與車網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容。鑒于大規(guī)模電動(dòng)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(kuò)大等問題，凸顯出規(guī)劃有序充電的緊迫性。同時(shí)結(jié)合我國(guó)截至2021年7月的電動(dòng)汽車保有量及充電設(shè)施建設(shè)情況，詳細(xì)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(duì)各問題提出相應(yīng)解決思路與策略，旨在助力實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的良性互動(dòng)，推動(dòng)雙碳目標(biāo)的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：雙碳目標(biāo)；電動(dòng)汽車；有序充電；車網(wǎng)互動(dòng)；全球能源危機(jī)

一、引言

在全球能源危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，傳統(tǒng)能源供應(yīng)面臨諸多不確定性與挑戰(zhàn)，而電動(dòng)汽車作為一種以電能為驅(qū)動(dòng)的綠色交通方式，正日益普及開來。其憑借自身優(yōu)勢(shì)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(dòng)汽車保有量的快速攀升，大規(guī)模電動(dòng)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(kuò)大等問題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行與高效利用。在此背景下，科學(xué)規(guī)劃電動(dòng)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(dāng)下亟待解決的重要課題，對(duì)于保障能源的合理利用以及雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都有著關(guān)鍵意義。

二、電動(dòng)汽車在雙碳目標(biāo)及能源危機(jī)背景下的發(fā)展現(xiàn)狀與意義

（一）電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，我國(guó)更是走在前列。截至2021年7月，我國(guó)電動(dòng)汽車保有量已達(dá)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(jì)建設(shè)充電站6.6萬座、換電站716座、公共充電樁92.3萬臺(tái)，逐步構(gòu)建起覆蓋一定范圍的充電網(wǎng)絡(luò)，為電動(dòng)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(guó)家和地區(qū)都在不斷加大對(duì)電動(dòng)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(chǎng)推廣等方面，都促使電動(dòng)汽車越來越多地出現(xiàn)在人們的生活中。

（二）電動(dòng)汽車對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)及應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的意義

在全球能源危機(jī)下，傳統(tǒng)燃油能源供應(yīng)緊張且其燃燒帶來的碳排放對(duì)環(huán)境造成巨大壓力。電動(dòng)汽車以電能為驅(qū)動(dòng)能源，當(dāng)其電能來源更多依托清潔能源時(shí)，可有效減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，從能源利用角度緩解能源危機(jī)。同時(shí)，交通領(lǐng)域作為碳排放的重要源頭之一，電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用能夠極大地削減因交通運(yùn)輸產(chǎn)生的二氧化碳排放量，對(duì)于實(shí)現(xiàn) “碳達(dá)峰、碳中和” 目標(biāo)發(fā)揮著不可替代的作用，成為應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境雙重挑戰(zhàn)的有力舉措。

三、電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)運(yùn)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(dòng)汽車用戶充電行為具有較大的隨機(jī)性，在缺乏有效引導(dǎo)的情況下，大量電動(dòng)汽車集中在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段充電，會(huì)使原本就緊張的電網(wǎng)高峰負(fù)荷進(jìn)一步加劇，而低谷時(shí)段充電需求又過少，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差不斷擴(kuò)大。以我國(guó)當(dāng)前數(shù)百萬輛的電動(dòng)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(kuò)大的影響將更為顯著，給電網(wǎng)的調(diào)峰工作帶來沉重負(fù)擔(dān)，增加了電網(wǎng)運(yùn)行成本以及對(duì)調(diào)峰電源的依賴，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2影響電網(wǎng)電能質(zhì)量

無序充電時(shí)，電動(dòng)汽車充電設(shè)備接入電網(wǎng)的隨機(jī)性可能造成局部電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、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(dòng)汽車同時(shí)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(yàn)，進(jìn)一步凸顯出有序充電規(guī)劃的必要性。

3.2作為柔性負(fù)荷的積極作用

3.2.1平滑負(fù)荷曲線

電動(dòng)汽車可以通過合理的充電時(shí)間安排，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段充電，在高峰時(shí)段停止充電甚至向電網(wǎng)反饋電能（對(duì)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(fù)荷曲線更加平緩，優(yōu)化電網(wǎng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，提高電網(wǎng)設(shè)備的利用率。即使面對(duì)我國(guó)規(guī)模龐大的電動(dòng)汽車群體，若能實(shí)現(xiàn)有序充電，其在平滑負(fù)荷曲線方面的作用將十分顯著，助力電網(wǎng)更好地應(yīng)對(duì)用電壓力。

3.2.2降低電網(wǎng)運(yùn)行成本

借助有序充電和車網(wǎng)互動(dòng)，電網(wǎng)可以減少對(duì)調(diào)峰機(jī)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(yùn)維成本。同時(shí)，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(fèi)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提升，對(duì)于緩解能源危機(jī)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(dòng)性等特點(diǎn)。電動(dòng)汽車作為可靈活調(diào)節(jié)的柔性負(fù)荷，可以根據(jù)可再生能源的發(fā)電情況，適時(shí)調(diào)整充電策略，例如在風(fēng)電、光伏發(fā)電充足的時(shí)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(gè)電力系統(tǒng)的清潔能源利用率，進(jìn)一步契合雙碳目標(biāo)及能源可持續(xù)發(fā)展的要求。

四、電動(dòng)汽車有序充電與車網(wǎng)互動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)、用戶的充電需求以及相關(guān)約束條件，對(duì)電動(dòng)汽車的充電過程進(jìn)行合理的引導(dǎo)和調(diào)控。常用的控制方法包括基于價(jià)格信號(hào)的控制，即通過峰谷電價(jià)等價(jià)格機(jī)制引導(dǎo)用戶主動(dòng)選擇在低谷時(shí)段充電；還有基于電網(wǎng)調(diào)度指令的控制，由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理部門根據(jù)實(shí)時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷情況向電動(dòng)汽車發(fā)送充電功率、充電時(shí)間等指令進(jìn)行控制。但我國(guó)龐大的電動(dòng)汽車用戶群體使得這些方法在實(shí)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(shí)性等問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化，以確保有序充電控制能有效覆蓋眾多的電動(dòng)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(duì)于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(guó)現(xiàn)有的電動(dòng)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的地方，應(yīng)適當(dāng)增加快充樁的比例；而在居民區(qū)，則要結(jié)合居民用電負(fù)荷特點(diǎn)，合理規(guī)劃慢充樁數(shù)量及分布，避免對(duì)小區(qū)電網(wǎng)造成過大沖擊，同時(shí)滿足不同區(qū)域電動(dòng)汽車用戶的充電需求，提升整個(gè)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(jī)制。一方面，需要實(shí)時(shí)獲取可再生能源的發(fā)電功率、電量等信息；另一方面，要準(zhǔn)確掌握電動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)整電動(dòng)汽車的充電策略，確保可再生能源盡可能多地被電動(dòng)汽車消納，同時(shí)保障電動(dòng)汽車的充電需求得到滿足，尤其在我國(guó)大力發(fā)展可再生能源以及電動(dòng)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(guó)電動(dòng)汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，面對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車的充電調(diào)度與控制成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。需要借助先進(jìn)的信息技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等，對(duì)海量的電動(dòng)汽車充電信息進(jìn)行采集、分析和處理。同時(shí)，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(biāo)優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車充電行為的精準(zhǔn)調(diào)度與有效控制，以應(yīng)對(duì)數(shù)百萬輛電動(dòng)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(yùn)行。

五、安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)助力有序充電開展

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)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(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)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(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)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(jì)。

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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

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(kù)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)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(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)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(xì)信息。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問題。

5.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

5.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)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(jī)與雙碳目標(biāo)的雙重驅(qū)動(dòng)下，電動(dòng)汽車有序充電與車網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)于實(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的和諧共生、協(xié)同發(fā)展，為我國(guó)乃至全球應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境挑戰(zhàn)、達(dá)成雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)積極力量。未來，還需進(jìn)一步關(guān)注技術(shù)的更新迭代以及市場(chǎng)和政策環(huán)境的變化，持續(xù)完善相關(guān)技術(shù)體系，推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)更好地服務(wù)于雙碳戰(zhàn)略。

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