淺談關于考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略的研究綜述

摘要：隨著我國“3060”雙碳目標的確立，新能源汽車與可再生能源協同優化策略研究已成為一種趨勢。本文概述了電動汽車、新能源接入對電網的影響，從提升新能源消納水平采取的主要方式以及對于電動汽車的考慮形式和約束條件兩方面綜述了考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究現狀，并對相關方向未來的發展進行展望，旨在為推動新能源汽車與可再生能源的高效協同發展提供參考依據。

關鍵詞：電動汽車；有序充電；新能源消納

一、引言

      自《巴黎協定》以來，世界多國相繼提出了碳中和發展目標。2020年9月，我國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標，加快能源結構優化、加速能源綠色低碳轉型勢在必行。

      根據《“十四五”現代能源體系規劃》，自2012年至2021年，我國一次能源生產結構中化石能源占比從88.8%下降到79.7%，清潔能源消費占能源消費總量的比重由14.5%上升到25.5%。總體來看，化石能源占比仍然較高，且短時間內化石能源主體地位難以改變。為了實現我國“3060”碳達峰碳中和的發展目標，國務院在《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中提出要加快構建清潔低碳安全高效能源體系。因此，提升可再生能源占比、促進可再生能源高水平消納，成為“十四五”期間我國可再生能源發展的關鍵。同時，發展新能源汽車產業也是我國應對氣候變化、推動綠色發展的戰略舉措之一。促進新能源汽車與可再生能源高效協同，鼓勵“綠電綠用”，能夠提升可再生能源應用比例，降低新能源汽車用電成本，提高電網調峰調頻響應能力。

      在此背景下，深入研究考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略顯得尤為重要，本文將圍繞該主題展開詳細探討，并對相關領域的發展進行展望。

二、電動汽車、新能源接入對電網的影響

2.1電動汽車對電網的影響

2.1.1負荷特性改變與峰谷差加劇

      近年來，電動汽車保有量呈爆發式增長，其充電行為使得電網的負荷特性發生了顯著變化。電動汽車的充電時間分布具有一定的集中性特點，很多用戶習慣在下班后或夜間進行充電，這導致電網原本的負荷峰谷分布出現了明顯改變。例如，在城市居民用電場景中，通常傍晚時分至夜間是居民生活用電的高峰時段，而大量電動汽車在此時集中充電，進一步加劇了電網的負荷峰谷差。

2.1.2電能質量面臨挑戰

      電動汽車充電設備屬于非線性負載，在充電過程中會產生諧波電流注入電網，進而引發一系列電能質量問題。一方面，諧波電流容易造成電網電壓畸變，使得電網電壓波形偏離正弦波，影響其他電氣設備的正常運行。例如，一些對電壓質量要求較高的精密儀器設備，在電網電壓畸變的情況下，可能出現測量誤差增大、運行故障甚至損壞等情況。另一方面，大量電動汽車分散且隨機的充電行為還可能導致電網的三相不平衡問題，三相電壓或電流的幅值、相位出現偏差，降低電網的供電效率，增加線路損耗，嚴重時可能影響整個供電區域內電氣設備的安全穩定運行。在部分老舊小區，由于電網基礎設施相對薄弱，當多輛電動汽車同時充電時，電能質量問題尤為突出，居民家中的電器設備時常會出現閃屏、異常發熱等現象，給居民的正常生活用電帶來諸多不便。

2.1.3配電網容量與線路壓力增大

      電動汽車充電時需要從電網獲取電能，眾多電動汽車同時充電會使局部配電網的供電容量面臨巨大壓力。特別是在一些充電樁集中分布的區域，如大型商業中心停車場、住宅小區等，如果配電網的規劃和建設未充分考慮電動汽車充電需求，可能出現變壓器過載、線路載流量超標等情況。例如，某老舊住宅小區原本的變壓器容量是按照居民生活用電需求設計的，隨著越來越多的居民購置電動汽車并在小區內充電，當同時充電的車輛數量超過一定限度時，變壓器長時間處于高負荷運行狀態，不僅加速了設備的老化，還可能因過載引發跳閘事故，影響整個小區的正常供電。而且，大量的充電電流在線路中傳輸，會使線路發熱加劇，增大線路損耗，對線路的安全運行構成威脅，從長遠來看，可能需要對配電網進行升級改造以滿足日益增長的電動汽車充電需求。

2.2新能源接入對電網的影響

2.2.1功率平衡與調度難度提升

      新能源發電（如風電、光伏發電等）具有間歇性、波動性以及隨機性的顯著特點。以風力發電為例，風電場的輸出功率與風速的立方成正比關系，風速的自然變化導致風電功率輸出極不穩定，短時間內可能出現大幅度波動，時而滿發，時而功率趨近于零。同樣，光伏發電的功率輸出取決于光照強度和日照時長，天氣狀況（晴天、陰天、多云等）以及季節變化都會使其發電功率產生劇烈變化。大規模的新能源接入電網后，電網需要實時維持功率平衡變得愈發困難，傳統的基于穩定電源的調度方式難以適應新能源的這種特性。例如，在一個以風電為主的地區電網中，當出現強風天氣時，風電大發，若不能及時消納或合理調節，可能導致電網頻率升高超出安全范圍；而在風速較低的時段，風電功率銳減，又需要其他電源快速補充功率缺額，這對電網的調度靈活性和快速響應能力是極大的考驗，增加了電網運行控制的復雜性和難度。

2.2.2電能質量波動問題

      新能源發電的波動性同樣會引發電網的電能質量問題。由于新能源發電功率的頻繁變化，可能導致電網電壓出現波動，在一些新能源接入比例較高的地區，電壓波動幅度有時會超出正常允許范圍，影響到電網中各類用電設備的正常運行。而且，部分新能源發電設備在轉換電能過程中也可能產生諧波，與電動汽車充電諧波疊加后，進一步惡化電網的電能質量環境，使得電網的電壓暫降、閃變等現象時有發生，增加了對電能質量治理的難度，對敏感負荷（如電子制造企業的生產設備、醫院的精密醫療儀器等）的正常運行帶來潛在風險。

2.2.3對電網穩定性的潛在威脅

      新能源的分散式接入以及大規模并網，改變了電網的潮流分布和網絡結構，給電網的穩定性帶來了諸多潛在威脅。一方面，新能源發電的隨機性使得電網的運行狀態難以精確預測，電網在應對故障或擾動時的恢復能力受到挑戰。例如，當電網發生局部故障后，新能源發電單元由于缺乏有效的慣性支撐，可能無法像傳統火電、水電那樣提供穩定的有功功率和無功功率，延緩電網的恢復過程，甚至可能引發連鎖故障，擴大停電范圍。另一方面，新能源接入點的增多，使得電網的短路電流水平、系統阻尼特性等關鍵參數發生變化，需要重新評估和優化電網的保護配置、安全穩定控制策略等，以保障電網在各種工況下的安全穩定運行，否則可能因保護誤動或拒動等情況，影響電網的可靠供電。

三、考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究現狀

3.1提升新能源消納水平采取的主要方式

3.1.1儲能技術應用

      通過配置儲能系統，如鋰電池儲能、液流電池儲能等，在可再生能源發電過剩時儲存電能，在發電不足或用電高峰時段釋放電能，起到平滑功率波動、削峰填谷的作用，有效提高新能源的消納能力。例如，在一些大型的風電場附近建設配套的儲能電站，當風速較大風電大發時，儲能系統充電；而在風速較小時或者用電高峰，儲能系統放電來補充電力缺口。

3.1.2需求響應機制

      引導電力用戶根據電網運行狀況和電價信號等，調整自身用電行為。對于電動汽車用戶而言，可以通過制定分時電價策略，鼓勵其在低谷電價時段充電，避開電網高峰負荷時段，從而間接為新能源消納騰出空間，提高電網對新能源的接納能力。

3.2對于電動汽車的考慮形式和約束條件

3.2.1考慮形式

      在有序充電策略制定中，通常會考慮電動汽車的充電時間、剩余電量、用戶出行需求等因素。比如，借助智能充電管理系統預測電動汽車用戶的下次出行時間，以此來合理安排充電時長和充電功率，確保既滿足用戶出行需求，又能使充電行為符合電網整體的優化調度要求。

3.2.2約束條件

      主要包括電網側的容量限制、電壓約束以及線路載流量限制等。從電網安全穩定運行角度出發，不能因為電動汽車的充電而使局部電網出現過載、電壓越限等問題；同時，也要考慮用戶側的經濟成本和使用便捷性等因素，不能因過度追求電網優化而給用戶帶來過高的費用負擔或使用不便。

四、安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

4.1概述

      AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統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控，實時監控充電樁運行狀態，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。

4.2應用場所

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

4.3系統結構

系統分為四層：

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。

        小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、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。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

4.4.1智能化大屏

        智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監控

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

4.4.3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，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

4.4.4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。

4.4.5統計分析

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

4.4.6基礎數據管理

        在系統平臺建立運營商戶，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、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

4.4.7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

4.4.8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。

4.5系統硬件配置

五、考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略未來發展展望

      隨著科技的不斷進步和能源轉型的持續推進，未來在該領域有望取得更多的突破和發展。一方面，智能電網技術將進一步完善，能夠更加精準地預測新能源發電功率和電動汽車充電需求，實現更加精細化的充電調度和新能源消納管理。另一方面，隨著車網互動（V2G）技術的逐步成熟，電動汽車不僅可以作為用電設備從電網充電，還能在電網需要時將自身儲存的電能反饋給電網，成為移動的儲能單元，極大地提升電網對新能源的消納靈活性和整體的調節能力。此外，相關政策的持續完善和細化，將進一步引導和規范電動汽車有序充電以及新能源消納行為，推動整個行業朝著更加綠色、高效、可持續的方向發展。

六、結論

      考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究對于實現我國“3060”雙碳目標，推動能源結構優化和綠色發展具有重要意義。本文分析了電動汽車、新能源接入對電網的影響，綜述了當前相關策略的研究現狀，并詳細介紹了安科瑞充電樁收費運營云平臺系統在其中的應用與作用，最后對未來發展進行了展望。希望通過各方的共同努力，不斷優化相關策略和技術應用，促進新能源汽車與可再生能源的深度協同，助力我國早日實現碳達峰碳中和目標。