电动汽车V2G及直流母线在新能源微电网中的应用

2020年电动汽车保有量将突破500万辆，无序充电需要7个三峡电站才能够满足车辆需求。我们的车辆能否在现有配网的基础上减少对电网的冲击?如何与电网友好互动，成为智能电网的一部分?同时作为直流电源和负载，如何通过直流母线的应用与其他直流负载直接进行能量交换，从而提升能量利用效率，节能减排?

能量云与大数据

在微电网，尤其是智能微电网的应用中，负荷预测是很重要的一个环节。实验室里所做的模型或量化的算法，无法顾全复杂的现实环境，导致在日或者周的预测上准确率会有所下降，在此情况下，我们可以通过搜集现有项目的数据资料来做动态的策略管理。

上图是特来电能量监控系统的截图。在这个平台上可以实时监控全国范围内项目每天的能量流动情况、设备运行情况、以及客户的基础数据等，通过实时的通信网络上传到云平台。

上图是特来电全国厂商的布局情况。我们把站点理解为一个微网系统，全部上传到云端之后就形成了一个规模稍微庞大一点的微网，然后利用这些数据绘制不同的曲线做人工智能的优化，例如控制电损，或者了解各地方的电损情况，也可以把环境等因素考虑进来，做小时或者天的负荷预测等。

上图为“王”字微网技术体系，由下而上分别为：交互层、管控层、平台层，可以从这三个角度去思考能量管理系统。

交互层：实现的是自我的配电系统，例如电动汽车、光伏、储能、直流用电以及冷热等都可以集中在交互层。

管理层：用来做和电网之间交互的一些事情，例如削峰填谷、创建绿色电网、实现电网的友好互动等。

平台层：即云层，包括调控云、能量云，充放电云、设备云、运维云、支付云、售电云、碳交易云等，这些都是在未来打通能源网络以及电动汽车大数据之后产生的云平台。

基于现有的汽车生态充电网以及未来要做的能源管理，构建了“双网融合”的生态价值体系，把新能源微网、汽车充电网中的变配电、智慧储能、太阳能、风能和能源大数据等体系融合在一起。“双网融合”是核心，包括智能设备的制造、智能运维、以及智慧能源管理等，这些都是用大数据来实现的。

共直流母线的微网应用技术

直流微网是指以电力电子变换设备为纽带，通过稳定、快速的控制系统，将直流发电、储能及直流负载等各种元素柔性融合的微网系统。

为什么要做直流微网?我们身边的负载，例如电动汽车里面的电池，储能电池、分布式电源、电脑、LED灯、变频冰箱、洗衣机、空调等都是直流负载，如果用交流输电再转换成直流，就会存在很多能量的损失，那为什么不直接挂在直流母线上呢，这就是直流母线提出的初衷。

以光伏系统为例，光伏出来的都是直流电，通过DC/DC的电压变换，然后做DC/AC挂到交流母线上。储能也是通过直流变交流挂到网上。将光伏发电传送到车上的时候，不但要把直流变成交流，还要再把交流变成直流，这样能量就会有无谓的损失。上图中右侧是直流微网的架构，把光伏、储能和汽车都直接并在直流侧，用一个超级PDU做能量的分配，实现在直流端能量的直接的相互的流动。

上图是某园区微网的示意图。上图蓝色的部分是直流母线，用的是1250的双分裂变压器，每边挂的负载都是对称的，每一条母线上挂了500kw的光伏，200kw的储能，以及功率为200kw的电动汽车充放电的系统，并且还挂载了一些直流负载，这样就形成了一个自治的小的直流微网，再通过双向变换器与交流侧做能量的变换，这样就实现了很大一部分能量的自治，例如白天光伏发的电可以直接储能给电动汽车充电，在白天用电负荷比较大的时候汽车放电，在直流侧需要能量或者能量多余的时候就可以通过AC/DC的双向变换器，或者叫四象限模块，连接到交流侧配网，把电送到交流侧或者从交流侧取电，减少从大电网的取电，实现小区域的自治。

在这样的系统里面，不得不提到车的作用。电动汽车是未来的发展趋势，这里引用国网提出的电动汽车V2G的概念，V2G就是车对电网放电的意思，引进直流母线之后，就不用先V2G，然后再G到负荷了，直接就可以V2H或者V2L，这样就形成了一个新的概念 “V2X”，即通过直流侧的交互，做到源-网-荷-储-车的友好互动，实现车对多种能源直接充放电的管理。

以其他地区的微网为例，例如上图左半部分，用一套能量管理软件把配电、光伏、充电、储能这些相对独立的东西统一管控起来，可以算是做到了能量的深度调配和利用，但是个人觉得这还不是一个最佳的方案。

我们把配电、光伏、储能、充电等电力电子设备高度集成，做到一个箱变里面，外面接10kv，配交流和直流两条母线，交流的负载做到交流母线上，直流的负载做在直流母线上，这样一个箱变就解决了四个箱变的问题，用一个箱变的投资代替四个箱变的投资，设备的综合投资包括占地面积、集约程度都会有一个很大的进步，就会形成一个高度集成的系统。

设备的运行可以利用能量管理的模式，园区的配电，能量的消耗、监控，厂区的设备运行情况都可以集中监控，放在展示系统里面，因为这种能量管理是放在云上的，所以远传的展示、监控、调度等都是可以实现的。

园区配电

显示监视园区的电压、电流、功率等实时电参量，直观显示系统运行工况

能耗概况

园区内发生的全部内耗

光伏监控

监视统计园区屋顶光伏发电情况

微网箱变

以组态图方式显示设备实时运行工况

基于就地控制和云端控制等多个层级的控制来实现微网。就地控制可以实现毫秒级的管控，例如大电网跳电、并离网切换、或者云层遮挡了光伏，光伏出力减少等情况，就可以实现设备的就地切换，通过能量管理系统做分钟级或者小时级的能量负荷预测，充放电、经济的调度、通过云端控制。

上图是园区最初的用电情况。左边是用电负荷，中间是电费情况，绿色的圆柱代表的是厂区的纯负荷，加上引进电动车之后的无序充电，从右侧的图中可以看到，上午的时候峰值很高，夜晚谷电的时候基本上无人使用，这也是大部分园区目前的用电情况。

根据上述情况，我们把光伏引进到微网中，园区的电费直接降到了8730元;把车有序的充放电、储能电池引进之后，从右侧的负荷情况中可以看到低谷时期的负荷比以前高了很多，尖峰的时候比以前低了很多，全天的负荷比较平滑，电费也达到了50%左右的节能开支，可以说在微网的应用上取得了一定的成功。

关键设备配置

四象限模块整合了逆变、整流、SVG(无功补偿)、APF(谐波治理)、离网运行、PCS(储能变流器)等电力产品功能，融合成一款电力路由魔方，实现了能源的路由与互联。

上图中的四象限模块主要是进行AC到DC的能量转换，在直流侧能量不足的时候用这个模块从交流侧把能量变过来，实现DC/AC的双向变换。这里还整合了对电网的整流、无功补偿、并离网的切换、储能逆变器等功能，做了一个模块化的结构。

智慧储能单元：

首次实现了直流微网与储能单元的大功率电能交互

60kW DC/DC变换模块

单柜额定高达240kW变换，可60kW逐级递增

高效率：峰值效率97.5%，额定96.5%以上

宽工作电压范围: 50~780Vdc

宽工作温度范围 : -40度～65度工作

与四象限变换模块做到同外形同尺寸

核心器件:双向DCDC储能模块

上图是汽车充放电柜，柜子里装的是汽车的充放电模块，与普通的充电桩不同，这里实现了汽车的放电功能，每个模块是10kW双向直流电能变换，可以把车的电直接放在直流母线上，相当于直流调压、变压的作用。

汽车充放电单元：

首次实现了直流微网对电动汽车的充放电功能

模块化10kW双向直流电能变换

单柜额定运行功率最高达100kW，可10kW逐级递增

并柜实现100kW*n的功率变换

双向PDU实现模块与电动车充电的智能分配与灵活变换

汽车充放电模块：

基于第三代半导体SIC技术

单向主功率拓扑加双向接触器实现电能双向流动

双级结构拓扑造就高效率：峰值效率97.5%，额定96.5%以上

宽工作电压范围: A/B端口电压200-700Vdc

双向PDU单元可以和车对接起来，在车没电的时候给车充电，也可以把车上的电放出来：

实现车辆端和DCDC模块之间的功率流动

内部集成BMS控制器以及电源模块控制器

双向PDU实时监控充、放电操作流程

保证充放电操作有序、可靠

应用场景&价值体现

1、 高科技产业园

利于发展建筑光伏

电动汽车规模聚集

典型的峰谷差用能

存在大量直流负载

重要负荷保障供电

多能互补综合节能

可以在园区中铺设大量的光伏，深度利用电动汽车的充放电和储能的价值，实现峰谷价差的收益，并且还可以保证重要负荷的供电，利用多能互补的形式做到综合节能，所以这种工业型的微网系统用在高科技的产业园区是比较合适的。

2、新城镇

建筑式光伏发电

户用储能错峰用电

电动汽车储能

智能家居智慧用电

可以预见，未来小区屋顶上安装玻璃屋顶，用户侧的储能，错峰用电，电动汽车参与电量交互，邻居之间相互放电，智能家居等情况在新城镇里面都会出现。

3、光储充停车场

上图是集光伏、储能于一体的微网停车场，每个柱子里面包含的设备形成了一个小的微网，这类型微网还可以和大电网连接，和大电网相互支撑，这才是一个较好的分布式微网的概念。

除上述场景外，微网还可以用在数据中心、科技展馆、缺电的海岛乡村等，把光、风、柴油机、冷热电等结合在微网中，做成微网群，实现和大电网的友好互动，为电网出一份力。

精彩问答

1、 电动汽车V2G技术什么时候才能大量应用于需求侧响应，对储能投资是否有直接影响?

目前电动汽车V2G技术已经有部分应用，例如在公交大巴上的应用就用的很好，但是在数字化应用上可能还是需要一段时间的。其实在电池的应用上，包括换下来的梯次电池，都是车载电池的一部分，应用的方式方法都是一样的。随着电池厂的不断投建，储能投资一个很明显的趋势就是价格越来越低，对储能的影响应该还是蛮大的。

2、 如果说将微网系统应用于充电桩的建设，那么比普通的汽车充电站能节省多少电能?

按照纯的投资金额，微网应用于充电站和普通充电站相比，充电站越复杂投资越大，在电力富裕的情况下投一个简单的充电站比较容易，在电力不足的情况下，例如当小区5000个车位同时接进来，对电能负荷要求很高的时候，我们就需要用微网做调度、能量的管理，这个时候就要看综合价值。

3、 相对于交流母排，直流母排的微网设计是不是电网友好性好一些?

大电网用的直流输电形式只有特高压远距离输电，所以也谈不上系统内的直流母排对电网是不是友好，因为就算在直流侧通过四象限模块或者DC/DC模块做内部的自治，电网的接口还是交流接口，所以以后在配电侧有一条能够直流入户的电，才能真正实现直流电能的互动，当然这还需要一个建设的适应周期，所以现在在自有的微网系统内用直流母线，这种技术还是成熟的。

4、 目前在建设充电站时，光伏容量的建设比例占多少?

一般是按照雨棚的面积铺设光伏，8-10个车位的充电场站差不多是几十个千瓦。

5、 建直流母线等配电设施，一般增加多少成本?

按照直流侧带的设备、负载、包括调配管理的系统需要做多大等实际情况决定。

6、 V2G必然产生电池寿命或行驶里程，充放电比重多少更有性价比?

现在锂电池的循环次数可以做到3000-4000次左右，随着续航里程越来越大，如果一周充电2次，一年也就是100多次，车报废的时候电池也不一定会报废，所以V2G对车的电池的寿命的影响还是可以接受的，当然还可以利用柔性充电技术、CMS技术等将车放电以及V2G产生的影响降到最低。