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上海交通大学学报, 2025, 59(1): 1-15 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.287

新型电力系统与综合能源

交能融合V2G技术研究与实践综述

刘栋晨1, 季昱2, 胡岳,2

1.上海电力大学 电气工程学院,上海 200090

2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240

Summary of Research and Practice on V2G Technology of Transportation and Energy Fusion

LIU Dongchen1, JI Yu2, HU Yue,2

1. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China

2. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 胡岳,高级工程师,博士生导师;E-mail:yuehu@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 孙伟

收稿日期: 2023-06-30   修回日期: 2023-10-6   接受日期: 2023-10-19  

基金资助: 上海市科技创新行动计划(23N21900200)

Received: 2023-06-30   Revised: 2023-10-6   Accepted: 2023-10-19  

作者简介 About authors

刘栋晨(2000—),硕士生,从事电力系统状态检测、硬件在环仿真研究.

摘要

我国能源转型持续深化,电气化交通发展迅速,现有交通制式将难以满足可再生能源高消纳需求,同时电网能源供给将难以承担负荷冲击压力.实现能源与交通融合发展成为当前新命题,车网互动(V2G)技术成为研究热点.首先,分析国内外V2G应用现状.其次,针对V2G技术的重要应用领域,梳理轨道交通V2G和新能源电动汽车V2G的研究实践现状,介绍了基于个人快速交通(PRT)系统的新型V2G模式,并将3种V2G模式进行关联和对比.最后,提出在“交能融合”理念下围绕V2G构建能源互联网的展望和研究重点.

关键词: 电气化交通; 车网互动; 个人快速交通; 交能融合; 能源互联网

Abstract

Energy transformation in China is accelerating, with electrified transportation rapidly developing. However, the existing transportation system may struggle to meet the growing demand for renewable energy consumption, and the energy supply from the power grid could face challenges under increased load pressure. As a result, the integrated development of energy and transportation has become a pressing issue, with vehicle-to-grid (V2G) technology emerging as an area of research. This paper first examines the current status of V2G application both domestically and internationally. Then, it focuses on important V2G applications, reviewing the research and practical implementations of V2G in rail transit and new energy electric vehicles. It also introduces a novel V2G mode based on the personal rapid transit (PRT) system and compares the three V2G modes. Finally, it explores the potential of building an energy internet around V2G within the framework of “fusion of transportation and energy” and identifies future research directions.

Keywords: electrified transportation; vehicle-to-grid (V2G); personal rapid transit (PRT); fusion of transportation and energy; energy Internet

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刘栋晨, 季昱, 胡岳. 交能融合V2G技术研究与实践综述[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(1): 1-15 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.287

LIU Dongchen, JI Yu, HU Yue. Summary of Research and Practice on V2G Technology of Transportation and Energy Fusion[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2025, 59(1): 1-15 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.287

目前,我国城市轨道交通基础设施建设速度不断加快,线网规模不断扩展[1],交通电气化趋势日益显著.城轨交通设施能源几乎全部来自于电网[2],但能源供给问题使得交通能源网络具有脆弱性[3-4].正常情况下,能源网络相对稳定,而一旦遇到极端天气、超负荷运作等非正常因素,电网某节点发生故障,易引发交通甚至社会活动瘫痪,因此亟需开发交通与能源相融合的新型城市轨交运作模式.

在“交能融合”背景下,随着新能源的接入,轨道车辆与电网的交互逐渐迈入新的发展阶段.现有轨道交通车辆在大规模接入电网时会引发功率波动与负荷冲击,对电网的可靠性构成威胁.同时,随着大规模新能源并入电网,电力系统需要在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现供需平衡[5].为解决上述问题而提出的车网互动(V2G)技术通过在电网低负荷时让电动汽车(EV)吸纳电能,在电网高负荷时释放电能,不仅可以实现车辆与电网之间的电能双向流动,缓解电网负荷压力,维持电网电力交互平衡;还能充分发挥电动汽车的储能作用,提高可再生能源消纳水平和电网电能质量[6],以此推动车辆和电网互联,维护电网系统安全稳定运行和解决可再生能源消纳问题.

轨道交通V2G和新能源电动汽车V2G是V2G技术的两个重要应用,分别代表了大型公共交通系统和个人/商用交通领域,涵盖V2G技术在不同规模和应用场景等多个层面的应用,因此本文重点围绕二者展开综述.首先分析国内外V2G应用现状;之后介绍轨道交通V2G、新能源电动汽车V2G和基于个人快速交通(PRT)系统的新型V2G模式,并将3种V2G模式进行联系和比较;最后对未来V2G发展方向和研究重点提出建议和展望.

1 V2G应用现状分析

1.1 国外V2G应用现状

为提高城市交通系统能源可持续性、减少碳排放并更好地整合可再生能源,国外电气化交通领域正在积极探索V2G技术的应用.英国、荷兰、丹麦等欧洲国家致力于推广电动车辆与电网之间的互动,使用V2G技术来管理和优化能源利用,知名工程包括英国“VIGIL”项目、丹麦“Plugless Park”项目、荷兰“CITY-ZEN”项目等.菲亚特克莱斯勒汽车公司与意大利国家电网运营商Terna合作并开展由700辆电动汽车组成的V2G项目,以验证实现纯电动汽车与电网之间双向交互[7].美国一些州和加拿大一些省份推广电动列车和电动巴士等电动交通工具,通过将列车和电网连接起来,调整能源供应,在需求较低时将多余的电能返回到电网,以应对例如大规模风力发电等可再生能源供应波动较大的问题[8].美国加利福尼亚州、纽约和加拿大魁北克等地的V2G试点项目在实际交通领域进行了测试[9-11],旨在探讨将车辆纳入电网管理中的潜力,其中包括考虑为电动列车提供V2G充电设施,以帮助电动列车在运行过程中充电,延长其续航里程,同时向电网提供电能,以提高能源利用效率[12-13].此外,美国洛杉矶空军基地将V2G技术应用到军事领域[14],利用军用车辆作为移动能源储备,在需要时释放到基地电网或其他军事设施中以满足电力需求.日本的汽车制造商积极研发V2G兼容车型以及V2G系统的集成,探索在地铁站和车辆停靠站点等地建设电池存储系统[15],在高峰时段释放电能以平衡电网负荷和提供备用电源.

1.2 国内V2G应用现状

国内V2G研究现状与工程应用尚处于起步阶段,略滞后于国外发展水平[16].我国开展的V2G技术研究和项目多为试点,通常围绕电动汽车的负荷和储能双重属性,以电动汽车移动储能、电动汽车有序充电策略、电动汽车参与电网调频、需求响应、源网荷储协同互动、虚拟电厂等为主[17-18].目前在新能源电动汽车领域V2G的试点项目围绕新能源电力存储与车网能量互动展开,通常在特定地区内测试V2G充电设施在电网管理和能源调度方面的效果.国内V2G试点应用项目包括北京人济大厦V2G示范项目[19]、无锡e-Park项目[20]、重庆福佑路光储充放能源管理综合示范站等[21].在轨道交通领域的工程应用中,除地铁列车和有轨电车通过受电弓和接触网实现能量互动外,还涉及在车辆中安装储能设备,应用能量回馈技术在需要时将储存的电能回馈电网,测试其平衡电网负荷和提高电力系统可靠性的能力,如搭载了超级电容的昆明长水国际机场旅客捷运系统[22].

1.3 V2G应用现状总结

综上,国外V2G技术水平相对成熟,拥有更大的电气化交通和充电基础设施网络;我国V2G试点项目形式较为单一.国内外的V2G工程应用推动了V2G技术的开发和创新,涉及能源需求管理和优化、电网支持和负荷平滑、可再生能源的整合集成等,旨在共同推动清洁能源和电动交通领域的发展.轨道交通V2G和新能源电动汽车V2G受益于上述技术进步,有机会开发新型的交通能源融合模式,并将其应用于更广泛的场景中.

2 轨道交通V2G研究实践现状

截至目前,我国常见的城市轨道交通制式包括地铁、有轨电车、轻轨、市域快轨、磁浮交通等,车辆运行以电网供电为主要的动力来源,以电力牵引为主要的轨道交通牵引方式[23].以超级电容、动力锂电池和氢燃料电池为代表的储能式轨道交通受主流储能元件、系统能量密度、功率密度等问题的约束,其车载电池系统无法满足城轨交通车辆全线正常运行时对牵引、制动功率和运行里程的需求,因此现有城轨交通车辆多以接触网或第三轨的电网供电制式进行运营[24]. 典型的轨道交通牵引供电系统见图1.

图1

图1   轨道交通直流牵引供电系统示意图

Fig.1   DC traction power supply system for rail transit


2.1 常用牵引供电制式及其特点

目前国内部分地铁地下隧道采用架空刚性接触网供电,地上线路及铁路多数采用柔性接触网供电方式.牵引接触网是电力牵引供电系统的重要组成部分,主要用于电能的承载和传输.接触网供电制式是在列车运行线路上方架设接触网线,车辆通过受电弓与接触网连接获取电能,再通过金属轮轨回流入电网.线路网直接沿线路架设,易受雷电暴雨等自然因素影响,加之弓网间的冲击作用导致弓网设备冲击磨耗严重,因此弓网系统成为电力牵引供电系统中故障频发的一环[25].

国外城市地铁线路多采用第三轨供电,与接触网供电不同,第三轨是在列车行走的两条路轨以外加上带电钢轨,输入直流电作为牵引动力,与受流器(集电靴)配套工作,为轨道交通列车及其设备提供电力支持,同时能灵活进行故障响应,保证列车行车安全.运行过程中,电动列车通过集电靴与第三轨的上下表面或者侧面接触取得电能,将电能传到列车上以实现电力牵引[26-27].

2.2 轨道交通V2G技术优势

为平滑城市轨道交通牵引网电压、功率的波动性和间歇性,通常在城轨供电系统的变电所内或列车上设置不同类型的能量回馈单元和储能装置[28].图2为典型的装配了再生制动能量吸收装置的车网能量互动方案,当列车处于牵引或巡航模式时,牵引电机将切换至电动状态,列车从牵引网络中吸收电能并将其转化为动能.当列车处于再生制动状态时,牵引电机将转变为发电模式,此模式下列车将减速产生的动能转化为电能,并反馈给牵引网络,如此实现车网能量交互[29-30].当可再生能源投入使用后,系统将在可再生能源产生较大波动的情况下存储多余的能量,并在需要时将其释放到电网,以优化能源利用并维护电网稳定[31].

图2

图2   轨道交通再生制动车网能量互动示意图

Fig.2   Regenerative braking V2G for rail transit


2.3 轨道交通V2G现存不足

通过车网能量互动,电力网络和轨道网络紧密耦合,但在运作期间使用大量电子器件,会产生轨道牵引负荷.牵引供电产生的负荷为一级负荷,负荷具有非线性和冲击性,给电网带来电压偏差、负序电压、负序电流、谐波、电压波动及闪变等电能质量问题,直接关系到电网运行的稳定性.常年处于超负荷运行状态下的城轨交通,其牵引供电系统的保护动作频发、供电线路老化加剧、弓网故障,供电安全事故不断[32].此外,我国高速电气化交通产业飞速发展,作为波动剧烈的大功率单相负荷,动车组通过牵引变电和电网直接相连,在配电网中常因牵引负荷的波动性和不对称性而引发谐波、无功和负序电流等问题.高速运行的动车组与接触网的每次接触都是一次合闸过程,同一变电站短时间内会接入多个大负荷,形成庞大的励磁涌流,造成频繁的负荷冲击,从而引发负荷不平衡,造成附加损耗[33].

2.4 轨道交通V2G未来研究方向

在建设“低碳交通”背景下,可再生能源在电气化交通领域被不断投入使用.高比例可再生能源出力的间歇性、随机波动性和不确定性会使得电网可靠性急剧下降,电网对可再生能源供电能力信任度的下降也使得“弃风弃光”现象严重[34-35],给电力系统带来革命性挑战.图3概述了轨道交通V2G现阶段的研究与应用以及未来的发展方向,未来安装了大量可再生能源的电网将需要更快速的控制,保证高效地追踪可再生能源快速变化的输出功率[36].在系统中装配分布式电能储备设施,使用能量存储作为需求侧控制的手段是未来的研究趋势.因此,选择合适的储能技术如锂离子电池、超级电容、氢燃料电池等,以提高储能系统的效率和稳定性;设计合理的储能系统容量,以满足轨道交通电网的能量需求,缓和电网负荷冲击;建立完善的电能质量监测系统,对轨道交通电网进行实时监测分析,并及时诊断和解决电能质量问题等是亟需研究的关键内容[37].

图3

图3   轨道交通V2G关键内容概述

Fig.3   Overview of key elements of rail transit V2G


3 新能源电动汽车V2G研究实践现状

电气化车辆在能源互联网中既是电力网络比例大的负荷,又是重要的能源存储单元和能源传输主体,具有大规模的能量存储能力,是可发挥多元作用的能源互联网核心[38].基于充电桩的电动汽车V2G技术侧重于对电网中的电动汽车集群统一管理、调度,连接电网中所有车辆动力电池,通过储能为电网削峰填谷.如图4所示,该模式下的V2G将电动汽车的电池视作并网储能设备,而不仅仅是电网上的负载[39],通过双向潮流或单向潮流实现车辆与电网的互联.在微电网环境下,V2G可以为可再生能源就地消纳及稳定并网提供支撑,能够降低由接入负荷的冲击性、可再生能源的波动性给电网所带来的危害[40],为智慧城市“车-桩-网”一体化运行提供技术支撑[41].

图4

图4   电动汽车V2G模式示意图

Fig.4   V2G mode of electric vehicle


3.1 电动汽车V2G应用优势

新型电力系统中的电能质量管理体系以储能技术为支撑,V2G技术的核心思想是利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲.长期来看,大规模应用V2G将有助于提升对可再生能源的消纳,减少碳排放并降低燃料费用和电力系统升级改造费用,降低系统成本[42].电动汽车上装有较大容量的电池,据统计,大多数车辆每天有约22 h处于停止状态,当这些车辆的数量足够大时,其电池的总容量就足够大,因而可以考虑令其在停车状态下作为电网以及可再生能源系统的缓冲[43].美国特拉华大学首次提出了将电动汽车进行联网,实现电动汽车与电网之间双向电能传输的概念,明确指出可以通过电动汽车将电能回馈到电网,改善电网负荷曲线,进而保证供电可靠性及电能质量[44].在V2G架构下,电动汽车既具有源特性又具有负载特性,克服了传统电力供应和电网之间“双向通信和单向传输”的限制,电动汽车既可以从电网充电,也可以将电动汽车的电能输送回电网,实现“双向通信、双向输能”[45].同时,新能源电动汽车V2G技术是解决电网冲击负荷危害和可再生能源波动问题的最合适方案,且在未来有较大概率替代调节电站,成为能源互联网的储能终端[46].

3.2 电动汽车V2G充放电问题

车网互动期间,为平衡电网供需关系,缓解电网压力峰谷差异,需要大量电动汽车作为储能源[47].电动汽车不能随意地、毫无管理地接入到电网中,如果电网正处于峰值负荷需求,大量电动汽车无序充电时容易出现在特定时段、特定地点集中接入电网充电的状况,从而造成电能供需失衡、线路过载、降低电能质量、威胁电网安全运行等问题[48].

对此,业内学者围绕基于V2G条件下电动汽车的充电模式和放电策略进行研究.Yang等[49]利用仿真分析构建电动汽车行为模型、常规充电模型和快速充电模型,针对接入电网的电动汽车数量对日负荷曲线的影响进行研究,分析得出大量电动汽车并网会增大日负荷曲线峰谷差,而动态定价机制和V2G机制可引导电动汽车参与调峰并优化日常负荷曲线,能够发挥分布式储能单元电动汽车对电网的调频作用.但是该研究未综合考虑电动汽车的调度可行性以及调度时对电池造成的动态损耗[50].Shi等[51]针对大量电动汽车的充电调度问题,就降低规模化V2G电动汽车并网带来的不利影响开展对调度V2G能量的研究,利用鲁棒优化方法对风力发电和电动汽车结合的小区微电网协同调度优化问题进行了建模分析,提出基于充电时间的分组调度方法,证明了合理的充放电策略可以使电动汽车发挥削峰填谷、消纳可再生能源的作用.但其未能考虑预测变量的不确定性,导致微电网系统的鲁棒性以及电动汽车的充电策略过于保守,需要大量的实验数据验证和支撑.Shi等[52]指出,在V2G架构下可以将风力发电的不确定性和电动汽车的荷电状态(state of charge, SOC)建模为不确定性预测集,利用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法解决上述微电网电力系统调度问题,同时引入调度区间系数来调整保守性程度以解决鲁棒优化的过度保守性问题.该方法在提高可再生能源的吸收率的同时,能有序地指导电动汽车在峰值负荷降低和山谷填充中的充放电.以上研究为后续电动汽车V2G状态下充放电策略的改进提供了参考,也指出通过V2G技术,电动汽车可以充当可再生能源消纳的灵活储能装置.

3.3 电动汽车V2G对可再生能源的消纳应用

可再生能源在电动汽车车网互动充放电状态下的消纳水平是当前V2G技术研究的重要内容之一.Gajduk等[53]研究电动汽车放电策略,结果表明:合理地动态控制电动汽车充电,可以增加电网对可再生能源的吸纳能力;相较于电池电动汽车(battery electric vehicle, BEV),插电式电动汽车(plug-in electric vehicle, PEV)可以为可再生能源提供备份,同时提供无功功率支持、有功功率调节负载平衡、削减峰值负载,提高电网的暂态稳定性.在放电模式下,PEV可以单独充当V2G系统,与电网实行紧密交互,提高电力系统对波动性可再生能源的消纳水平[54].Mwasilu等[55]指出,智能电网可以容纳电动汽车作为动态负载和势能缓冲器,实现电动汽车充电的智能调度.V2G架构下的电动汽车可以在虚拟发电厂(virtual power plant, VPP)概念模型下对可再生能源进行聚合和控制,利用无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN)提高电动汽车的渗透率,即让电动汽车充当电网规则和辅助服务的能量缓冲器,通过V2G方案平衡电网运行,提高可再生能源消纳水平.Fathabadi[56]对外部环境条件进行研究,构建具有V2G技术的新型并网太阳能电动汽车充电站.该充电站能将太阳能转换为电能,采用快速高精度技术来跟踪充电站中使用的光伏阵列,不仅在阳光充足的时候能产生大量电能对电动汽车进行充电,还可在多云甚至阴雨天的情况下平衡当地电网的负载需求.Lund等[57]就如何更好地利用波动可再生能源提出构建能源计划模型,即将整套电池系统模拟成一个大电池,根据其储存的能量水平波动,通过线路连接进行充电.当电网正常运行时,电池组将插入并充电;当电网经历电力短缺时,机制将逆转,电动汽车将把产生的能量释放回电网.与传统电池相比,电动汽车的电池必须在保持高水平电力的同时最大限度地延长运行时间,这一模型缺陷在于电池的总容量并不总是可用,且对电网电力的依赖性较大[58].

3.4 现有电动汽车V2G应用挑战

图5反映了电动汽车V2G从20世纪90年代起不同发展阶段以及各阶段所涉及的关键问题和研究内容.结合文献[59-60],回顾可再生能源接入后车网能量管理系统的不同控制方案,可知当前亟需研究的核心问题是:电动汽车在充放电过程中,如何保证V2G技术运用的高效性与经济性,并保证对可再生能源消纳的灵活性,以及对电网和车载电池造成危害的可控性.无论是私家充电桩还是公共充电场站,目前新能源电动汽车在V2G模式下只能通过联网进行充放电,当出现电网断联时各项充放电策略难以顺利实行.同时,随着新能源广泛应用,分布式发电渗透率上升,电网呈现弱网特性,采用集中控制、统一调度的V2G充放电策略,需要依赖第三方供应商或者电网进行统一管理,大量电动汽车接入将导致控制中心运行成本高、运行效率低以及决策耗时长,难以满足配电网实时安全运行的需求,期间还需要考虑大容量新能源接入电网导致的电网负担加重及频率、电压等关键指标波动问题.此外,在V2G状态下,电动汽车进行持续充放电操作会导致电池周期寿命减少并使得存储容量降低,难以避免电池诊断与更换等问题[61].经预测,到2030年,全球新能源汽车充电需求将达到 1 000 TW·h;到2040年,新能源汽车充电需求将带动全球用电量增长的10%~13%[62].要满足TW·h级别的充电需求,未来需完善充电网络和电力系统设计,探索构建“源网荷储”高度融合的新型V2G模式发展路径.

图5

图5   电动汽车V2G发展阶段及关键问题

Fig.5   Development stages and key issues of electric vehicle V2G


4 基于PRT的新型V2G模式

4.1 PRT系统概述

PRT运载系统融合交通、信息与能源,被视为能源交通的一种创新形式.系统通常基于一系列小型、轻量级自动化电动汽车或吊舱在专用导轨网上运行,通过轨道供电,是由电力驱动的“轻型城市轨道交通系统”[63],如图6所示.这些电动车辆可以是纯电动车辆(BEV)或插电混合动力车辆(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV),能够与电网进行实时不间断的能量交互,在自身获得动力的同时给予电网相应的反馈.每部车辆可以容纳一名至几名乘客,具备先进的导航和控制系统以及自动驾驶技术,且允许乘客从一个站点直接到达目的地,中途不需要换乘,能够缓解传统公共交通中的等待时间和拥挤问题,是一种具有前瞻性的城市交通解决方案.在智慧城市中,与普通汽车相比,PRT车辆能够节省约75%的能源,CO2排放量可减少60%以上[64],有助于推动“双碳”目标的实现.

图6

图6   PRT系统示意图

Fig.6   Schematic diagram of PRT system


4.2 PRT中V2G应用优势

美国摩根敦线、英国希斯罗机场PRT是典型的传统PRT项目,除基于电磁感应原理实现电池无线充电外,系统电力一般由架空接触网和第三导体轨道等导体提供,在轨道上配备电力输送装置,于沿线设置多座箱式变电站实现能量交互[65-67].但第三轨道供能电压低,导致电力容量有限,系统易出现过载,产生的高电流引起能量损失增高,电力能源利用率低,致使传统的PRT系统不适合高要求的电力应用.

正常运行条件下,V2G技术通过利用分布式储能单元,可减少可再生能源发电对电力系统的冲击,保证电力容量和电网电压电流稳定,降低负荷缺电可能性以解决可再生能源的不稳定性问题,有望改善传统PRT轨道供电存在的不足[68].电动汽车多采用锂离子电池进行能量存储和供能[69],综合现有电网条件,结合锂离子电池自身高能量密度、无记忆效应、低自放电率、成本下降等优点,电池存储成为PRT能量交互应用的有力候选者[70].V2G技术通过智能充放电来更有效地管理电池能量,通过提供存储容量和辅助服务来支持光伏和风能在电力组合中的高份额集成,具有在离网供电系统中使用的巨大潜力[71].基于PRT系统的V2G和能源互联网模型分别如图7图8所示,PRT车体为储荷一体化载具, 通过供电轨道与总电网自然连成分布式微能源互联网,利用稳定的能源供应来确保运行安全和可靠性.在引入V2G技术后,PRT系统能以虚拟储能电站的形式为配网可靠运行提供快速需求侧响应支撑,可以减轻传统电网的负荷压力,降低对传输线路和变电站的能量需求,有望解决分布式能源100%就地消纳问题.综上,基于PRT的V2G模式有望综合轨道交通和新能源电动汽车的优势,实现分布式小容量自平衡的V2G.

图7

图7   基于PRT系统的V2G模型示意图

Fig.7   V2G model based on PRT system


图8

图8   基于PRT系统的能源互联网模型

Fig.8   Energy Internet model based on PRT system


4.3 基于PRT的V2G模式应用案例

基于PRT的V2G模式目前处于密集开发阶段,技术还未成熟,在国内应用受限,国外的应用也以实验性质居多.英国牛津郡Oxfordshire PRT项目将基于PRT模式的电动汽车与智能电网相结合,通过将PRT车辆与充电站、电网建立联系,测试PRT车辆作为移动式、分布式的储能设施对电网的影响.由于线路和站点固定,所以在提供交通服务期间,PRT车辆能以最快的速度在可再生能源产生过剩电力时进行充电补能,在用电低谷期储存电力,于用电高峰期将储存的电力回输至电网,以平衡电网负荷.相较于普通的电动汽车,不仅实现了更灵活的能源优化管理,还为电网提供了额外的电力支持.荷兰阿姆斯特丹将PRT车辆视作移动储能单元开展城市公共交通试验,应用V2G技术优化PRT车辆小型电池组的充放电过程[72].证明了基于PRT的V2G模式较传统V2G更能提高电网资源配置能力,降低用电成本,也能通过削峰填谷等方式提升对可再生能源的消纳能力,为未来的城市交通规划和能源管理提供有益的参考和借鉴.

4.4 3种V2G模式对比分析

轨道交通V2G、新能源电动汽车V2G和基于PRT的V2G均考虑利用车辆或系统中其他设施作为储能设备,使用能量存储作为需求侧控制的手段管理电力供应,以实现车辆与电网的能源双向流动.最终目标是促进可再生能源的集成、减少交通碳排放和提高电力系统的可持续性,推动构建由单一电源供电结构发展为多元电源互补模式、由单向电能流动消耗发展为双向电能互动模式、由被动负荷消纳发展为主动负荷协调模式的综合交通与能源融合技术体系.当前,三者在能量交互方式、应用范围和规模等方面各有不同,具体区别如表1所示.

表1   3种V2G模式关键区别

Tab.1  Key differences between three V2G modes

模式车网能量交互方式电力需求响应灵活度储能容量可再生能源消纳水平应用规模与实施场景
轨道交通V2G主要依靠再生制动,利用电机和能量回馈装置将一部分动能或势能转化为电能,再回馈至牵引网以实现车网能量交互作为大型公共交通系统,能源需求通常按照固定时段和路线进行规划管理,需要持续供电以确保运营,不能随意中断或调整电力需求,电力需求响应灵活度较低典型的电车和有轨电车通常具有较大的储能容量(50~300 kW·h),在运营过程中会定期充电,以确保能够满足行程的电力需求具备大的储能容量,可以在尖峰时段提供额外的电能供应;且具有固定线路和停靠站点,系统能与可再生能源发电站直接相连,降低能源损耗,消纳水平较高主要涉及特定区域内大型公共交通系统(如电车和地铁)与电网的能源互联,涉及发输变配电等环节,需要大量电力支撑和能量交互,V2G规模较大
新能源电动汽车V2G利用电动汽车的源特性和负载特性,将其电池视作并网储能系统,通过双向或单向潮流实现车网互联车辆电池容量可支撑短期电力需求.通过V2G,车辆可以相对快速地进行充放电,以支持电网的短时需求峰值,实现电力需求响应,灵活度较高车辆通常配备适当容量(54~60A·h)的电池储能系统,既能为短期电力需求提供支持,也能应急特定场景下的电网能量需求电池容量较小,消纳可再生能源的能力较弱.需要通过适当的管理和调度策略,优化电池储能能力来提高消纳水平在个人和商用、工业领域广泛使用,可跨城市跨地域,支持联网充放电,电力需求高,是当前主流V2G形式,应用规模大
基于
PRT的
V2G
通过供电轨道与总电网连成分布式微能源互联网,利用PRT车载电池以虚拟储能电站的形式提供需求侧响应支撑面向特定区域内个人用户的短途出行,电力需求波动较小.车辆搭载电池储能系统,能源储备分布可控,可以更快速地响应电力需求管理,能量需求响应灵活度高PRT车辆为轻量级交通工具,单个车体通常具有较小的电池容量,限制了它们在V2G中可以存储或释放的电能,需通过增加车辆数量进行弥补车辆电池容量小,但由于能源储备分布可控,车辆间或车辆与站台间可以协调能量使用,平衡可再生能源的波动性,消纳水平较普通电动汽车高在城市内部特定区域内依靠特定数量的车辆运行,相比其他两种形式V2G应用规模小,可以更紧密地集成到城市的能源管理系统中

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5 研究与应用展望

随着交通领域新能源大规模投入应用,交通模式将逐步转型,以V2G为重点的能量交互技术将不断创新.交通领域的发展将带动能源结构优化,提高能源的转化及利用效率,使得能源弹性得到提升.如图9所示,未来的研究内容应专注于围绕V2G完善“源-网-荷-储”系统,使得V2G向着清洁化、平台化、数字化、效益化等方向发展,促进交通与能源领域“友好”融合,为构建能源互联网打好基础.未来研究重点可归纳如下:

图9

图9   交能融合V2G研究方向与内容规划

Fig.9   Research direction and content planning on V2G of transportation and energy fusion


(1) 研究“交能融合”的形式,基于现实案例、数据分析和模拟评估等,设计易于推广的交通运输系统与可再生能源消纳协同发展模式,平衡能源交通供需关系.

(2) 基于不同的交通制式,研究V2G智能化能源管理与优化策略,开发升级核心电力电子装备,优化储能系统,集成可再生能源,解决轨道交通大冲击负荷对电网影响等问题,实现不同交通制式下V2G技术主动负荷协调.

(3) 发展类似PRT新制式交通的分布式“交能融合”模式,基于实时V2G模式下的“交能融合”,将运载车辆作为“源荷储一体化”能源终端,为电网提供实时需求侧响应等服务.

同时,未来还可以围绕新制式交通V2G系统,利用数据信息融合方法建立 “能源-交通”能效数据模型,提供虚拟电厂、分布式充储站点电网响应服务、充电导航、交通碳交易服务等,指导能源-交通-信息基础设施规划建设.此外,交通与能源的深度融合需考虑源网荷储的全面统筹、绿电应用的有效降碳、运行机制的持续顺畅以及产业开发的显著增利.

6 结语

在“双碳”大背景下,改变现有交通形态,降低交通车辆对电网的依赖程度,以交通需求带动能源消纳,以能源应用推动交通更替,实现交通和能源融合发展逐渐成为业内一致的目标.V2G技术具有多项优势,应用前景光明,广泛内容待研究.本文针对轨道交通V2G、新能源电动汽车V2G两个极具研究代表性的V2G应用领域的研究实践现状进行综述,介绍了基于PRT的新型V2G模式,为发展新制式交通的分布式“交能融合”模式、实现不同交通制式下V2G技术主动负荷协调、围绕V2G技术规划构建能源互联网等方面的研究提供一定参考.

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随着可再生能源在电力系统中所占的比例日益提高,电力系统的电源结构发生了巨大变化,可再生能源的高渗透性、出力的随机性和不确定性,使得电源侧、负荷侧对电力系统调峰资源需求问题逐渐凸显。首先,总结可再生能源时序发电特性和空间分布特性,对高比例可再生能源电力系统的调峰问题进行了说明。然后,对多种调峰储能类型的配备、特点、发展趋势等研究成果进行总结与归纳,对需求侧参与电力系统调峰方式进行归纳总结,包括需求响应建设、发展电力市场和辅助调峰服务市场以及增强电力传输能力。最后,对未来高比例可再生能源电力系统调峰问题研究前景进行了讨论与展望。

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Power supply structure has undergone tremendous changes with the increasing proportion of renewable energy in the power system. The high permeability, randomness and uncertainty of the output of renewable energy cause problems increasingly prominent, such as demand of power system peak-shaving resources on both power supply and load side. Firstly, this paper summarizes temporal and spatial distribution characteristics of renewable energy, and explains the peak-shaving problem of power system with high proportion of renewable energy. Then, the equipment, characteristics and development trend of various peak-shaving energy storage types are summarized. The paper also elaborates the peak-shaving modes of the demand side in the power system, including demand response construction, power market and auxiliary peak-shaving service market, and enhancing power transmission capacity. Finally, the future research prospects of peak-shaving of power system with high proportion of renewable energy are discussed and prospected.

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充电仍是补能主流 V2G呈现三大优势

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Charging is still the mainstream of replenishment V2G presents three major advantages

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Discussion on power supply and distribution design of PRT traffic system project in an international airport

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卢地华, 陈自强.

基于双充电状态的锂离子电池健康状态估计

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DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.027      [本文引用: 1]

针对锂离子电池实际应用中存在不完全充放电而导致的充电起始点及截止点不确定问题,提出一种基于双充电状态因子的电池健康状态估计方法.搭建电池老化实验台架,采用8块镍钴锰锂离子电池进行老化实验;区别于传统单状态因子估计,选取不同老化阶段下恒压充电状态前端等时间差的电流平均值,以及恒流充电状态末端等幅值电压的充电时间构造健康因子;分析不同老化阶段实验电池的荷电状态-开路电压对应关系,通过理论推导及实验结果证明健康因子的正确性;建立具备强泛化能力的改进支持向量回归模型,并通过粒子群算法优化模型超参数.实验结果表明:所提双充电状态健康因子与电池老化衰减密切相关,所建立的改进支持向量回归模型可实时估计不同老化状态下的电池健康状态,具备容量局部回弹变化的表征能力,可作为一种有效的嵌入式电池管理系统健康状态估计方法.

LU Dihua, CHEN Ziqiang.

State of health estimation of lithium-ion batteries based on dual charging state

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Using personal rapid transit as an effective transport solution in historical downtown areas: A case from Historic Kemeraltı, ˙Izmir

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