国际电气工程先进技术译丛 电动汽车融入现代电网.pdf

国际电气工程先进技术译丛电动汽车融入现代电网墨 Rodrigo Garcia-Valle葡 Joo A.Peas Lopes等著郭春林 译机 械 工 业 出 版 社 本书研究的是电动汽车逐步融入现代电网所带来的挑战和机遇。本书首先对当前电动汽车和电池的技术发展水平进行了全面介绍，描述了评价电动汽车部署对电网稳态和动态运行影响的动态分析工具，检验了消除影响的策略，以及支撑大规模可再生能源同时接入的可能性。本书还介绍了新的商业模式和控制管理架构，以及将电动汽车作为主动负荷接入时所需要的通信基础设施。最后，本书讨论了电动汽车融入现代电力系统的监管问题。本书起源于 2010 年和 2011 年由 EES-UETP 支持的两个课程，由产业界和学术界的杰出研究者与专业人士撰写，共分 9 章。本书内容适合多方面的读者，可以为关注电动汽车及其应用前景的人们提供入门介绍，为电动汽车及电网融合的研究者们提供基本方法、模型和经验，为政策制定者提供理论与技术支撑，也可作为高等院校相关专业师生的参考用书。译者序随着石油资源的日渐枯竭、环境污染的不断恶化、温室效应的不断加剧，电动汽车（Electric Vehicle，EV）已经成为了国际社会高度关注的热点问题。各国政府纷纷制定政策与规划，开展各种形式的示范和推广工程。美国通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒公司及日本丰田公司等国际汽车业巨头纷纷投入大量资金开发下一代电动汽车。在我国，新能源汽车产业被确定为七大战略性新兴产业之一，政府大力推进“十城千辆”工程，推出了财政补贴等系列支持措施，发布了节能与新能源汽车产业发展规划。通过实践与研究，人们深刻地认识到，充电基础设施是电动汽车系统的重要组成部分，电动汽车的发展离不开电网的支撑。另一方面，可再生能源的规模化接入给电网带来了巨大挑战，这要求我们充分利用电动汽车负荷的可控性，通过协调优化来降低不利影响、提高系统性能、增加新能源的利用。因此，电动汽车与电网的融合受到了国内外学者和产业界的高度重视，进行了大量的研究，获得了丰富的研究成果。本书由 Rodrigo Garcia-Valle 和 Joo A.Peas Lopes 主编，目的就是对这方面成果进行总结。Garcia-Valle 和 Lopes 分别是丹麦理工大学的教授和葡萄牙波尔图系统与计算机工程研究中心的学者，他们在欧盟 MERGE 和丹麦 EDISON 项目的支持下对电动汽车和电网融合进行了大量研究。2010 年和 2011 年，他们主持了 EES-UETP，在丹麦和葡萄牙举办了两个课程。之后，他们在此基础上完成了本书的撰写工作。本书包括 9 章，分别由这一领域有丰富经验的产业界和学术界的杰出研究者与专业人士执笔，对作者们在电动汽车领域进行的研究工作和成果进行了详细介绍，描述了电动汽车逐步融入所带来的挑战和机遇。书中对当前电动汽车和电池的技术发展水平进行了全面介绍，研究了电动汽车的部署给电网带来的影响与挑战，描述了稳态和动态运行影响的分析工具，检验了消除影响的控制策略以及支撑大规模可再生能源接入的可能性，介绍了新的商业模式、控制管理架构以及所需要的通信基础设施，讨论了电动汽车融入现代电力系统的监管问题。本书是作者们辛勤研究的结晶，比较全面地总结了电动汽车融入电网所带来的挑战与应对措施，尤其是欧盟国家在这些方面的研究成果和实践经验，并梳理和构筑了电动汽车研究的基本方法体系。本书内容适合各方面的读者，可以为关注电动汽车及其应用前景的人们提供入门的介绍，为电动汽车及其电网融合的研究者们提供基本方法、模型和经验，为政策制定者提供理论与技术支撑。本书易读、实用，启迪性、实践性很强，是一本值得信赖的参考书。译者郭春林作为华北电力大学的一名教师，在国家高技术研究发展计划（863 计划）“电动汽车充电对电网的影响及有序充电研究（2011AA05A109）”等项目支持下，一直关注和致力于电动汽车与电网融合的研究，开发了电动汽车与新能源电网互动实验平台，对电动汽车充电负荷特性、对电网影响以及有序利用进行了深入研究。在工作中，我与相关行业的研究者和业界人士进行了广泛接触，深刻地感受到需要对电动汽车方面的研究成果进行系统总结和介绍。“他山之石，可以攻玉”，我国提出电动汽车要“弯道超车”、抓住历史机遇实现汽车产业的跨越式发展，就更需要认真借鉴先进国家的经验。因此，我非常高兴并且努力地完成了本书的翻译，希望本书的出版能够给大家带来帮助。为我国电动汽车的研究和应用略尽绵薄之力。在翻译工作中，我的研究生唐哲慈、陈俊、陈文、李宗峰、陈钦磊、齐文波等提供了很多协助，华北电力大学肖湘宁教授、张建华教授、李岩松副教授、刘文霞副教授给予了多方支持，在此一并表示感谢。同时，也感谢我的太太刘卉和儿子郭履正，他们对我的工作给予了巨大的支持。尽管在翻译过程中，我们常常渴望多一份圆满、少几许缺憾，然而由于时间仓促、水平有限，疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正！如有建议或意见，欢迎与我联系。联系邮箱为：gcl 。译 者电动汽车融入现代电网前言在未来几年，为了大量降低二氧化碳的排放量，全世界必须在经济、低碳化方面做出巨大的努力。在这方面，需要做出最大改善的领域之一就是交通领域。事实上，只有交通领域的二氧化碳排放量大量减少，才能有效地解决排放问题。有两种方法可以实现这一目标：内燃机汽车更多地使用生物燃料；向电气化交通转变。然而，在交通领域实现向电气化的转变要取得成功，必须同时提高无碳（无二氧化碳）排放发电技术的比例，即基于可再生能源的电力能源。在这方面，欧盟做了大量努力。事实上，欧盟制定的能源方面的目标，需要认真考虑各种整合可再生能源的潜在方案，以满足电力需求。另一方面，由于引入电动汽车导致的预期将不断增长的能源需求，所以需要建立可变电源利用这一创新理念。使用动态技术来预测电力供应和需求（包括市场化的电价），被视为优化电网平衡的基础。欧洲风电市场的装机容量预计在 2020 年将满足 14%的电力消耗。今天在丹麦和葡萄牙，风力发电占总发电量的 20%以上。然而，这种可再生能源的可变特点对整个系统提出了特殊要求，包括未来采用主动负荷管理和储能技术。最近的一些试验项目和研究表明，电动汽车的电池能够帮助提供一种有效的方式，来处理风电厂的可变电能。此外，相对静态的电网系统也必须智能化，以应对未来的电力供应和需求。公用电力企业将整合大规模可再生能源发电技术，作为其长期发电战略的核心部分。并网式电动汽车可能使得可再生能源在电力网络和市场的整合更为容易，因为它们作为负荷是非常灵活的，所以最适合为电网提供平衡服务。本书旨在介绍技术发展情况并确定所需的解决方案，以支撑将规模化电动汽车与我们的社会融合在一起。本书部分资料来自欧盟资助项目电网下的移动能源（Mobile Energy Resources in Grids of Electricity，MERGE）和丹麦的基于可持续能源与开放网络的分布式和统一市场下的电动汽车（ElectricVehicles in a Distributed and Integrated market using Sustainable energy and Open Net-works，EDISON）。本书灵感来自于 2010 年和 2011 年由电气能源系统-大学企业培训合作伙伴计划（Electrtc Energy Systems-University Enterprise Training Partnership，EES-UETP）支持的分别在丹麦和葡萄牙举办的两个课程。本书分 9 章，分别由这一领域有着丰富经验的产业界和学术界的杰出研究者与专业人士执笔。第 1 章是导言部分，对这一技术的发展情况进行了概述。第 2 章讲述了电池技术，包括电动汽车应用中的电池建模和设备性能的内容。第 3 章讲述了电动汽车充电产生的影响，和它对日常负荷的影响。所研究的方法可用于电动车接入电网的新商业模式和管理体系。这些内容将分别在第 4 章和第 8 章进一步说明。第 4 章讨论了不同的商业模式和控制管理体系。本章描述了电动汽车的充电方式，它们如何影响电动汽车及其电网连接设施的设计，以及对有关潜在商业模式的推动和限制。本章还对三个大型电动汽车接入项目进行了比较。第 5 章介绍了最新的智能电网通信技术和针对电动汽车融入现代电力网络的相关标准化工作。本章对整合电动车辆的信息和通信技术解决方案进行了非常详细的描述。第 6 和第 7 章描述了电动汽车与电力系统融合的稳态和动态特性高级模型、仿真工具和结果。这两章主要关注用不同的方法和策略来解释这一特殊主题下的几个重要问题，如生成评估电动汽车对电网影响的负荷场景、制定收费管理策略以提高电动汽车可控性、确定可行的电动汽车渗透率、电动车辆参与频率控制的可行性和电动车辆对自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）的贡献来增加电力系统可再生能源的渗透率。第 8 章对电动汽车接入现代电力网络的主要监管问题进行了概述，尤其关注一般角色和关键功能的分配。针对各种充电模式，如在家充电、街边公共充电和专用充电站，本章提出并描述了一个概念性的监管框架，并对发展两个新实体，使其作为最终服务的中间推动者进行了论证。第 9 章介绍了电动汽车应用的发展情况，从最早期的发展，直到遍布世界的众多电动汽车项目和活动。此外，还介绍了实际可用的电动汽车和不同的电动汽车制造商，展示了不同电动汽车技术的真实照片。电动汽车融入现代电网致谢主编要感谢所有参与了本书创作的人们，感谢 M.A.Pai 先生对本书工作的热情鼓励，感谢斯普林格出版社美国分部 Allison Michael 先生在此期间的帮助和不断的反馈。还有，各位参编者在完成本书的过程中，付出了艰苦的努力、辛勤的工作和大量的时间，在此对他们的付出表示特别的感谢！目录译者序前言致谢第 1 章 不同类型电动汽车技术发展现状1 1.1 简介1 1.2 电动汽车的结构5 1.3 电动汽车储能方案的技术发展状况7 1.4 结论10 参考文献11第 2 章 电动汽车电池技术13 2.1 引言13 2.2 电力推进的功率和能量15 2.3 电池性能和参数的基本术语17 2.4 电池充电方法和电动汽车充电方案19 2.4.1 充电方法19 2.4.2 电动汽车充电方案21 2.5 电池化学技术23 2.5.1 充电电池的基本原理24 2.5.2 美国先进蓄电池研究联合体的目标26 2.5.3 插电式混合动力汽车中镍氢电池和锂离子电池的性能比较27 2.5.4 电池在电动汽车上的应用现状28 2.5.5 电动汽车电池的发展趋势30 2.6 电池建模32 2.6.1 电池的等效电路模型32 2.6.2 电池电路模型未来发展的需要36 2.7 电池的实时运行特性与管理37 2.7.1 荷电状态的估计37 2.7.2 单体电池运行特性39 2.7.3 单体电池平衡42 2.8 电池聚合体44 2.8.1 虚拟电厂的实现和控制44 参考文献48第 3 章 电动汽车充电对系统需求的影响51 3.1 引言51 3.2 电动汽车需求的确定51 3.2.1 电动汽车渗透率53 3.2.2 电动汽车的分类53 3.2.3 每日行程55 3.2.4 电池消耗55 3.2.5 所需充电时间55 3.2.6 充电设施的可用性55 3.2.7 充电站技术56 3.2.8 充电损耗57 3.2.9 充电策略57 3.3 电动汽车对系统需求的影响58 3.3.1 德国58 3.3.2 英国66 3.3.3 葡萄牙67 3.3.4 西班牙72 3.3.5 希腊75 3.4 结论77 参考文献79第 4 章 电动汽车与电网融合的商业模式及控制与运营架构80 4.1 引言80 4.2 车辆充电功能81 4.3 电力基础设施有关的功能82 4.3.1 商业模型84 4.4 电动汽车与电网互动的要求86 4.4.1 车内数据监控86 4.4.2 电动汽车、电动汽车充电设施和虚拟电厂的功能87 4.4.3 电动汽车充电设施性