中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)至關(guān)重要[1-5]。新型電力系統(tǒng)中，電源構(gòu)成由傳統(tǒng)確定性的常規(guī)電源占主導(dǎo)，向隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性的新能源發(fā)電占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，負(fù)荷從“被動(dòng)型”向具有靈活能力的“主動(dòng)型”轉(zhuǎn)變，供需雙側(cè)均呈現(xiàn)高度不確定性。系統(tǒng)平衡方式也因此發(fā)生根本轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的源隨荷動(dòng)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)椴淮_定發(fā)電與不確定負(fù)荷雙向匹配，需要更強(qiáng)的系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。當(dāng)前，中國(guó)靈活調(diào)節(jié)電源裝機(jī)比重不足6%，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足問題逐漸凸顯[6-7]。
新型儲(chǔ)能，即鋰離子電池、液流電池、飛輪、壓縮空氣、氫/氨、儲(chǔ)熱/冷等除抽水蓄能外的新興儲(chǔ)能技術(shù)，具有多種優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)步，新型儲(chǔ)能正在逐步成為系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的重要支撐[8-15]。截至2023年底，已投運(yùn)新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)3139萬kW/6687萬kW·h，平均儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)2.1 h，相關(guān)投資已超千億元。系統(tǒng)平衡和安全需要新型儲(chǔ)能，但新型儲(chǔ)能相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施投資大，勢(shì)必將推高系統(tǒng)供電成本。過量配置，將造成重大資源浪費(fèi)。
因此，未來系統(tǒng)究竟需要多少新型儲(chǔ)能、什么形式的新型儲(chǔ)能是需要重點(diǎn)研究的課題。多數(shù)專家學(xué)者對(duì)新型儲(chǔ)能需求預(yù)期較高：到2030年為1.5億~3.2億kW，到2050年能夠達(dá)到10億kW以上。然而，抽蓄、電動(dòng)汽車發(fā)展等各種因素將影響新型儲(chǔ)能需求，尤其是電動(dòng)汽車車網(wǎng)互動(dòng)將產(chǎn)生重要影響。電動(dòng)汽車自帶儲(chǔ)能，?？繒r(shí)間長(zhǎng)，具備向電網(wǎng)反送電（vehicle to grid，V2G）的“移動(dòng)儲(chǔ)能”特性[16-23]。近5年，中國(guó)電動(dòng)汽車銷量年均增速已高達(dá)67%。截至2023年底，中國(guó)電動(dòng)汽車保有量已達(dá)到2041萬輛，占中國(guó)汽車比重達(dá)6.1%。2023年1—7月，中國(guó)電動(dòng)汽車充電量約441.4億kW·h，占全社會(huì)用電量的0.8%。如果未來電動(dòng)汽車持續(xù)快速發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的良性互動(dòng)，將大幅降低系統(tǒng)對(duì)新型儲(chǔ)能的配置需求。
基于這一考慮，本文從系統(tǒng)全局優(yōu)化角度，結(jié)合中國(guó)和分區(qū)域電力系統(tǒng)供需平衡，充分考慮源荷互動(dòng)，將自下而上的微觀技術(shù)路線和系統(tǒng)宏觀視角相結(jié)合，統(tǒng)籌量化研究電動(dòng)汽車未來發(fā)展規(guī)模及車網(wǎng)互動(dòng)對(duì)新型儲(chǔ)能配置的影響：1）基于系統(tǒng)視角，將電動(dòng)汽車調(diào)節(jié)與新型電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，得出具有實(shí)際應(yīng)用意義的電動(dòng)汽車靈活調(diào)節(jié)能力；2）充分考慮各種影響因素與隨機(jī)行為，建立科學(xué)合理的規(guī)模預(yù)測(cè)與全時(shí)域全景可觀性靈活調(diào)節(jié)模型；3）全面考慮調(diào)節(jié)功率、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、調(diào)節(jié)時(shí)段等重要參數(shù)，區(qū)分短期與長(zhǎng)期調(diào)節(jié)能力，合理準(zhǔn)確定位電動(dòng)汽車車網(wǎng)互動(dòng)對(duì)儲(chǔ)能的替代性。研究尺度覆蓋近中期到遠(yuǎn)期，涵蓋中國(guó)及其7大區(qū)域，對(duì)于科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)估未來系統(tǒng)新型儲(chǔ)能配置具有重要意義。
1 機(jī)理與影響因素
1.1 靈活性機(jī)理
電動(dòng)汽車?？繒r(shí)間長(zhǎng)且配置儲(chǔ)能電池，具有雙向調(diào)節(jié)和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)私人電動(dòng)汽車日均行駛時(shí)間僅為2.6 h，平均90%的時(shí)間處于非行駛狀態(tài)[24]。在保障自身出行需求的前提下，可以通過V2G形式，在系統(tǒng)負(fù)荷高峰期放電支撐電網(wǎng)供電，在低谷期充電補(bǔ)充出行和放電消耗的電量，通過“源-荷”角色的靈活變換與電網(wǎng)進(jìn)行友好互動(dòng)。車網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)施途徑，可以通過電網(wǎng)、負(fù)荷聚合商等直接發(fā)布調(diào)度指令，根據(jù)電動(dòng)汽車響應(yīng)情況給予相應(yīng)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，也可以通過峰谷電價(jià)等市場(chǎng)手段間接引導(dǎo)。
與電化學(xué)儲(chǔ)能類似，電動(dòng)汽車可雙向調(diào)節(jié)，響應(yīng)精度高，響應(yīng)速度最高可達(dá)毫秒級(jí)，持續(xù)時(shí)間跨越秒級(jí)到數(shù)小時(shí)，能夠適應(yīng)系統(tǒng)從短期到長(zhǎng)期的多時(shí)間尺度調(diào)節(jié)需求。短時(shí)上，主要發(fā)揮調(diào)頻作用，響應(yīng)速度達(dá)到秒級(jí)到分鐘級(jí)，持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分鐘；長(zhǎng)時(shí)上，主要發(fā)揮削峰填谷、日內(nèi)調(diào)峰作用，提供日內(nèi)小時(shí)級(jí)、跨日的調(diào)節(jié)能力，持續(xù)作用時(shí)間達(dá)數(shù)小時(shí)。
電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)屬性是交通工具，滿足其用能需求是基本前提，因此，電動(dòng)汽車可視作具有一定約束條件的電化學(xué)儲(chǔ)能，在控制策略上需要考慮其負(fù)荷特性的特殊性和復(fù)雜性。除充放電功率、電量等約束外，電動(dòng)汽車在網(wǎng)時(shí)間往往無法同時(shí)覆蓋電網(wǎng)負(fù)荷高峰期和低谷期，導(dǎo)致電動(dòng)汽車在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期放電后，可能在次高峰期而非低谷期集中充電，引發(fā)新的電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，需要從系統(tǒng)視角統(tǒng)籌考慮電動(dòng)汽車集群調(diào)度控制目標(biāo)。
1.2 影響因素分析
1.2.1 發(fā)展規(guī)模影響因素
電動(dòng)汽車的發(fā)展規(guī)模主要受以下因素影響：1）出行用能需求與用能習(xí)慣，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口規(guī)模等宏觀因素影響；2）電動(dòng)汽車的續(xù)航里程、充電時(shí)間、使用壽命、安全性等關(guān)鍵技術(shù)成熟度與經(jīng)濟(jì)性；3）充電樁數(shù)量、布局、充電便利程度等充換電基礎(chǔ)設(shè)施完善程度；4）政府規(guī)劃目標(biāo)、環(huán)境約束、優(yōu)惠政策等政策機(jī)制。
發(fā)達(dá)國(guó)家汽車保有量的歷史數(shù)據(jù)表明，汽車保有量與人均GDP關(guān)系呈現(xiàn)“緩-急-緩”的貢珀茨曲線形狀[25]：人均GDP較低階段，汽車保有量緩慢增長(zhǎng)，在人均GDP達(dá)到10000美元~25000美元時(shí)，汽車規(guī)模高速增長(zhǎng)，隨著人均GDP進(jìn)一步提升，汽車保有量增速放緩趨于飽和?；诖税l(fā)展規(guī)律，結(jié)合未來中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)，可研判中國(guó)汽車需求總量。為滿足這一固定用能需求，存在傳統(tǒng)燃油汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等多種技術(shù)路線，各種技術(shù)互相競(jìng)爭(zhēng)，其市場(chǎng)份額取決于技術(shù)成熟度與經(jīng)濟(jì)性。一般而言，某項(xiàng)技術(shù)越成熟、成本越低，其市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)越快、占領(lǐng)市場(chǎng)份額越高。電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程、充電時(shí)間、使用壽命、安全性等關(guān)鍵技術(shù)成熟度，直接影響用戶出行體驗(yàn)和用能效果，是決定電動(dòng)汽車規(guī)模化發(fā)展的首要因素。隨著電動(dòng)汽車技術(shù)逐漸成熟，其成本將隨規(guī)模效應(yīng)、技術(shù)研發(fā)投入等因素快速下降，當(dāng)下降速度高于傳統(tǒng)燃油汽車時(shí)，電車與油車的價(jià)格差距加速縮小，經(jīng)濟(jì)性成為決定電動(dòng)汽車在何時(shí)以多大規(guī)模替代燃油汽車的關(guān)鍵因素。
除電動(dòng)汽車自身技術(shù)成熟度外，充電樁的數(shù)量、布局、充電便利度等基礎(chǔ)設(shè)施完善程度，也是影響用戶用能效果的重要因素。文獻(xiàn)[26-28]研究證實(shí)了電動(dòng)汽車規(guī)模與充電樁數(shù)量的正相關(guān)性。文獻(xiàn)[29]通過量化研究，發(fā)現(xiàn)提高大功率快充樁比例、提升社區(qū)和單位充電樁安裝率，到2025年能夠?qū)⒅袊?guó)新能源汽車銷量滲透率由16%提升至24%。
政府規(guī)劃目標(biāo)、環(huán)境約束、優(yōu)惠政策等政策機(jī)制也對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到明顯影響作用。根據(jù)建立的政策成效量化分析模型，在電動(dòng)汽車發(fā)展前期，補(bǔ)貼及稅收減免激勵(lì)政策對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)作用最為明顯，政策強(qiáng)度每增加1%，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)度增加1.38%。在由政策驅(qū)動(dòng)向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)型階段，基礎(chǔ)設(shè)施投資與技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新的鼓勵(lì)政策起到主要驅(qū)動(dòng)作用。
1.2.2 調(diào)節(jié)能力影響因素
電動(dòng)汽車車網(wǎng)互動(dòng)提供的靈活調(diào)節(jié)能力大小主要受3方面因素影響：1）參與車網(wǎng)互動(dòng)的電動(dòng)汽車數(shù)量；2）電動(dòng)汽車的行為特性與物理參數(shù)，包括電動(dòng)汽車行駛里程、并網(wǎng)時(shí)間等；3）電動(dòng)汽車的物理參數(shù)，包括電池容量、電池充放電程度、充放電功率等。
電動(dòng)汽車參與V2G的數(shù)量，取決于用戶意愿度、參與調(diào)節(jié)的收益和參與的便利度及由此帶來的電池?fù)p耗成本息息相關(guān)。電動(dòng)汽車的行為特性隨機(jī)性與不確定性較強(qiáng)，是影響其負(fù)荷特性的主要因素，由電動(dòng)汽車日行駛里程、充電頻次、接入電網(wǎng)時(shí)間與在網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)、初始荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）、參與V2G調(diào)節(jié)后的最小離網(wǎng)SOC、參與調(diào)節(jié)意愿度等關(guān)鍵物理量表征。其中，日行駛里程和充電頻次，決定電動(dòng)汽車充電需求總量和接入電網(wǎng)時(shí)的電池SOC狀態(tài)。日行駛里程越高、充電頻次越低，則充電前的耗電量越高，意味著初始SOC越小、所需充電電量越高。最小離網(wǎng)SOC、最大放電深度和參與調(diào)節(jié)意愿度直接影響V2G可調(diào)節(jié)資源量，其中前2個(gè)指標(biāo)分別決定了電動(dòng)汽車在接入電網(wǎng)后累計(jì)和單次放電時(shí)間。最小離網(wǎng)SOC越低，電動(dòng)汽車所需的凈充電電量越少，在接網(wǎng)時(shí)段內(nèi)累計(jì)放電時(shí)間就越長(zhǎng)。最大放電深度越高，則電動(dòng)汽車單次持續(xù)放電時(shí)間越長(zhǎng)。
在優(yōu)惠政策、經(jīng)濟(jì)激勵(lì)、峰谷電價(jià)等政策機(jī)制的影響下，電動(dòng)汽車根據(jù)電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求，統(tǒng)籌并量化各類潛在復(fù)雜影響因素決策其充放電行為，系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)汽車集群參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)前后的全局負(fù)荷特性，形成新的凈負(fù)荷曲線與調(diào)節(jié)需求，交互迭代，形成閉環(huán)模擬。
2 車網(wǎng)互動(dòng)模型
車網(wǎng)互動(dòng)模型由源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化規(guī)劃（GTEP）子模型與考慮V2G調(diào)節(jié)慣性的電動(dòng)汽車負(fù)荷子模型2部分所構(gòu)成，研究框架如圖1所示。2個(gè)子模型數(shù)據(jù)交互與迭代，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化協(xié)同模擬仿真，如圖2所示。
圖1 電動(dòng)汽車車網(wǎng)互動(dòng)靈活性潛力研究框架
Fig.1 Research framework for the potential of flexibility of electric vehicle
圖2 GTEP子模型與電動(dòng)汽車負(fù)荷子模型的交互迭代
Fig.2 Interactive iteration of GTEP sub–model and electric vehicle load sub–model
GTEP模型以確保用電可靠性為前提、以綜合度電成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行電力電量平衡分析計(jì)算，模型框架如圖3所示。模型以電源裝機(jī)、電網(wǎng)容量、發(fā)輸電成本效率數(shù)據(jù)和可再生能源能源資源稟賦與政策目標(biāo)為輸入，統(tǒng)籌電力供需平衡、機(jī)組運(yùn)行、電力傳輸、機(jī)組建設(shè)等約束條件，以綜合度電成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)，采用大規(guī)模混合整數(shù)規(guī)劃算法（CPLEX）優(yōu)化求解并輸出目標(biāo)水平年的電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)及8760 h的發(fā)電結(jié)構(gòu)、潮流變化、燃料消耗及碳排放量等參數(shù)。
圖3 GTEP子模型框架
Fig.3 GTEP sub–model
考慮V2G調(diào)節(jié)慣性的電動(dòng)汽車負(fù)荷子模型影響因素包括用戶行為特性、技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施水平、電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求。用戶行為特性是影響負(fù)荷特性的首要因素，涉及電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí)間、在網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)、日行駛里程、充電頻次以及參與V2G調(diào)節(jié)后的最小離網(wǎng)SOC、最大放電深度、參與調(diào)節(jié)意愿度等。技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施水平主要由電池容量、單位里程電耗量、充電樁額定功率表征。電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求由GTEP模型結(jié)合凈負(fù)荷與儲(chǔ)能出力數(shù)據(jù)生成，電動(dòng)汽車根據(jù)電網(wǎng)需求，統(tǒng)籌并量化各類潛在復(fù)雜影響因素，生成電動(dòng)汽車參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)前后的8760 h全局負(fù)荷特性，并同步更新GTEP子模型負(fù)荷側(cè)數(shù)據(jù)與電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)模擬。
從架構(gòu)上看，模型由隨機(jī)行為分析模型與V2G靈活性調(diào)節(jié)模型構(gòu)成。
1）隨機(jī)行為分析模型。模型采用蒙特卡洛算法構(gòu)建電動(dòng)汽車隨機(jī)行為分析模型，還原用戶不確定行為隨機(jī)特征。模型通過對(duì)用戶行為習(xí)慣的觀察或抽樣試驗(yàn)以及動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研判，計(jì)算電動(dòng)汽車日接入電網(wǎng)時(shí)間、日在網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)、日行駛里程、電池容量等參數(shù)的概率分布，并從概率分布中重復(fù)生成隨機(jī)參數(shù)。其中，電動(dòng)汽車在網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)、電池容量與日行駛里程服從高斯分布，即
式中：f(ξ)為高斯分布ξ的概率密度函數(shù)；μ和σ分別為高斯分布的期望和標(biāo)準(zhǔn)差。電動(dòng)汽車首次接入電網(wǎng)初始剩余電量與動(dòng)力電池容量、日行駛里程數(shù)呈線性關(guān)系，因此也服從式（1）中高斯分布。電動(dòng)汽車每日接入電網(wǎng)時(shí)間服從加權(quán)高斯混合分布，即
式中：K為高斯分布組件數(shù)量（這里取K=3）；ki為第i個(gè)高斯分布的權(quán)重；μi和σi分別為第i個(gè)高斯分布的期望和標(biāo)準(zhǔn)差。
2）V2G靈活性調(diào)節(jié)模型。傳統(tǒng)V2G仿真模型以當(dāng)下電力系統(tǒng)需求為調(diào)節(jié)目標(biāo)，用戶出行需求為主要約束進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在高峰期時(shí)段放電，在負(fù)荷低谷期時(shí)段充電。但實(shí)際場(chǎng)景中，電動(dòng)汽車在網(wǎng)時(shí)間難以完全覆蓋電網(wǎng)高峰期和低谷期，電動(dòng)汽車高峰期放電后，出行需求約束有一定概率導(dǎo)致車輛集群在后續(xù)次高峰期集中充電，引起新的高峰負(fù)荷，使調(diào)節(jié)結(jié)果背離系統(tǒng)所需。因此，本文新增V2G調(diào)節(jié)慣性約束，使V2G計(jì)及對(duì)電力系統(tǒng)的后續(xù)影響，約束條件為
式中：n為汽車序號(hào)；t為時(shí)間；Ton為電動(dòng)汽車在網(wǎng)時(shí)間；Pevb(n,t)為不參與調(diào)節(jié)時(shí)電動(dòng)汽車充電功率；Pev(n,t)為參與V2G后電動(dòng)汽車充電功率（充電為正，放電為負(fù)）；Llim+(t)為區(qū)域內(nèi)凈負(fù)荷最高限值；L(t)為區(qū)域內(nèi)凈負(fù)荷值。不符合慣性約束的電動(dòng)汽車停止V2G放電調(diào)節(jié)，僅優(yōu)化自身充電行為?？紤]V2G調(diào)節(jié)慣性約束的調(diào)節(jié)策略如圖4所示。
圖4 考慮V2G調(diào)節(jié)慣性約束的調(diào)節(jié)策略
Fig.4 The V2G adjusting strategy with adjusting inertia constraint considered
基于該方法，V2G仿真模擬可充分平衡用戶側(cè)與系統(tǒng)側(cè)需求，高度還原電動(dòng)汽車參與V2G調(diào)節(jié)后8760 h負(fù)荷的真實(shí)特性，使V2G調(diào)節(jié)過程具備全對(duì)象、全要素、全時(shí)域的可觀測(cè)性。
3 對(duì)新型儲(chǔ)能配置的影響
3.1 電動(dòng)汽車發(fā)展規(guī)模
研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2030年中國(guó)電動(dòng)汽車保有量為0.8億~1億輛。基于技術(shù)專利分析法、萊特學(xué)習(xí)曲線等數(shù)學(xué)算法，建立中國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展預(yù)測(cè)模型，如圖5所示。
圖5 電動(dòng)汽車發(fā)展預(yù)測(cè)模型
Fig.5 Electric vehicle development potential evaluation algorithm
根據(jù)技術(shù)成熟度與經(jīng)濟(jì)性分析，當(dāng)前電動(dòng)汽車在技術(shù)成長(zhǎng)期，即將邁入技術(shù)成熟期，成熟度指標(biāo)達(dá)到0.8（指標(biāo)范圍為0~1），隨后進(jìn)步速度放緩，到2035年左右完全成熟。電動(dòng)汽車技術(shù)學(xué)習(xí)率為17.3%，而典型燃油汽車學(xué)習(xí)率為4%，電動(dòng)汽車成本下降速度快于傳統(tǒng)燃油汽車，在許多應(yīng)用場(chǎng)景中，電動(dòng)車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與燃油車相同水平的整體運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)（total operating economy，TOE）平價(jià)。
因動(dòng)力電池等核心技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展等存在不確定性，預(yù)計(jì)到2030年，電動(dòng)汽車保有量達(dá)到0.8億~1.1億輛，占全國(guó)汽車總量的25%左右，如圖6所示。年用電量達(dá)到0.4萬億~0.5萬億kW·h，占全社會(huì)用電量比重達(dá)3%左右。到2050年，電動(dòng)汽車成為主要交通方式，保有量達(dá)到3億~3.3億輛，占全國(guó)汽車比重達(dá)到70%左右。屆時(shí)，電動(dòng)汽車用電量將達(dá)到1.2萬億~1.3萬億kW·h，占全社會(huì)用電量比重增至7%左右。
圖6 電動(dòng)汽車規(guī)模預(yù)測(cè)
Fig.6 Forecasting of vehicle population
分區(qū)域來看，東中部地區(qū)人口集中、設(shè)施便利，電動(dòng)汽車發(fā)展進(jìn)程顯著快于西部、北部地區(qū)。預(yù)計(jì)到2030年、2050年，東中部地區(qū)電動(dòng)汽車負(fù)荷占全國(guó)的比重分別為68%、64%。
3.2 車網(wǎng)互動(dòng)靈活性分析
在電動(dòng)汽車車網(wǎng)互動(dòng)的2種模式中，有序充電模式是強(qiáng)制性的，而提供V2G服務(wù)則取決于用戶意愿。V2G意愿度與用戶出行需求、車輛運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度等用能需求，V2G對(duì)車輛使用壽命造成的損失，充放電便利程度，和參與V2G調(diào)節(jié)的收益息息相關(guān)。
3.2.1 V2G意愿度分析
當(dāng)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池全生命周期的循環(huán)壽命，大于其出行需求的循環(huán)次數(shù)時(shí)，理論上具備V2G能力。當(dāng)出行需求的循環(huán)次數(shù)小于其循環(huán)壽命的一半時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性角度而言，即認(rèn)為車主有意愿提供V2G服務(wù)。預(yù)計(jì)到2030年，鋰電池循環(huán)壽命能夠達(dá)到3000次以上，到2050年能夠到達(dá)4500次以上。如果過渡到固態(tài)體系，循環(huán)壽命將高達(dá)上萬次，屆時(shí)電動(dòng)汽車參與V2G意愿度將進(jìn)一步提升。
對(duì)不同車型全生命周期出行進(jìn)行用能需求分析，如表1所示。私家車是未來提供V2G的主要對(duì)象，私家車年均行駛里程不高于2萬km，全生命周期出行需求最高占用1400次循環(huán)壽命，分別約占2030年、2050年電池總循環(huán)壽命的47%、32%，具備V2G經(jīng)濟(jì)性。出租車、公交車等運(yùn)營(yíng)車輛不具備V2G經(jīng)濟(jì)性，全生命周期所需循環(huán)次數(shù)分別為6800次、5867次，已超過最高循環(huán)壽命，無提供V2G能力。
表1 電動(dòng)汽車分車型用能需求分析
Table 1 Energy demand analysis by vehicle type
長(zhǎng)途客運(yùn)、貨車在行駛需求較低時(shí)具備V2G經(jīng)濟(jì)性。長(zhǎng)途客運(yùn)全生命周期出行需求占用667~3556次循環(huán)壽命，根據(jù)2030年和2050年電池總循環(huán)壽命，可以得出到2030年、2050年長(zhǎng)途客運(yùn)車的年行駛里程分別低于2萬、3萬km時(shí)，才有意愿提供V2G。貨車正常行駛里程不高于4萬km，全生命周期出行需求最高占用1200次循環(huán)壽命，占總循環(huán)壽命的不超過40%。研究判斷貨車未來換電模式和氫能2種技術(shù)路線并行，本文暫不討論該模式。
根據(jù)對(duì)私家車參與V2G意愿度的問卷調(diào)查顯示，車主重點(diǎn)關(guān)注是否影響電池使用壽命（92%）、影響后續(xù)出行（73%）和基礎(chǔ)設(shè)施完善程度（65%）3大影響因素，V2G意愿度分析結(jié)果如圖7所示。到2030年、2050年，結(jié)合V2G經(jīng)濟(jì)性與基礎(chǔ)設(shè)施完善程度等多重因素綜合考慮，保守估計(jì)全國(guó)有30%、60%左右的私家車愿意參與車網(wǎng)互動(dòng)，分別達(dá)到0.27億、1.68億輛。
圖7 V2G意愿度分析
Fig.7 V2G willingness analysis
3.2.2 車網(wǎng)互動(dòng)靈活性潛力
2050年1月典型日電動(dòng)汽車調(diào)節(jié)前后的負(fù)荷特性如圖8所示。初始的系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線呈雙峰特性，分別在早08:00—11:00與晚18:00—23:00時(shí)段出現(xiàn)高峰，在光伏大發(fā)的午間14:00時(shí)左右進(jìn)入低谷，電動(dòng)汽車的初始負(fù)荷曲線，與系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線的峰谷時(shí)段基本重疊。車網(wǎng)互動(dòng)后，電動(dòng)汽車充放電時(shí)段轉(zhuǎn)移。充電時(shí)刻集中轉(zhuǎn)移至14:00和凌晨時(shí)段的凈負(fù)荷低谷期，放電時(shí)刻集中轉(zhuǎn)移至凈負(fù)荷的雙高峰期早09:00與晚20:00。系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線峰谷差顯著縮小，削峰填谷和主動(dòng)頂峰效果顯著。
圖8 2050年1月典型日電動(dòng)汽車負(fù)荷曲線和系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線
Fig.8 Electric vehicles load characteristics and net load characteristics in January Typical day in 2050
根據(jù)1.2.2節(jié)的分析，車網(wǎng)互動(dòng)調(diào)節(jié)能力的不確定性主要受用戶參與意愿度、單次平均在網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)、電池最大放電深度、日平均接網(wǎng)頻次、慢充樁功率等因素影響。根據(jù)單次平均在網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)9 h、最大放電深度40%、日均接網(wǎng)次數(shù)0.27次，慢充功率7 kW計(jì)算，到2030年，通過車網(wǎng)互動(dòng)削峰、填谷分別達(dá)205萬、624萬kW左右。系統(tǒng)凈負(fù)荷峰值由初始的14.2億kW下降至14.18億kW，谷值由初始的–10.54億kW提高至–10.5億kW，峰谷差縮小了624萬kW，較調(diào)節(jié)前降低0.2個(gè)百分點(diǎn)。通過V2G模式提供的頂峰能力達(dá)到704萬kW左右。電動(dòng)汽車在負(fù)荷高峰期的等效發(fā)電量達(dá)到90億kW·h左右，最大充電負(fù)荷由初始的0.69億kW提升至0.74億kW，最小充電負(fù)荷由初始的0.18億kW降至0.15億kW。
到2050年，車網(wǎng)互動(dòng)對(duì)系統(tǒng)削峰填谷效果更加明顯，通過V2G模式為系統(tǒng)提供頂峰能力，如圖8和圖9所示。根據(jù)表2所示的車網(wǎng)互動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，削峰填谷分別達(dá)0.2億~2.8億、1.1億~2.5億kW。系統(tǒng)凈負(fù)荷峰值由19.5億kW降至16.7億~19.3億kW，谷值由初始的–19.4億kW提升至–18.3億~–17.6億kW，峰谷差縮小1.2億~5.2億kW，相比調(diào)節(jié)前縮小近12個(gè)百分點(diǎn)?？紤]意愿度、同時(shí)率等因素，通過V2G模式提供的頂峰能力達(dá)到1.1億kW。電動(dòng)汽車在負(fù)荷高峰期的等效發(fā)電量達(dá)到3787億kW·h左右，最大充電負(fù)荷由初始的5.5億kW提升至6.5億kW，在凈負(fù)荷高峰期開啟放電模式，最大放電功率出現(xiàn)于11月15日06:00，最高可達(dá)0.93億kW。
圖9 2050年典型周電動(dòng)汽車負(fù)荷曲線和系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線
Fig.9 Electric vehicles load characteristics and net load characteristics in typical week in 2050
表2 2050年車網(wǎng)互動(dòng)參數(shù)設(shè)置
Table 2 Electric Vehicle network interactive scene settings
車網(wǎng)互動(dòng)調(diào)節(jié)效果對(duì)充電功率這一參數(shù)的敏感度較高。當(dāng)充電功率由 7 kW提高至15 kW，車網(wǎng)互動(dòng)對(duì)系統(tǒng)削峰填谷的效果提升顯著，隨著充電功率進(jìn)一步提高，調(diào)節(jié)效果存在邊際遞減效應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)影響的差別不大，如圖10所示。到2050年，當(dāng)充電功率由5 kW提升至10 kW，系統(tǒng)凈負(fù)荷峰谷差削減量提高1.3億kW；而當(dāng)充電功率由10 kW提升至15 kW，峰谷差削減量?jī)H提高0.55億kW；當(dāng)充電功率提高至20 kW·h，峰谷差削減量進(jìn)入飽和狀態(tài)；當(dāng)充電功率由35 kW提升至40 kW·h，峰谷差削減量?jī)H提高477萬kW。
圖10 充電功率對(duì)車網(wǎng)互動(dòng)削峰填谷效果的敏感性分析
Fig.10 Sensitivity analysis of charging power to interactive peak clipping and valley filling effect of vehicle network
分區(qū)域來看，按照充電樁功率20 kW計(jì)算，到2030年，華東、華北、西北、東北地區(qū)車網(wǎng)互動(dòng)效益明顯，其中華東減少0.9億kW，而西南、華南、華中由于水電、氣電等調(diào)節(jié)電源布局較多，電動(dòng)汽車參與調(diào)節(jié)的需求不迫切。到2050年，華南、華東地區(qū)分別削峰、填谷效果最為明顯，分別達(dá)到0.8億、1.3億kW左右，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 車網(wǎng)互動(dòng)削峰填谷各區(qū)域效果
Table 3 V2G Peak shaving and valley filling effects in various regions
3.3 對(duì)新型儲(chǔ)能裝機(jī)與投資的影響
以文獻(xiàn)[4]的新型儲(chǔ)能配置需求預(yù)測(cè)為初始邊界條件，到2030年、2050年，全國(guó)初始的儲(chǔ)能裝機(jī)需求總量分別達(dá)到2.6億、9.5億kW，其中新型儲(chǔ)能裝機(jī)需求分別達(dá)到0.9億、6.5億kW。車網(wǎng)互動(dòng)后，在系統(tǒng)提供靈活性方面，電動(dòng)汽車對(duì)短周期電化學(xué)儲(chǔ)能的替代作用顯著，新型儲(chǔ)能需求總量下降明顯。需要說明，新型儲(chǔ)能的其他多樣性功能不在本文討論范圍內(nèi)。
按照2030年充電功率7 kW、2050年充電功率20 kW計(jì)算，到2030年，車網(wǎng)互動(dòng)替代新型儲(chǔ)能裝機(jī)2161萬kW左右，替代比例達(dá)到9%，全部為短時(shí)儲(chǔ)能，新型儲(chǔ)能需求經(jīng)車網(wǎng)互動(dòng)后下降至0.7億kW。電動(dòng)汽車全年最大充、放電功率分別達(dá)到7371萬、1525萬kW，相當(dāng)于范圍為[–7371，–1525]萬kW的鋰電池。到2050年，車網(wǎng)互動(dòng)替代新型儲(chǔ)能裝機(jī)0.4億~2.8億kW，替代比例達(dá)到19%左右。6 h短時(shí)儲(chǔ)能和720 h長(zhǎng)時(shí)的儲(chǔ)能需求分別下降了1.8億、1500萬kW左右，新型儲(chǔ)能需求下降至4.6億kW左右。
分區(qū)域來看，車網(wǎng)互動(dòng)對(duì)東北、華北、西北、華東地區(qū)的儲(chǔ)能替代作用顯著。華南、華中地區(qū)的儲(chǔ)能裝機(jī)需求以季節(jié)性長(zhǎng)期儲(chǔ)能為主，日調(diào)節(jié)主要依賴跨區(qū)調(diào)節(jié)與靈活性調(diào)節(jié)電源，而車網(wǎng)互動(dòng)主要在日調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，因此車網(wǎng)互動(dòng)減少了該地區(qū)對(duì)跨區(qū)調(diào)節(jié)與靈活性調(diào)節(jié)電源的需求，但是對(duì)新型儲(chǔ)能裝機(jī)的影響并不顯著。西南地區(qū)以水電裝機(jī)為主，靈活性調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，對(duì)儲(chǔ)能及負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)需求較低，車網(wǎng)互動(dòng)未明顯影響儲(chǔ)能裝機(jī)。到2050年，車網(wǎng)互動(dòng)對(duì)東北、華北、西北、華東地區(qū)的儲(chǔ)能裝機(jī)替代比例分別達(dá)到19%、11%、16%、44%。
車網(wǎng)互動(dòng)顯著降低新型電力系統(tǒng)投資成本和運(yùn)行成本，為參與用戶提供收益。電動(dòng)汽車參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，到2030年節(jié)省儲(chǔ)能投資1300億元。以單向充電樁雙向改造成本1000元/樁，車樁比1∶1計(jì)算，充電基礎(chǔ)設(shè)施雙向充放電改造及新建增加的投資約720億元，電力系統(tǒng)總成本下降580億元。按照電化學(xué)儲(chǔ)能壽命10年、貼現(xiàn)率為8%、運(yùn)維成本系數(shù)0.5%、充放電效率95%計(jì)算，折算年費(fèi)用減少120億元，平均每位參與調(diào)節(jié)的車主年收益約500元。到2050年，節(jié)省儲(chǔ)能投資1.1萬億元，儲(chǔ)能投資成本由調(diào)節(jié)前的5.1萬億元降低至4萬億元，折算到每年的費(fèi)用將減少1877億元，平均每位參與調(diào)節(jié)的車主年收益約1117元，與車輛年充電成本基本持平。
4 結(jié)論與建議
電動(dòng)汽車車網(wǎng)互動(dòng)是未來新型電力系統(tǒng)靈活性的重要資源，到2030年、2050年，中國(guó)電動(dòng)汽車規(guī)模將分別達(dá)到0.8億~1.1億輛、3億~3.3億輛，約占全社會(huì)用電量比重的3%、7%。經(jīng)車網(wǎng)互動(dòng)，系統(tǒng)最大負(fù)荷可分別削減0.02億、2.2億kW，最小負(fù)荷分別提升0.06億、2.2億kW，系統(tǒng)凈負(fù)荷峰谷差分別能夠縮小0.06億、4.5億kW?？紤]意愿度、同時(shí)率等因素，通過V2G模式向系統(tǒng)提供主動(dòng)頂峰能力可約達(dá)0.07億、1.1億kW。
車網(wǎng)互動(dòng)對(duì)短周期電化學(xué)儲(chǔ)能的替代作用顯著，能夠大幅節(jié)省新型儲(chǔ)能投資。到2030年、2050年，車網(wǎng)互動(dòng)分別相當(dāng)于0.2億、1.9億kW新型儲(chǔ)能的靈活性，系統(tǒng)新型儲(chǔ)能需求分別下降至0.7億、4.6億kW，節(jié)省0.1萬、1.1萬億元投資。東北、華北、西北、華東地區(qū)的儲(chǔ)能替代作用顯著，可通過車網(wǎng)互動(dòng)解決儲(chǔ)能型日調(diào)節(jié)需求；華南、華中、西南等調(diào)節(jié)電源布局較多，車網(wǎng)互動(dòng)參與調(diào)節(jié)的需求不迫切。
影響電動(dòng)汽車調(diào)節(jié)效果的最主要因素是行業(yè)政策、市場(chǎng)機(jī)制和商業(yè)模式。未來通過不斷完善市場(chǎng)機(jī)制、基礎(chǔ)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)體系，創(chuàng)新虛擬電廠等商業(yè)模式，靈活整合電動(dòng)汽車分散性資源，充分實(shí)現(xiàn)“源荷互動(dòng)”，釋放車網(wǎng)互動(dòng)靈活性潛力。
