王明单
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：随着我国“3060”双碳目标的确立，新能源汽车与可再生能源协同优化策略研究已成为一种趋势。本文概述了电动汽车、新能源接入对电网的影响，从提升新能源消纳水平采取的主要方式以及对于电动汽车的考虑形式和约束条件两方面综述了考虑新能源消纳的电动汽车有序充电策略研究现状，并对相关方向未来的发展进行展望，旨在为推动新能源汽车与可再生能源的高效协同发展提供参考依据。
关键词：电动汽车；有序充电；新能源消纳
一、引言
自《巴黎协定》以来，世界多国相继提出了碳中和发展目标。2020年9月，我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，加快能源结构优化、加速能源绿色低碳转型势在必行。
根据《“十四五”现代能源体系规划》，自2012年至2021年，我国一次能源生产结构中化石能源占比从88.8%下降到79.7%，清洁能源消费占能源消费总量的比重由14.5%上升到25.5%。总体来看，化石能源占比仍然较高，且短时间内化石能源主体地位难以改变。为了实现我国“3060”碳达峰碳中和的发展目标，国务院在《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中提出要加快构建清洁低碳安全高效能源体系。因此，提升可再生能源占比、促进可再生能源高水平消纳，成为“十四五”期间我国可再生能源发展的关键。同时，发展新能源汽车产业也是我国应对气候变化、推动绿色发展的战略举措之一。促进新能源汽车与可再生能源高效协同，鼓励“绿电绿用”，能够提升可再生能源应用比例，降低新能源汽车用电成本，提高电网调峰调频响应能力。
展开剩余91%在此背景下，深入研究考虑新能源消纳的电动汽车有序充电策略显得尤为重要，本文将围绕该主题展开详细探讨，并对相关领域的发展进行展望。
二、电动汽车、新能源接入对电网的影响
2.1电动汽车对电网的影响
2.1.1负荷特性改变与峰谷差加剧
近年来，电动汽车保有量呈爆发式增长，其充电行为使得电网的负荷特性发生了显著变化。电动汽车的充电时间分布具有一定的集中性特点，很多用户习惯在下班后或夜间进行充电，这导致电网原本的负荷峰谷分布出现了明显改变。例如，在城市居民用电场景中，通常傍晚时分至夜间是居民生活用电的高峰时段，而大量电动汽车在此时集中充电，进一步加剧了电网的负荷峰谷差。
2.1.2电能质量面临挑战
电动汽车充电设备属于非线性负载，在充电过程中会产生谐波电流注入电网，进而引发一系列电能质量问题。一方面，谐波电流容易造成电网电压畸变，使得电网电压波形偏离正弦波，影响其他电气设备的正常运行。例如，一些对电压质量要求较高的精密仪器设备，在电网电压畸变的情况下，可能出现测量误差增大、运行故障甚至损坏等情况。另一方面，大量电动汽车分散且随机的充电行为还可能导致电网的三相不平衡问题，三相电压或电流的幅值、相位出现偏差，降低电网的供电效率，增加线路损耗，严重时可能影响整个供电区域内电气设备的安全稳定运行。在部分老旧小区，由于电网基础设施相对薄弱，当多辆电动汽车同时充电时，电能质量问题尤为突出，居民家中的电器设备时常会出现闪屏、异常发热等现象，给居民的正常生活用电带来诸多不便。
2.1.3配电网容量与线路压力增大
电动汽车充电时需要从电网获取电能，众多电动汽车同时充电会使局部配电网的供电容量面临巨大压力。特别是在一些充电桩集中分布的区域，如大型商业中心停车场、住宅小区等，如果配电网的规划和建设未充分考虑电动汽车充电需求，可能出现变压器过载、线路载流量超标等情况。例如，某老旧住宅小区原本的变压器容量是按照居民生活用电需求设计的，随着越来越多的居民购置电动汽车并在小区内充电，当同时充电的车辆数量超过一定限度时，变压器长时间处于高负荷运行状态，不仅加速了设备的老化，还可能因过载引发跳闸事故，影响整个小区的正常供电。而且，大量的充电电流在线路中传输，会使线路发热加剧，增大线路损耗，对线路的安全运行构成威胁，从长远来看，可能需要对配电网进行升级改造以满足日益增长的电动汽车充电需求。
2.2新能源接入对电网的影响
2.2.1功率平衡与调度难度提升
新能源发电（如风电、光伏发电等）具有间歇性、波动性以及随机性的显著特点。以风力发电为例，风电场的输出功率与风速的立方成正比关系，风速的自然变化导致风电功率输出极不稳定，短时间内可能出现大幅度波动，时而满发，时而功率趋近于零。同样，光伏发电的功率输出取决于光照强度和日照时长，天气状况（晴天、阴天、多云等）以及季节变化都会使其发电功率产生剧烈变化。大规模的新能源接入电网后，电网需要实时维持功率平衡变得愈发困难，传统的基于稳定电源的调度方式难以适应新能源的这种特性。例如，在一个以风电为主的地区电网中，当出现强风天气时，风电大发，若不能及时消纳或合理调节，可能导致电网频率升高超出安全范围；而在风速较低的时段，风电功率锐减，又需要其他电源快速补充功率缺额，这对电网的调度灵活性和快速响应能力是极大的考验，增加了电网运行控制的复杂性和难度。
2.2.2电能质量波动问题
新能源发电的波动性同样会引发电网的电能质量问题。由于新能源发电功率的频繁变化，可能导致电网电压出现波动，在一些新能源接入比例较高的地区，电压波动幅度有时会超出正常允许范围，影响到电网中各类用电设备的正常运行。而且，部分新能源发电设备在转换电能过程中也可能产生谐波，与电动汽车充电谐波叠加后，进一步恶化电网的电能质量环境，使得电网的电压暂降、闪变等现象时有发生，增加了对电能质量治理的难度，对敏感负荷（如电子制造企业的生产设备、医院的精密医疗仪器等）的正常运行带来潜在风险。
2.2.3对电网稳定性的潜在威胁
新能源的分散式接入以及大规模并网，改变了电网的潮流分布和网络结构，给电网的稳定性带来了诸多潜在威胁。一方面，新能源发电的随机性使得电网的运行状态难以精确预测，电网在应对故障或扰动时的恢复能力受到挑战。例如，当电网发生局部故障后，新能源发电单元由于缺乏有效的惯性支撑，可能无法像传统火电、水电那样提供稳定的有功功率和无功功率，延缓电网的恢复过程，甚至可能引发连锁故障，扩大停电范围。另一方面，新能源接入点的增多，使得电网的短路电流水平、系统阻尼特性等关键参数发生变化，需要重新评估和优化电网的保护配置、安全稳定控制策略等，以保障电网在各种工况下的安全稳定运行，否则可能因保护误动或拒动等情况，影响电网的可靠供电。
三、考虑新能源消纳的电动汽车有序充电策略研究现状
3.1提升新能源消纳水平采取的主要方式
3.1.1储能技术应用
通过配置储能系统，如锂电池储能、液流电池储能等，在可再生能源发电过剩时储存电能，在发电不足或用电高峰时段释放电能，起到平滑功率波动、削峰填谷的作用，有效提高新能源的消纳能力。例如，在一些大型的风电场附近建设配套的储能电站，当风速较大风电大发时，储能系统充电；而在风速较小时或者用电高峰，储能系统放电来补充电力缺口。
3.1.2需求响应机制
引导电力用户根据电网运行状况和电价信号等，调整自身用电行为。对于电动汽车用户而言，可以通过制定分时电价策略，鼓励其在低谷电价时段充电，避开电网高峰负荷时段，从而间接为新能源消纳腾出空间，提高电网对新能源的接纳能力。
3.2对于电动汽车的考虑形式和约束条件
3.2.1考虑形式
在有序充电策略制定中，通常会考虑电动汽车的充电时间、剩余电量、用户出行需求等因素。比如，借助智能充电管理系统预测电动汽车用户的下次出行时间，以此来合理安排充电时长和充电功率，确保既满足用户出行需求，又能使充电行为符合电网整体的优化调度要求。
3.2.2约束条件
主要包括电网侧的容量限制、电压约束以及线路载流量限制等。从电网安全稳定运行角度出发，不能因为电动汽车的充电而使局部电网出现过载、电压越限等问题；同时，也要考虑用户侧的经济成本和使用便捷性等因素，不能因过度追求电网优化而给用户带来过高的费用负担或使用不便。
四、安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
4.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
4.2应用场所
适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
4.3系统结构
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系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
4.4安科瑞充电桩云平台系统功能
4.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
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4.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。
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4.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
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4.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
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4.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
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4.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。
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4.4.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
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4.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
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4.5系统硬件配置
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五、考虑新能源消纳的电动汽车有序充电策略未来发展展望
随着科技的不断进步和能源转型的持续推进，未来在该领域有望取得更多的突破和发展。一方面，智能电网技术将进一步完善，能够更加精准地预测新能源发电功率和电动汽车充电需求，实现更加精细化的充电调度和新能源消纳管理。另一方面，随着车网互动（V2G）技术的逐步成熟，电动汽车不仅可以作为用电设备从电网充电，还能在电网需要时将自身储存的电能反馈给电网，成为移动的储能单元，极大地提升电网对新能源的消纳灵活性和整体的调节能力。此外，相关政策的持续完善和细化，将进一步引导和规范电动汽车有序充电以及新能源消纳行为，推动整个行业朝着更加绿色、高效、可持续的方向发展。
六、结论
考虑新能源消纳的电动汽车有序充电策略研究对于实现我国“3060”双碳目标，推动能源结构优化和绿色发展具有重要意义。本文分析了电动汽车、新能源接入对电网的影响，综述了当前相关策略的研究现状，并详细介绍了安科瑞充电桩收费运营云平台系统在其中的应用与作用，最后对未来发展进行了展望。希望通过各方的共同努力，不断优化相关策略和技术应用，促进新能源汽车与可再生能源的深度协同，助力我国早日实现碳达峰碳中和目标。
参考文献：
[1]刘靓雯,高传彬,王丹阳.考虑新能源消纳的电动汽车有序充电策略研究综述[J]
[2]肖朝霞,张可信,冯冀.含电动汽车充电站的风/光/柴独立微电网分层优化调度[J]
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版
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