為加快提升充換電基礎設施服務的保障能力，更好地支撐新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，助力實現(xiàn)2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標，前不久國家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《關于進一步提升充換電基礎設施服務保障能力的實施意見（征求意見稿）》。該意見的實施，將有效促進我國充換電基礎設施的發(fā)展。不過，在大規(guī)模發(fā)展電動汽車和充換電基礎設施的道路上，企業(yè)需要根據(jù)電網(wǎng)的基本特性進行規(guī)劃和設計。

 

電動汽車是用電作為能源來驅動車輛，電和油的差別很大，很多人用傳統(tǒng)燃油車的思路去設計電動汽車和充電，這種做法有很大的問題。比如，充電樁就是站在傳統(tǒng)車輛加油的角度設計的，如今為電動汽車配套的充電設備充電功率越來越大，從60kW發(fā)展到300kW，甚至有些乘用車續(xù)駛里程達到1000km、8分鐘充滿80％，計算下來充電最高功率需要近800kW，而一個擁有200戶居民的小區(qū)變壓器的平均總容量也就1000kW。當電動汽車數(shù)量少的時候，在公共充電站大功率超級充電是可以的。但是，當電動汽車大規(guī)模發(fā)展，如果都是大功率充電，將嚴重威脅電網(wǎng)安全，且在用電高峰時段電網(wǎng)也缺少富余容量給電動汽車大規(guī)模充電。

 

電和油不一樣，電的實時平衡性和不易存儲性，將對電動汽車大規(guī)模充電提出約束。如果不了解電和電網(wǎng)的特性和屬性，有可能讓電動汽車的設計者和充電的設計者走彎路，甚至誤入歧途，影響電動汽車的大規(guī)模應用。筆者作為多年研究電力系統(tǒng)的老工程師，在充電網(wǎng)這條戰(zhàn)線上系統(tǒng)研究和深度實踐了7年，想談談自己對電動汽車、充電行業(yè)，以及對電和電網(wǎng)的四點理解，站在電的角度看電動汽車和充電的技術設計及趨勢。

 

 

我們可以把電力系統(tǒng)理解為一張大電網(wǎng)。電網(wǎng)的基本結構為：發(fā)電→輸電→變電→配電→用電；基本特征為：電網(wǎng)的總發(fā)電和總用電在同一時間必須相等，也就是說，當企業(yè)到下班時間、居民晚上關燈睡覺時，用電量將減少，通過電網(wǎng)的智能調(diào)度，讓發(fā)電廠在同一時間減少發(fā)電功率，確保發(fā)電和用電相等，保證電網(wǎng)的平衡與安全；同理，在早上企業(yè)開工時，工商業(yè)用電量大幅度攀升，發(fā)電廠就要快速提升發(fā)電功率，與用電負荷相匹配。

 

發(fā)電和用電要求實時平衡，就是因為電不容易儲存，不像油可以存在油箱、油庫里。電的實時使用性，使電只能存在電池里或轉化為另外一種能源形態(tài)，比如抽水蓄能電站、化學電池、飛輪儲能等，這些儲電技術上雖然有的已經(jīng)很成熟，但還缺少大規(guī)模應用的經(jīng)濟性。

 

發(fā)電量和用電量不匹配到一定程度，電網(wǎng)就會失去穩(wěn)定性，可能使電網(wǎng)解列，導致大面積停電。比如今年2月14日，美國得州最低氣溫較往年低10～20℃，用電量急劇增加，創(chuàng)下6920萬千瓦的冬季用電高峰，相當于人均2千瓦的負荷，電網(wǎng)公司應對極端天氣準備不足，一大批風機被凍住無法發(fā)電，使得發(fā)電和用電嚴重失衡，導致得州大面積長時間停電。

 

當電動汽車大規(guī)模增長后，若無序充電、大功率充電，將對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定及調(diào)度平衡構成極大的威脅，所以大規(guī)模發(fā)展電動汽車必須解決無序充電和用電高峰時段的大功率充電問題，惟一的技術路線不是大規(guī)模建設大功率充電樁，而是建設能夠和電網(wǎng)實時平衡的充電網(wǎng)。

 

 

從人們的工作習慣和生活習慣看，往往是白天工作、用電需求量大，晚上休息、用電需求量小。對一家企事業(yè)單位來說，在8小時工作時間段內(nèi)，企業(yè)電網(wǎng)及變壓器總負荷利用率可達70％以上；對于各居民小區(qū)來說，晚上18:00～23:00是用電的高負荷區(qū)間，其他時間電網(wǎng)變壓器容量閑置。

 

總體算下來，電網(wǎng)不管在發(fā)電側、輸電側還是用電側的資產(chǎn)，平均功率利用率在40％左右，一天內(nèi)有近60％的電源資產(chǎn)容量是閑置的。也就是說，在電網(wǎng)實際運行中，有很大的富余容量和富余電量，只是在不同地區(qū)、不同時間、空間上，富余的程度不同。

 

絕大多數(shù)電動汽車70％以上的時間處于停泊狀態(tài)（單位或家附近），這就可以將電動汽車做成可調(diào)負荷。電動汽車規(guī)模化發(fā)展后，通過充電網(wǎng)鏈接每輛電動汽車，當企事業(yè)單位和區(qū)民小區(qū)用戶都在用電時，電動汽車不充電或少充電；當用戶不用電或少用電時，電動汽車通過智能調(diào)控實現(xiàn)有序充電，在不增加電網(wǎng)改造增容投入的情況下，讓電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率持續(xù)提高到50％～70％，甚至更高。

 

 

在一天當中，8:30～11:30、18:00～23:00是電力負荷最高峰。在一個區(qū)域當中，總的發(fā)電容量和輸、配電容量也是按照上述用電量的最高峰值建設的。過去由于電力不足，我國城市和農(nóng)村經(jīng)常會拉閘限電，經(jīng)過中國能源人多年的不懈努力，我國建成了世界上最堅強的電網(wǎng)，發(fā)電的總容量和電網(wǎng)的架構基本上能夠滿足城鄉(xiāng)居民在高峰期的需要。也就是說，在白天用電高峰期，如果突然出現(xiàn)電力負荷增長的情況，電網(wǎng)是沒有多余的電力和容量來保障的，供不應求就會導致發(fā)電和用電失衡，只能拉閘限電。比如，2020年12月由于出口業(yè)務突然增長，浙江、湖南等地就不得不拉閘限電，限制工業(yè)用戶白天的用電；今年5月底，由于深圳氣溫持續(xù)升高，用電負荷迅速攀升，當?shù)仉娏o張，深圳供電局也要求部分企業(yè)錯峰用電，在用電高峰時段停止生產(chǎn)安排。

 

可見，電網(wǎng)在用電高峰期是沒有富余容量的。如果這時候電動汽車正好在單位停泊，鏈接在充電網(wǎng)上的話，就可以把當天電池富余的電量以高峰價格賣給企業(yè)或電網(wǎng)（V2G）。2020年11月，廣東省能源局發(fā)布的《廣東省市場化需求響應實施方案（試行）》提到：用戶側儲能、電動汽車、充電樁等其他具備負荷調(diào)節(jié)能力的資源可以作為市場主體參與，響應能力不低于1MW，需求響應時長不低于1小時；削峰響應（電動汽車賣電）補償價格最高為4500元/MWh，填谷響應補償價格最高為120元/MWh。

 

對于住宅小區(qū)來說，晚上18:00～23:00是用電高峰期，這時候小區(qū)變壓器也沒有太多富余容量，如果電動汽車無序充電，就會和居民小區(qū)爭負荷、搶容量，所以很多小區(qū)以沒有電源容量為理由，拒絕安裝充電樁。但實際上，每天23：00后電源和配電容量是有很大富余的，所以大量的電動汽車應盡量避免白天尤其是高峰期在公共充電站大功率充電，也避免18:00～23:00之間在住宅小區(qū)充電。

 

 

為了平抑用戶在用電緊張的時間段使用電能，政府采用經(jīng)濟杠桿，制定了峰谷平電價政策。峰谷電價，也稱“分時電價”，指用電高峰、用電低谷、用電一般情況采用不同的電價政策，按高峰用電和低谷用電分別計算電費的一種電價制度，以改變用電習慣。這樣就可以使電網(wǎng)高峰時節(jié)約用電，低谷時多用電，實現(xiàn)電網(wǎng)負荷移峰填谷的作用。

 

目前公共充電按照大工業(yè)電價政策計量計費，免收基本費，主要分為平時段、高峰時段、低谷時段，平時段采用基礎電價，高峰時段和低谷時段分別在基礎電價上進行上浮50％～70％和下調(diào)50％。電動汽車充電用戶如果掌握了峰谷平三段電價的收費標準，利用充電網(wǎng)智能調(diào)控有序充電，就可以自動選擇在低谷低價時充電，這樣既能節(jié)省不少電費，又能為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供支持。

 

 

作為電動汽車和充電技術的設計工程師，了解電網(wǎng)的基本特性后，面對電動汽車的規(guī)模化發(fā)展，在設計電池容量、充電功率、充電基礎設施的技術路線時，就不能采用無序充電的充電樁模式，而需要用充電網(wǎng)技術路線，以保證電動汽車的大規(guī)模使用。

 

充電樁通過物理插頭把電充到車輛里，它只是電動汽車的附屬配套設備。而充電網(wǎng)是鏈接用戶、汽車、電池和能源的新型基礎設施，不同于充電樁只是一個單向的充電物理插頭，充電網(wǎng)是由變配電設備、電力電子能量轉換和分配設備、智能調(diào)度控制系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)和云計算平臺組成的有機系統(tǒng)，能支撐大規(guī)模人-機及海量物-物之間的安全高效交互，實現(xiàn)信息、能源、價值的深度互動，是電動汽車大規(guī)模發(fā)展的基礎支撐和前置條件，是新能源和新交通雙向融合的全新生態(tài)和產(chǎn)業(yè)。

 

充電網(wǎng)的基本單元是微電網(wǎng)，將充電終端有機納入交直流混合微電網(wǎng)，支撐電動汽車成為可雙向充放電的移動儲能載體，能夠和分布式光伏、固定儲能及大電網(wǎng)無縫鏈接、高效互動，通過優(yōu)化調(diào)度和精準控制，提升新能源就地消納、就地平衡水平，實現(xiàn)新能源車輛充新能源電、隨風而充（風力充電）、隨光而充（光伏充電），高峰可放。

 

充電網(wǎng)是儲能網(wǎng)，它通過有效聚合基本單元中的電動汽車移動儲能及梯次利用固定儲能電池，形成超大規(guī)模儲能資源池，構成虛擬電廠參與電網(wǎng)互動和調(diào)度，以突出的成本優(yōu)勢、規(guī)模優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，成為未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中最關鍵的靈活性資源，是實現(xiàn)碳中和目標的重要支撐。

 

充電網(wǎng)也是數(shù)據(jù)網(wǎng)，它深度鏈接著人、車、能源。充放電是一個數(shù)據(jù)鏈接和能源交互過程，可保持實時在線、高黏性和高強度交互，在管理充電及車輛電池安全的同時，形成基于用戶、車和電池的行為大數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)和能源大數(shù)據(jù)。可以說，充電網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最大的應用場景之一。