实现需求响应的配电网储能和电动汽车快充一体化基础设施——#南瑞方
现有的配电网资产如何应对电动汽车和分布式能源的影响
Wood Mackenzie咨询公司最新报告详细介绍了在世界各地崛起的电动车行业。到2035年，全球保有的电动汽车可能会达到1.25亿辆，这比2016年的200万辆要多得多。这1.25亿辆汽车可能会增加135TWh的电力需求，仅占全球电力需求的1％，这与美国德克萨斯州消耗的电力相当，但是否据此可以认为，即使电动汽车的销量呈指数增长，对电力供应的影响也是微不足道？事实上，这些汽车很可能会集中在某些地区。这会给当地的电力公司带来困难。Wood Mackenzie的报告指出：“在国家和地区层面上，大多数发达的市场都有足够的能力来处理多年的电动汽车增长。但是从城市和社区层面来看，影响和挑战的程度可能会更高。”
全球电动汽车用电需求量预测（来源：Wood Mackenzie）
在Newton-Evans研究所关于高级配网管理系统的研究报告中，全球中有87%的电力公司有或即将有分布式能源管理系统。电动汽车与分布式发电是间歇性负荷和发电的两个典型案例，会对现有的配网基础设施带来巨大的挑战。
从充电容量上划分，电动汽车充电可分为快充和慢充两种模式。车辆制造商随电动汽车销售，会提供一个墙壁安装的充电盒（Wallbox），以交流供电，再通过车载整流设备向电池充电，一般充电功率小于7kW。电动汽车的电池储能一般在40kWh~80kWh不等，因此一次完整慢充典型值为8小时左右。而快充，则是50kW甚至更大的直流充电机，直接向车载电池充电，充电速度更快，但从系统消耗的功率更高。慢充的用户行为，一般是夜晚在居民区集中发生，而快充则是在商业区、高速公路等地点间歇性的、更随机的一种高负荷形式。
配电网的分布式发电，主要是屋顶光伏，除了日夜影响外，气候条件，甚至晴朗天气下，飘过的一片云朵都会对发电量产生较大的影响，配网在分布式发电的间歇性和电动汽车充电的间歇性叠加情况下，将变得非常复杂。如何使现有的配电网资产适应分布式发电和电动汽车快充，同时不需要更大规模的基础设施升级改造，是本方案解决的问题。
需求响应和基础负荷发电
应对上述发电和负荷的间歇特性，在电力系统中，传统的手段是增加发电备用，如建设更多的燃煤电厂或天然气发电，用来调峰。这种方式将导致发电利用小时数下降，提高了电源建设的电价摊销，也增加了碳排放。因此，目前主要策略是通过新能源和大规模的储能设施，以间歇性应对间歇性，抑制过快的基础负荷发电。基础负荷发电主要由：核电、燃煤电厂保证，是这些高投资但高可靠性设施运行在最经济合理的水平。
基础负荷发电与间歇性负荷、高峰负荷
正常的调峰手段，包含对响应迅速的燃气机组、燃煤机组和水电机组以及抽水蓄能机组控制，但从电网年度负荷特性来看，最高峰的负荷可能仅仅发生几个小时，如，夏季最炎热天气下，工商业负荷及空调制冷的最高需求。为这几个小时的高峰负荷，建设更多的发电设施显然是不经济的，因此，配电网运营商都在考虑如何从需求侧控制负荷的高峰值——需求响应计划。
典型的需求响应措施包括：
- 智慧楼宇的负控措施
- 分时电价措施
- 配电网的降压节电措施
- 可能的电动汽车V2G措施
需求响应的作用
这些措施中从用户侧实现干预的，都具有计划性的、非实时性的特点，如智慧楼宇的负荷控制和分时电价，更多体现的是电力公司通过定价与客户协商的一种商业手段。显然需求响应应具有更强的实时性，以应对电网的需求。
V2G是一种“理想”中的需求响应手段，但最致命的问题是，电动汽车的最核心资产并不属于电力公司，如何定价能驱使客户参与调峰，仍然是个“伦理”问题。电动汽车储存的电量，本身就是预期行驶里程的保证，我们无法从“社会责任”的高度，要求EV的拥有者参与需求响应计划。
因此，需求响应最可靠的措施，还是需要从电力公司自身的资产入手。
南瑞产品——四象限储能智能变流器与电动汽车快充一体化设备
该一体化设备的典型配置如下图：
配电网、分布式能源与电动汽车快充基础设施
首先，四象限智能变流器已经是为配电网解决分布式能源带来的电压问题所采用的典型方案。例如，在居民区，用电负荷的高峰为清晨和傍晚，而分布式光伏发电集中在阳光充足的日光时间，此时，配电台区由于发电量增加、负荷相对较少，局部的配电电压会升高，此时的智能变流器应该工作在吸收有功、吸收无功的工作状态。需要注意：此处的智能变流器并不是分布式光伏用户的光伏逆变器，而是相对独立的、包含储能的配电公司资产。
夜晚及用电高峰期，配电台区的电压下降，此时储能智能变流器向电网回馈无功和有功，保证配电网的供电电压。
与一般的电池储能最大的不同是，该储能设备结合了电动汽车快充设备，将电动汽车快充这种无序的、随机性的大容量负荷，削减为持续的稳定的充电设备，同时该设备还具有前述一般电池储能设备的功能。其原理如下：
储能智能变流器与快充一体化设备原理
可见，这种方式是结合了储能、电动汽车快充的一种新型主动配电网的应用。产品实物外观如下：
南瑞智能储能快充设备
特点和应用效果
技术特点：
- 按照配网的电压无功情况，可采用计划的和紧急的电网负荷控制策略
- 与传统的直流快充相比节省了AC/DC整流模组
- 就地化的自动控制系统，可受远方SCADA控制，或独立运行
- 根据配网DERs的容量，电动汽车的保有量，灵活的设计充电容量和储能容量
- 易于扩展
需求响应方面，
- 将电动汽车无序快充，转变为稳定的持续小功率充电
- 替代V2G的可控方案
- 包含的储能BESS子系统可作为配网降压节电措施——CVR, Conservative Voltage Regulation
分布式能源的管控
- 配合南瑞的D5200配电网管理系统，和分布在配电变电站的DERs就地控制系统，为分布式发电提供储能设施
灵活的商业模式
- 该设备可由电力公司投资，通过高费率的快速充电收回投资
- 私有的配网运营商和综合能源运营商，通过投资储能和快充，向电力公司提供备用容量，收取调峰费用；为电动汽车提供快充服务，收取批发电价与大容量充电服务的增值费用。
- 用户也可以持有，建设独立的高弹性供电解决方案，Nano-Grid
典型案例
储能和电动汽车快充一体化基础设施来源于成熟的同源技术。在南瑞的工业与轨道交通领域，南瑞建设了中国第一个储能型有轨电车快速充电系统。未来该技术在配电网领域的大规模应用，将为配电网的运营模式产生重大的影响。
用于城市无轨电车的应用实例
该线路发车间隔6分钟，上下行线路独立设置充电储能装置，稳定充电功率150kW，储能向车辆快充30s，瞬时功率最大可达到1.2MW. 系统投运后，首先解决了瞬时1.2MW、持续30s的冲击负荷，将其转变为持续的150kW负荷；同时，储能设备的300kWh电量，可在系统需要时*，向系统提供备用电源。该方案，有效地平滑了配电网的负荷特性，对周边的供电电能质量有很大的改善。目前，这个系列的产品，具有21kW ~ 500kW四象限智能变流器（虚拟同步机），扩展50kW ~ 120kW多直流充电机模式（1组储能+多DC充电设备）方案，按照应用场景配置不同容量的电池组，完全适用于电力公司，以及家庭或工商业用户。
*在项目初期，暂未实施
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