為加快提升充換電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)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(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)，前不久國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步提升充換電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》。該意見(jiàn)的實(shí)施，將有效促進(jìn)我國(guó)充換電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。不過(guò)，在大規(guī)模發(fā)展電動(dòng)汽車和充換電基礎(chǔ)設(shè)施的道路上，企業(yè)需要根據(jù)電網(wǎng)的基本特性進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

 

電動(dòng)汽車是用電作為能源來(lái)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)電動(dòng)汽車和充電，這種做法有很大的問(wèn)題。比如，充電樁就是站在傳統(tǒng)車輛加油的角度設(shè)計(jì)的，如今為電動(dòng)汽車配套的充電設(shè)備充電功率越來(lái)越大，從60kW發(fā)展到300kW，甚至有些乘用車?yán)m(xù)駛里程達(dá)到1000km、8分鐘充滿80％，計(jì)算下來(lái)充電最高功率需要近800kW，而一個(gè)擁有200戶居民的小區(qū)變壓器的平均總?cè)萘恳簿?000kW。當(dāng)電動(dòng)汽車數(shù)量少的時(shí)候，在公共充電站大功率超級(jí)充電是可以的。但是，當(dāng)電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展，如果都是大功率充電，將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全，且在用電高峰時(shí)段電網(wǎng)也缺少富余容量給電動(dòng)汽車大規(guī)模充電。

 

電和油不一樣，電的實(shí)時(shí)平衡性和不易存儲(chǔ)性，將對(duì)電動(dòng)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(dòng)汽車的設(shè)計(jì)者和充電的設(shè)計(jì)者走彎路，甚至誤入歧途，影響電動(dòng)汽車的大規(guī)模應(yīng)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(shí)踐了7年，想談?wù)勛约簩?duì)電動(dòng)汽車、充電行業(yè)，以及對(duì)電和電網(wǎng)的四點(diǎn)理解，站在電的角度看電動(dòng)汽車和充電的技術(shù)設(shè)計(jì)及趨勢(shì)。

 

 

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(jié)構(gòu)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(shí)間必須相等，也就是說(shuō)，當(dāng)企業(yè)到下班時(shí)間、居民晚上關(guān)燈睡覺(jué)時(shí)，用電量將減少，通過(guò)電網(wǎng)的智能調(diào)度，讓發(fā)電廠在同一時(shí)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(kāi)工時(shí)，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(fù)荷相匹配。

 

發(fā)電和用電要求實(shí)時(shí)平衡，就是因?yàn)殡姴蝗菀變?chǔ)存，不像油可以存在油箱、油庫(kù)里。電的實(shí)時(shí)使用性，使電只能存在電池里或轉(zhuǎn)化為另外一種能源形態(tài)，比如抽水蓄能電站、化學(xué)電池、飛輪儲(chǔ)能等，這些儲(chǔ)電技術(shù)上雖然有的已經(jīng)很成熟，但還缺少大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

 

發(fā)電量和用電量不匹配到一定程度，電網(wǎng)就會(huì)失去穩(wěn)定性，可能使電網(wǎng)解列，導(dǎo)致大面積停電。比如今年2月14日，美國(guó)得州最低氣溫較往年低10～20℃，用電量急劇增加，創(chuàng)下6920萬(wàn)千瓦的冬季用電高峰，相當(dāng)于人均2千瓦的負(fù)荷，電網(wǎng)公司應(yīng)對(duì)極端天氣準(zhǔn)備不足，一大批風(fēng)機(jī)被凍住無(wú)法發(fā)電，使得發(fā)電和用電嚴(yán)重失衡，導(dǎo)致得州大面積長(zhǎng)時(shí)間停電。

 

當(dāng)電動(dòng)汽車大規(guī)模增長(zhǎng)后，若無(wú)序充電、大功率充電，將對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定及調(diào)度平衡構(gòu)成極大的威脅，所以大規(guī)模發(fā)展電動(dòng)汽車必須解決無(wú)序充電和用電高峰時(shí)段的大功率充電問(wèn)題，惟一的技術(shù)路線不是大規(guī)模建設(shè)大功率充電樁，而是建設(shè)能夠和電網(wǎng)實(shí)時(shí)平衡的充電網(wǎng)。

 

 

從人們的工作習(xí)慣和生活習(xí)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(duì)一家企事業(yè)單位來(lái)說(shuō)，在8小時(shí)工作時(shí)間段內(nèi)，企業(yè)電網(wǎng)及變壓器總負(fù)荷利用率可達(dá)70％以上；對(duì)于各居民小區(qū)來(lái)說(shuō)，晚上18:00～23:00是用電的高負(fù)荷區(qū)間，其他時(shí)間電網(wǎng)變壓器容量閑置。

 

總體算下來(lái)，電網(wǎng)不管在發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)還是用電側(cè)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(shuō)，在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)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(shí)間、空間上，富余的程度不同。

 

絕大多數(shù)電動(dòng)汽車70％以上的時(shí)間處于停泊狀態(tài)（單位或家附近），這就可以將電動(dòng)汽車做成可調(diào)負(fù)荷。電動(dòng)汽車規(guī)模化發(fā)展后，通過(guò)充電網(wǎng)鏈接每輛電動(dòng)汽車，當(dāng)企事業(yè)單位和區(qū)民小區(qū)用戶都在用電時(shí)，電動(dòng)汽車不充電或少充電；當(dāng)用戶不用電或少用電時(shí)，電動(dòng)汽車通過(guò)智能調(diào)控實(shí)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(dāng)中，8:30～11:30、18:00～23:00是電力負(fù)荷最高峰。在一個(gè)區(qū)域當(dāng)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(shè)的。過(guò)去由于電力不足，我國(guó)城市和農(nóng)村經(jīng)常會(huì)拉閘限電，經(jīng)過(guò)中國(guó)能源人多年的不懈努力，我國(guó)建成了世界上最堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)，發(fā)電的總?cè)萘亢碗娋W(wǎng)的架構(gòu)基本上能夠滿足城鄉(xiāng)居民在高峰期的需要。也就是說(shuō)，在白天用電高峰期，如果突然出現(xiàn)電力負(fù)荷增長(zhǎng)的情況，電網(wǎng)是沒(méi)有多余的電力和容量來(lái)保障的，供不應(yīng)求就會(huì)導(dǎo)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(wù)突然增長(zhǎng)，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(fù)荷迅速攀升，當(dāng)?shù)仉娏?yīng)緊張，深圳供電局也要求部分企業(yè)錯(cuò)峰用電，在用電高峰時(shí)段停止生產(chǎn)安排。

 

可見(jiàn)，電網(wǎng)在用電高峰期是沒(méi)有富余容量的。如果這時(shí)候電動(dòng)汽車正好在單位停泊，鏈接在充電網(wǎng)上的話，就可以把當(dāng)天電池富余的電量以高峰價(jià)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(chǎng)化需求響應(yīng)實(shí)施方案（試行）》提到：用戶側(cè)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、充電樁等其他具備負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的資源可以作為市場(chǎng)主體參與，響應(yīng)能力不低于1MW，需求響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)不低于1小時(shí)；削峰響應(yīng)（電動(dòng)汽車賣電）補(bǔ)償價(jià)格最高為4500元/MWh，填谷響應(yīng)補(bǔ)償價(jià)格最高為120元/MWh。

 

對(duì)于住宅小區(qū)來(lái)說(shuō)，晚上18:00～23:00是用電高峰期，這時(shí)候小區(qū)變壓器也沒(méi)有太多富余容量，如果電動(dòng)汽車無(wú)序充電，就會(huì)和居民小區(qū)爭(zhēng)負(fù)荷、搶容量，所以很多小區(qū)以沒(méi)有電源容量為理由，拒絕安裝充電樁。但實(shí)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(dòng)汽車應(yīng)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(shí)間段使用電能，政府采用經(jīng)濟(jì)杠桿，制定了峰谷平電價(jià)政策。峰谷電價(jià)，也稱“分時(shí)電價(jià)”，指用電高峰、用電低谷、用電一般情況采用不同的電價(jià)政策，按高峰用電和低谷用電分別計(jì)算電費(fèi)的一種電價(jià)制度，以改變用電習(xí)慣。這樣就可以使電網(wǎng)高峰時(shí)節(jié)約用電，低谷時(shí)多用電，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷移峰填谷的作用。

 

目前公共充電按照大工業(yè)電價(jià)政策計(jì)量計(jì)費(fèi)，免收基本費(fèi)，主要分為平時(shí)段、高峰時(shí)段、低谷時(shí)段，平時(shí)段采用基礎(chǔ)電價(jià)，高峰時(shí)段和低谷時(shí)段分別在基礎(chǔ)電價(jià)上進(jìn)行上浮50％～70％和下調(diào)50％。電動(dòng)汽車充電用戶如果掌握了峰谷平三段電價(jià)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，利用充電網(wǎng)智能調(diào)控有序充電，就可以自動(dòng)選擇在低谷低價(jià)時(shí)充電，這樣既能節(jié)省不少電費(fèi)，又能為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

 

 

作為電動(dòng)汽車和充電技術(shù)的設(shè)計(jì)工程師，了解電網(wǎng)的基本特性后，面對(duì)電動(dòng)汽車的規(guī)模化發(fā)展，在設(shè)計(jì)電池容量、充電功率、充電基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)路線時(shí)，就不能采用無(wú)序充電的充電樁模式，而需要用充電網(wǎng)技術(shù)路線，以保證電動(dòng)汽車的大規(guī)模使用。

 

充電樁通過(guò)物理插頭把電充到車輛里，它只是電動(dòng)汽車的附屬配套設(shè)備。而充電網(wǎng)是鏈接用戶、汽車、電池和能源的新型基礎(chǔ)設(shè)施，不同于充電樁只是一個(gè)單向的充電物理插頭，充電網(wǎng)是由變配電設(shè)備、電力電子能量轉(zhuǎn)換和分配設(shè)備、智能調(diào)度控制系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)和云計(jì)算平臺(tái)組成的有機(jī)系統(tǒng)，能支撐大規(guī)模人-機(jī)及海量物-物之間的安全高效交互，實(shí)現(xiàn)信息、能源、價(jià)值的深度互動(dòng)，是電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)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(jī)納入交直流混合微電網(wǎng)，支撐電動(dòng)汽車成為可雙向充放電的移動(dòng)儲(chǔ)能載體，能夠和分布式光伏、固定儲(chǔ)能及大電網(wǎng)無(wú)縫鏈接、高效互動(dòng)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度和精準(zhǔn)控制，提升新能源就地消納、就地平衡水平，實(shí)現(xiàn)新能源車輛充新能源電、隨風(fēng)而充（風(fēng)力充電）、隨光而充（光伏充電），高峰可放。

 

充電網(wǎng)是儲(chǔ)能網(wǎng)，它通過(guò)有效聚合基本單元中的電動(dòng)汽車移動(dòng)儲(chǔ)能及梯次利用固定儲(chǔ)能電池，形成超大規(guī)模儲(chǔ)能資源池，構(gòu)成虛擬電廠參與電網(wǎng)互動(dòng)和調(diào)度，以突出的成本優(yōu)勢(shì)、規(guī)模優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的靈活性資源，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)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(gè)數(shù)據(jù)鏈接和能源交互過(guò)程，可保持實(shí)時(shí)在線、高黏性和高強(qiáng)度交互，在管理充電及車輛電池安全的同時(shí)，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(shuō)，充電網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最大的應(yīng)用場(chǎng)景之一。