电动汽车会使电网过载吗?

英国商业、能源和工业战略部(Department for Business, Energy and Industrial Strategy)正在启动一项1140万英镑的资助项目，目的是让电动汽车(EV)在用电高峰时更容易向电网供电。从6月开始，所有新的私人充电点必须足够智能，能够根据外部信号调整其充电率，以缓解晚间高峰等时段的网络需求。

有明显的原因可以解释为什么英国政府，尤其是其他国家，热衷于让电动汽车对电网的需求做出反应。如果没有这种能力，风险就在于，如果同一地区有太多司机要求他们的汽车在接下来的一个小时内准备好行驶，就会导致突然停电。

随着电动汽车充电使用量的增加，电动汽车充电将对电网造成多大的破坏，人们的观点存在明显的分歧。这很大程度上取决于你使用的地理尺度。麦肯锡(McKinsey) 2018年的一份报告援引了德国的数据，该报告称，电动汽车使用量的预期增长只会使总发电量增加1%。即使国家电网ESO(电力系统运营商)对英国未来几十年最乐观的净零情景的预测得到大规模普及，电力牵引的相对效率意味着，到2050年，道路用户将占到电网总消耗的10%多一点。

对那些管理电网不同部分的人来说，问题是，这种增长可能，甚至可能非常不均匀地分布。高峰时段的额外负载可能会对单个馈电线路的应对能力产生巨大影响。

芯片制造商英伟达(Nvidia)全球能源战略主管马克•斯皮勒(Marc Spieler)辩称，如果他们不小心应对这种情况，全球电网的困难可能很快就会出现。“当电动汽车的渗透率达到4%至5%时，我相信我们将开始看到电网在弹性和可靠性方面出现一些重大问题，更不用说大多数国家正在努力实现的30%或50%的电动汽车普及率了。”

麦肯锡的研究估计，以其在德国的场景为例，如果有150个家庭的典型住宅馈电线路，且电动汽车普及率为25%，峰值负荷将使典型峰值负荷增加30%。快速充电器使情况变得更糟，因为它们的负载需求更大。其他研究估计，峰值负荷可能会翻倍。

显而易见的答案是加强更多的网络，但这可能会很昂贵，特别是如果大量的家庭装置转换为三相连接，以减少对单相的高需求导致间歇性问题的风险。加强电力供应已经是Ofgem对英国配电网络计划的一部分，以应对来自供暖的更高需求和来自屋顶太阳能电池板的间歇性供应。

斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)能源政策中心的克里斯蒂安·卡尔维罗(Christian Calvillo)和凯伦·特纳(Karen Turner)在2020年发表的一项研究得出的结论是，哑充电和注重加强峰值容量的结合，将使从现在到2050年的升级成本从400亿英镑增加到700亿英镑。

正常时期的需求峰值只是问题的一部分。由英国国家电网ESO资助的Rev项目已经确定了大规模采用电动汽车和家庭充电可能导致电网在高压力时期出现故障的六种方式，如果这些问题在下一个十年前得不到缓解，届时汽车数量预计将飙升。

其中一个问题是，当电网面临压力时，炊具和其他传统高能电器与使用电动汽车充电器等电控电源转换器的炊具之间存在明显的行为差异。烤箱和水壶可能无法提供有用的热量，但它们往往通过减少自身的电力需求来应对电压降低。另一方面，电动汽车充电器的设计初衷是向锂离子电池输送精心控制的电流，是高度非弹性负载。

在今年早些时候的一个网络研讨会上，电子公司Sygensys的顾问马丁·布拉德利(Martin Bradley)描述了项目Rev的初步发现，该公司撰写了项目Rev的初始报告，他也是前国家电网ESO调度保证经理。他说:“传统上，从电网的角度来看，国内负荷是相当良性的。”“随着电压上升，他们的负荷也会上升。当电压降低时，它们的需求就会下降。相比之下，电动汽车充电器将主要是恒功率负载。”

即使电压急剧变化，充电器也不会改变它们的电力需求，布拉德利补充说:“所以它们不会缓解电网的压力。这意味着用于研究这种不稳定性的模型将需要进化。”

“当电动汽车的渗透率达到4- 5%时，我相信我们将开始看到电网弹性和可靠性方面的一些重大问题，更不用说大多数国家都在争取的30%或50%的电动汽车了。”

电动汽车充电器在如何与电网连接方面缺乏灵活性的问题，与分布式可再生能源的问题大致相同。随着屋顶太阳能的高度部署，晴天可能会导致局部地区的电压增加，这些地区越来越需要主动补偿，而不是依赖传统重型电力设备的自然惯性。运营商已经开始从可再生能源中寻求合成惯性。一个例子是由配电运营商英国电力网络和国家电网ESO运行的电力潜力研发项目。其目的是让一个地区内发电能力超过1兆瓦的可再生能源运营商与运营商协调，充当一个虚拟发电厂，不仅生产能源，而且提供有功和无功的必要组合，以帮助纠正网络中其他地方出现的频率和电压问题。

类似地，电动汽车能源(EV.energy)等公司正在将电动汽车充电器的集合组装成虚拟发电厂。这家初创公司参与了英国和美国的一系列试验，运行的系统主动与充电器通信，以控制它们何时以及如何激活。在目前的实施中，该公司专注于智能充电或V1G，该软件从与配电系统运营商(DSOs)和其他负责电网稳定的机构签订的自动化合同中获得灵感，以改变电动汽车充电开始的时间。

EV.energy的电网和数据服务主管威廉•戈德史密斯(William Goldsmith)表示:“我们将负荷从晚高峰转移出去，释放电网的容量。”

这种需求不仅进入了能源更容易获得的时期，而且往往进入了可再生能源供应比例更高的时期。电动汽车使用的数据源之一。能源公司的软件是国家电网ESO的碳强度API，它可以提前48小时预测英国电网将排放多少二氧化碳。

碳强度计算在软件的最低优先级。“第一级总是驾驶员的要求。当他们需要充电时，他们就会输入，软件就会查看汽车的充电状态。如果您有非高峰时段的关税，我们会确保您的账单减少。第二个优先级别是与电网和能源市场互动，”戈德史密斯说。这种互动使配电网运营商能够在系统检测到需要快速响应的问题时要求减少需求。

就目前的情况来看，消费者可以使用的价格信号是有限的。“超过70%的用户使用的是固定电价。如果电网上没有事件发生，那么优先考虑的就是可再生能源，”戈德史密斯解释道。

虽然从理论上讲，个体消费者可以通过这种方式与电网进行交互，但EV。能源公司已经采取了灵活充电的方法，如果它要成为一种可行的负载分配方法，就需要更容易使用。这样一来，就更容易将大量的充电器聚集到一个可以进行整体交易的聚合虚拟发电厂中，特别是在前一天的市场中，可靠地估计供需的能力至关重要。

虚拟发电厂要想名副其实，就必须能够向电网输出能源。这与车到网或V2G操作相结合，这是世界各地大量试验的重点，也是新的BEIS项目的重点。电动汽车。energy将参与由energy Systems Catapult组织的一项新的试验，其中包括目前为数不多的为V2G提供支持的汽车制造商中的两家:日产和大众。

对于时变电价的消费者来说，V2G的直接经济利益可能会更高，因为DSOs可能会在网络高度紧张的时候要求使用电池。然而，特别是在英国，v2g兼容充电器和汽车的可用性仍然很低是有原因的，这就是当前的电力交易规则。Ofgem尚未对定价和结算做出改变，包括将频率提高到半小时，这将支持这种高度细粒度的灵活性。“它也在更多地循环电池。目前，汽车制造商对智能充电非常满意。当涉及到V2G时，他们非常希望避免不必要的电池损耗，”戈德史密斯说。

试验将显示V2G对电池的影响有多大，但结果并不一定是负面的。华威大学(University of Warwick)开发的模型显示，良性循环可能会减缓退化的速度，尽管这些循环可能被证明与现实应用不兼容，因为司机需要知道他们的车辆在特定时间会准备好。

纽约罗切斯特大学在2021年发表的另一项研究认为，总体而言，电池退化对灵活性带来的总体成本和利润的影响低得惊人，尽管这是否会转化为个人态度还是一个悬而未决的问题。为了最大限度地减少电池损耗，充电模式很可能会根据车辆而定。反过来，这可能会使虚拟发电厂运营商和DSOs使用的时间表和预测复杂化。

第二个复杂的问题是，电能可能不会直接返回到电网，而是返回到家庭系统。这种“车到家”(V2H)结构可能会在经常停电的地区更受欢迎，因此消费者希望自己或与邻居一起创建自己的微电网。“对于V2H，我们更关注的是一个自给自足的家庭，几乎脱离电网。V2G专注于灵活家居的概念，你想要在最便宜的时间尽可能多地输入，并与电网密切互动，”戈德史密斯说。

用户需要的智能电网接口有多智能?如果英伟达是对的，那真是太聪明了。该公司正在与utildata合作开发一种智能电网芯片，该芯片将能够运行自己的人工智能(AI)模型，比当今智能电表中的微控制器要强大得多。斯皮勒说，这家图形处理器制造商设想的这种芯片将能够运行Linux系统，拥有几gb的内存，并能在类似于自动驾驶汽车的环境中运行。

“我们的目标是建立一个完整的生态系统，在不同的层上运行一个类似的操作系统，以构建模型和应用程序。你可以向下移动到单个房屋的智能电表，你可以在变电站级别运行它们，或者你可以把它们放在数据中心，在整个电网中运行，”Spieler说。

这个想法是为了使电网系统对变化的反应更灵敏，并使电网运营商更容易地用传感器和基于变电站的计算机升级他们的系统，以确定网络是否出了问题。
“负荷预测将变得非常重要，”Spieler说，并补充说，对传感器读数的细粒度解释可能会为发现需要响应的异常打开大门。“是不是有根杆子开始下垂了?”那是树撞线了还是松鼠跑过线了?这将有助于集中维护，而不是依赖成本相当高的例行维护计划和目测检查。”

考虑到Project Rev所概述的问题，电动汽车充电器和家庭能源系统内的计算能力似乎比现在更有可能。尽管为英国市场设计的现有电动汽车充电器可以抵消启动时间，以防止数千个电动汽车同时启动，但在电力或通信中断后，这可能不够。在本地网络中，跨越数千台设备的控制环之间的相互作用可能会导致振荡，如果不小心管理，就会导致网格不稳定。

Sygensys公司的首席执行官兼创始人安德鲁•拉金斯(Andrew Larkins)认为，充电器或与之集成的家庭系统，与专用可再生能源装置运行的逆变器保持一致，将更擅长应对电网的需求，而不仅仅是自身的消耗。它们是否需要运行人工智能模型的完全Linux机器是一个开放的问题，尽管这是英伟达预期的。

“这对需要的东西来说是不是太过了?”不。我不认为你能预测到网格将需要什么，以及需要多少计算量才能使所有这些保持一致，”Spieler说。“如果现在购买，但不考虑4到5年后的情况，更不用说10年了，那就低估了电网的发展前景。”