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V2G供电基础：计算容量与净收入
摘要
随着轻型车队转向电力驱动（混合能源，电池和燃料电池车辆），“车辆对电网”（V2G）供电迎来了发展机遇。这篇文章定义了可以提供V2G供电的三种车型，以及他们可以销售的供电市场。只有车辆和供电市场匹配，V2G才有意义。例如，V2G似乎不适合基本负载功率 - 恒定的全天候电力供应 - 因为大型发电机可以更便宜地提供基本负载功率，就像今天一样。相反，V2G最近期的承诺是快速响应，高价值的电力服务。这些快速响应的电力服务可平衡负载的不断波动并为意外的设备故障做出调整;它们占美国电力成本的5-10％ - 120亿美元/年。本文开发了三种电驱动车辆的电网容量计算公式。这些公式用于评估这些车辆向三个电力市场供电（峰值电力，旋转储备和监管）的收入和成本。结果表明V2G供电的工程理论基础和经济动机是令人信服的。开发V2G的社会优势包括更清洁车辆的额外收入来源，更高的电网稳定性和可靠性，更低的电力系统成本以及廉价的可再生电力存储和备用。
关键词：电动车;燃料电池;插电式混合动力车;车对电网;辅助服务;V2G
- 引言
作为管理供电和电力的系统，电网和轻型车辆是非常互补的。我们简要比较这两个系统来引出这篇文章，并在一篇伴随文章[1]中更深入地研究（通过计算和参考）。电网基本上无法储能（除了抽水蓄能的2.2％容量外[2]），因此发电和输电必须持续管理以适应波动的负荷。现在这主要通过打开和关闭，或者调大和调小大型发电机来完成，有时以分钟为单位。相比之下，由于车辆的原动机和燃料必须是可移动的，轻型车辆本身必须具有存储空间。因为道路行驶的性质，车辆被设计为具有大而频繁的功率波动。大型发电机的高基建费用激发了高使用率（平均57％的容量系数）。相比之下，个人车辆的每单位功率便宜，并且由于仅有4％的时间用于运输，它们可以用剩余的96％的时间用于次要功能。
本文将电力系统与轻型车辆进行的比较，随着社会对电动车辆（EDV）-即具有由电池，燃料电池或混合动力传动系统驱动的电驱动发动机的车辆-的关注，变得具有实际意义。在停放时，电动车辆可以产生或储存电力，并且通过适当的连接可以向电网供电 - 我们称之为车辆对电网供电或V2G供电。车辆动力系统的相对较低的基建费用和调整EDV以向电网供电的较低增量成本相较集中式发点显示出经济竞争力。另一方面，与大型发电机相比，车辆的耐久性低（大约为设计运行小时数的1/50）并且每千瓦时电能的成本很高，这表明V2G电力只能卖给高价值，短期电力市场。正如本文将要描述的那样，这些电力市场包括调节，旋转储备和峰值电力。
本文从描述V2G概念开始介绍。第3节描述了三种车型，接着在第4节中描述了四种电力市场及其购买V2G电力的适宜性。最后，针对EDV的功率容量，成本和收入开发了一般方程。一篇配套文章“车辆对电网的实施”[1]更全面地比较了车队和电网，提出了调和驾驶员和电网运营商不同需求的策略，建议了业务模型，并概述了V2G实施的步骤。
- V2G的概念
车对电网的基本概念是，EDV在停放时为电网供电。EDV可以是电池电动车辆，燃料电池车辆或插电式混合动力车辆。电池EDV可以在低需求时间充电，并在需要电能时放电。燃料电池EDV以液体或气体燃料发电。插入式混合动力EDV可以在任一模式下运行。
每个车辆必须具有三个必需的元件：（1）与电网连接以实现电能流动，（2）与电网运营商通讯所需的控制或逻辑连接，以及（3）车载控制和计量。这些要素与商业模式有所不同，在配套文章[1]中有更详细的描述。图1示意性地表示了车辆与电力网之间的连接。电力从发电机通过电网单向流向电力用户。电流从EDV流回电网，或从电池EDV双向流动（如图1中双向箭头所示）。来自电网运营商的控制信号（标记为ISO，即独立系统运营商）可以是广播无线电信号，或者通过蜂窝电话网络，直接互联网连接或电力线载波。在任何情况下，电网运营商都会向大量车辆发送电力请求。信号可以直接发送给每个单独的车辆，如图1的右上方所示，或车队运营商的办公室，车队运营商的办公室又反过来控制单个停车场中的车辆，如图1右下方所示，或通过分散的个别车辆动力（未表示）的第三方聚合器。（电网运营商也使用语音电话或T1线从传统的中央电台发电机发出电力，图1中未表示）
- 三种EDV：电池，燃料电池和混合动力汽车
三种类型的EDV与V2G概念相关：（1）电池，（2）燃料电池，和（3）混合动力。他们都是EDV，即使用电动机来提供全部或部分机械驱动功率。除了最小的EDV电动机外，它们都是由功率电子器件以不同频率的正弦交流电驱动的，并且能够被设置为电网的60赫兹。因此，电网电力所需的大部分功率调节已经内置并作为交通功能的一部分被支付。（非常小的电动车辆，例如典型的高尔夫球车或社区电动车辆通常使用直流电动机，并且将需要大量额外的电力电子设备来提供60赫兹的交流电。）
3.1.电池EDV
电池车辆将电能以电化学方式储存在电池中，铅酸目前最便宜，但镍氢（NiMH），锂离子和锂金属聚合物电池由于具有更长的循环寿命，更小的尺寸和更轻的重量而变得更具竞争力。在操作上，他们充电时插上电池，驱动时拔下。电池车辆必须具有用于充电的电网连接，因此增加V2G的额外成本和操作调整是极小的。
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- 燃料电池EDV
燃料电池EDV通常将能量储存在氢分子（H2）中，这些能量随着大气中的氧气进入燃料电池，以热量和水为副产品产生电力。车载储存或氢气的生成目前有多种方法正在开发，包括氢气加压，与金属结合，以及从天然气，甲醇，汽油或其他燃料车载生产氢气。目前，配电基础设施，氢的车载存储和转换损失都是很大的问题，这就引发了燃料电池车是否实用和具有成本效益的问题[3,4]。
用于V2G的燃料电池系统将从燃料电池由机载电力装置转换为60Hz交流电并提供给电网。任何并网成本都在交通运输功能之外，因此在本文分析中，插电燃料电池汽车的成本和给驾驶员带来的不便被归于V2G成本。
3.3.混合动力EDV
当代混合动力汽车使用轴驱动发电机的内燃（IC）机。一个小型电池缓冲发电机并吸收再生制动。电池和发电机驱动一个或多个电动机用以驱动车轮，可能与来自内燃机的直接轴功率相同步。概念上而言，混合动力车拥有一个具有大容量储能的动力系统 -用于保证行驶距离，而一个具有高功率输出和充放电能力 - 用于加速和再生制动。尽管我们开发的原理和方程适用于任何类型的混合动力汽车，但为了简化我们在此仅讨论带有内燃机和电池的现代混合动力车。
在本文写作时，大规模生产中的混合动力车（丰田普锐斯，本田洞察和城市混合动力车）的机械驱动比电驱动功率大（约75-25％），安装小电池（1-2千瓦时）以及没有电网连接。这种组合使当今最常见的混合动力车不适合V2G发电。即将到来的“插电式混合动力汽车”有两个重要的添加：一个容量扩大的电池和一个充电插头[5]，就像试生产的DaimlerChrysler Sprinter [6]一样。更大的电池（6千瓦时或更大）允许电驱动模式运行至少20英里，这种模式具有燃油成本低，家用加油方便和零排放的优点。
就V2G而言，插入式混合动力车具有用于其运输功能的电网连接以及容量足够大的电池以仅从电池提供V2G。在本文中，我们对混合动力车的分析仅涵盖插电式混合动力车。插电式混合动力车既可以作为电池车提供V2G（即在V2G时不使用ic发动机），也可以作为电动发电机（在停车时使用燃料进行V2G发电）。
我们接下来定义相关的电力市场，然后开发V2G的基本方程。
- 电力市场
电力分为几个不同的市场，并有相对应的控制制度。本文讨论其中的四个：基本负荷电力，峰值电力，旋转储备和调节。它们在控制方法，响应时间，功率调度持续时间，合同条款和价格方面不同本文尤其关注旋转储备和调节，这些必须在请求提出的几分钟或几秒钟内传输电力。所有这些电力资源都是通过集成电力公司或独立系统运营商（本文这里指的是模拟器长期的“电网运营商”）实时控制的。本文的配套文章讨论了一个额外的近期电力市场，它是可再生能源的储存，可以近似为现有市场的组合。
电网控制的术语和细节在各个国家甚至在联邦制国家的不同辖区有所不同。尽管我们借鉴了美国的标准，市场和术语[7,8]，但任何大型电网都需要相同类型的基本控制和电力响应。
4.1. 基本负荷电力
基本负载电力是全天候提供的。在美国通常来自每千瓦时成本较低的大型核电或燃煤电厂。基本负载电力通常是以相对较低的每千瓦价格，稳定生产的长期合同售出。V2G已经在多个市场进行了研究[9-13]，研究表明EDV不能以有竞争力的价格提供基本负荷电力。这是因为基本负载电力放大了EDV的缺陷：能量存储有限，设备寿命短和每千瓦时能量成本高；同时又没有利用它们的优势：响应速度快，待机成本低，每千瓦基建费用低。
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- 峰值电力
峰值电力是在预计电能消耗水平高的时候产生或购买的，例如炎热的夏季下午。峰值功率通常由发电厂生成，这些发电厂可以在等较短时期内接通，例如燃气轮机。由于峰值电力通常每年仅需要几百小时，因此即使产生的每千瓦时电能更昂贵，利用基建费用较低的发电机在经济上是更合理的。早先研究表明，在某些情况下V2G峰值电力在某些情况下是经济的[9,11,14,15]。峰化单元需要的时间可以是3-5小时，对于V2G是可以达到的，但由于车载存储的限制却很困难。如果电能是从一系列车辆中顺序获得的，或者如果有家庭燃料（比如天然气）等其他可作分析的选项[14]，车辆则可以克服这种能量储存限制，但在本文中没有介绍。
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- 旋转储备
旋转储备指可以在电网运营商要求的10分钟内快速提供电力的额外发电容量。提供旋转储备的发电机以低速或部分速度运行，因此已经可以同步到电网。（旋转储备是最快的响应，因此也是最有价值的运行储备类型; 运行储备是“可用于在发生意外事件如生产损失时提供服务”[16]。）
旋转储备是按照它们可用和准备就绪的时间来支付的。例如，一个1MW的发电机在24小时内保持“旋转”并准备就绪，即使没有实际产生能量，但仍将以1MW-天的速度出售。如果调用了旋转储备，则需要额外支付发电机实际输送的能源的额外金额（例如，根据当时电力的市场清算价格）。1小时的可用电力容量具有单位MW-h（意思是1小时可用1MW的容量），不应该与MWh混淆，MWh表示1个小时内流动1MW的能量。
这些合同安排对EDV是有利的，因为它们以“旋转”几个小时来计价，仅仅当被插入时，而它们的发电时间却相对较短的。旋转储备合同限制了调度的次数和持续时间，每年20次调度，通常每次调度最长1个小时[17]。随着旋转储备调度时间的延长，从通常10分钟呼叫到最长的合同要求2小时，燃料车辆相较电池车辆有更大优势，因为它们通常具有更多的能量存储容量以及，当燃料偶然地被V2G耗尽时，可以快速加满燃料以驱动。
和调节（下文讨论）一样，旋转储备是被称为“辅助服务”或A /S的电力形式。在美国，辅助服务每年大约120亿美元[18,19]，占电费的5-10％，其中80％的花费为调节[20]。
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- 调节
调节也被称为自动发电控制（agc）或频率控制，用于通过匹配发电到负载的需求来精确调节电网的频率和电压。调节必须在电网运营商的直接实时控制之下，发电机组必须能够从电网运营商的计算机接收信号，并通过增减发电机的输出在一分钟内做出响应。取决于电力市场和电网运营商，调节可能会与更慢的调整重叠，或被更慢的调整补充，更慢的调整包括“平衡服务”（小时内和每小时）和/或“负荷跟踪”。本文仅分析调节，但V2G对于其他一些服务也可能是适用的。
一些市场将调节分为两个要素：一个是从基准水平往上增加发电能力，另一个是从基准水平往下降低的能力。这些通常分别被称为“上调”和“下调”。例如，如果负载超过发电量，电压和频率下降，则表示需要“上调”。发电机可以通过合同提供上调或提供下调，或者两者都在相同的合同期间提供，因为两者不会同时被请求。市场根据允许的上下调组合中有所不同，例如，PJM Interconnect合同规定了上调和下调的时间相等，而加州独立系统运营商（CAISO）更为典型，合同允许只有一种调节或者非对称的调节（例如，上调1 MW和下调2 MW）。
调节是通过与电网运营商的直接连接自动控制的（同义词“自动发电控制”由此产生）。与旋转储备相比，它被调用的更加频繁（比如每天400次），需要更快的响应（不到一分钟），并且需要持续时间更短（通常一次几分钟）。
为调节而调度的实际电能是可用的总电能和合同总电能的一部分。我们将展示这个比率对于V2G的经济性很重要，所以本文定义“调度对合同”的比例为
（1）
其中，为调度对合同的比例（无量纲），为在合同期内调度的总电能（MWh），为合同期限（h）。对于上调和下调分开计算。
我们发现这个比例没有被追踪或记录。我们请求了六家美国公用事业公司和电网运营商提供有关它的信息，但没有一家公司记录它，也不知道它的近似值;大多数不能容易地提供给我们需要的数据来计算它[14]。我们因此利用了短期的密集监测数据来自行计算这一比例
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