1、 联系我们自然资源保护协会（NRDC)中国北京市朝阳区东三环北路 38 号泰康金融大厦 1706邮编：100026电话 : +86- 10- 5927 Wilson Hui2016 年 9 月电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究 4电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究致谢此报告由国家发改委能源研究所、国家可再生能源中心、自然资源保护协会合作撰写。 上海市经济和信息化委员会、 上海市发展和改革委员会、 上海合煌能源科技有限公司、宝马（中国）服务有限公司、上汽安悦充电科技有限公司、上海市新能源汽车数据采集与监测研究中心、上海市电力公司对本报告研究提供
2、了数据及信息支持，在此表示感谢。特别感谢上海电器科学研究所阮於东教授、交通大学韩延民教授、美国三益公司（Energy & Environmental Economics） Frederich Kahrl 先生、上海腾天节能技术有限公司张皓先生、自然资源保护协会的 Roland Hwang 先生，Vignesh Gowrishankar 先生和Christina Swanson 博士对报告进行审阅并提出宝贵意见和建议。课题组刘 坚 | 国家发改委能源研究所、国家可再生能源中心金亨美 | 自然资源保护协会唐 莉 | 上海合煌能源科技有限公司自然资源保护协会 项目组游梦娜 李玉琦 刘明明 周晓竺 高
3、天健 秦思妍 米思易 雷泽诺 罗千真 感谢 ClimateWorks Foundation 对本研究的资金支持。1 总结摘要 12 电动汽车发展背景 42.1 电动汽车发展对电力系统的影响 42.2 电动汽车技术分类 62.3 电动汽车与电力需求响应 83 电动汽车充电负荷对上海市电网的影响 93.1 电动汽车数量规模 103.2 充电基础设施 113.3 上海市电力发展趋势 123.4 电动汽车充电量需求 15 3.5 电动汽车充电负荷特性 173.6 电动汽车充电对输配电网的影响 194 上海市电动汽车参与需求响应的潜力及经济性分析 214.1 上海市需求响应现状 214.2 电动汽车参与
4、需求响应的潜力 224.3 电动汽车参与需求响应的经济、环境效益 254.4 电动汽车 V2G 284.5 上海宝马互联驾驶研究院电动汽车储能项目 30目录5 电力市场及运营模式建议 315.1 电力体制改革与电动汽车 315.2 电动汽车商业运营模式对比 335.3 充电价格体系及其问题 346 研究总结 / 进一步研究建议 356.1 加强有序充（放）电技术研究 356.2 实施聚合式充电负荷调控 366.3 建立反映灵活性资源价值的市场环境 366.4 加快住宅及办公地点充电设施建设 366.5 研究制定充电价格体系 376.6 研究局限与展望 37附件 38电动汽车发展背景9发展电动汽
5、车是道路交通部门节能减排的关键途径，也是推动我国产业结构转型的重要动力。国家从科研投入、产业扶持、法规标准、推广应用等角度制定了一大批电动汽车发展扶持政策，并多次明确 2020 年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量达到 500 万辆的发展目标。受政策推动，近年来我国电动汽车市场快速增长，2015 年中国电动汽车销量超过 33 万辆，在汽车市场中占比达 1.34%，成为全球最大的电动汽车销量市场。电动汽车的普及将对电力系统运行带来多个层面的影响。首先，作为新型用电方式，电动汽车数量的提升势必增加用电量需求，特别是大量电动汽车集中在电网负荷高峰时段充电将显著增加电网负荷峰值，从而对系统容量及
6、安全稳定运行提出更高要求；另一方面，若采取有序管理或双向互动方式，电动汽车也可被视为系统需求响应乃至分布式储能资源。因此，大规模电动汽车的接入不仅可以降低新建电力基础设施规模，还可带来调峰、辅助服务等多种系统应用价值。然而，目前国内对电动汽车在电力系统中的应用潜力研究仍然不足，对大规模电动汽车接入电网后的负荷调节潜力及经济性缺乏定量分析。因此，本研究以上海市为研究对象，在电动汽车发展预测的基础上，评估了电动汽车充电负荷对上海市电网的影响，并根据上海市电力系统调峰需求与电动汽车用户出行特点，分别从电动汽车充电需求及负荷特性、电动汽车充放电调节潜力及经济性等方面进行了分析：本研究针对上海市电动汽车
7、发展设定了两种情景，即：常规发展情景下，到 2030年电动汽车年销量占全部汽车销量市场的 28%，电动汽车保有量达到 155 万；高速发展情景下，到 2030 年电动汽车销量占全部汽车销量市场的 43%，电动汽车保有量达到 245 万辆。充电量方面，在常规发展情境下，2030 年上海市电动汽车充电量需求约为 12.4TWh，占当年全市用电量的 7.4%；在高速发展情景下，全年充电量需求约为19.6TWh，占当年全市用电量的 11.2%。负荷特性方面，本研究基于上海市电动汽车数量增速预测及电动汽车用户出行行为调研，测算了电动汽车充电负荷曲线。结果显示，在随机充电情况下，电动汽车充电负荷将显著提升
8、傍晚电力负荷高峰，且全天峰谷差也将有所增加，从而对电网安全稳定运行造成一定压力。相比传统需求侧调节资源，电动汽车具有较强的充放电调节能力，特别当电动汽车技术得到普及时，电动汽车可能成为系统最重要的调节资源之一。因此，有序调节电动汽车充电负荷不仅可以降低电动汽车大规模接入对电网安全稳定运行带来的负面影响，还能提升系统灵活性。由于不同车型的出行特征及车型参数有明显差异，因此为深入分析上海地区电动汽车行为特征， 本研究分别对当地电动公交车、 电动出租车、 电动私家车、电动公务车、电动物流车等五类车型用户的有序充电潜力进行了分析。研究显示，在只考虑电动私家车、电动公务车两类车型的灵活性调节潜力的情况下
9、，采取有序充电之后，电网高峰负荷有一定程度降低，负荷峰谷差明显减小，且大部分充电负荷转移至凌晨负荷低谷时段。1 总结摘要总结摘要1图目录图 2-1 2006-2016 中国电动汽车销量及市场占比 5图 3-1 上海市新能源车数量规划规模 10图 3-2 2015 年上海市冬、夏典型日负荷曲线 12图 3-3 2015 年上海电力能源结构细分情况 13图 3-4 2020 年上海电网全社会用电量水平估计 13图 3-5 2020 年上海电网最高用电负荷水平估计 14图 3-6 两种情景下上海市 2020-2030 年电动汽车销量及保有量 16图 3-7 电动汽车充电负荷影响因素 17图 3-8
10、上海市各类乘用车充电时间概率分布 17图 3-9 两种情景下 2030 年上海市夏季电动汽车充电负荷 18图 4-1 上海市电动私家车、公务车停车及充电时间概率分布 22图 4-2 两种情景下电动汽车有序充电调节效果 24图 4-3 两种电动汽车发展情景私家车 / 公务车随机及有序充电负荷 24图 4-4 电动汽车参与需求响应经济性分析 25图 4-5 传统需求响应资源与电动汽车有序充电响应成本示意图 26图 4-6 电动汽车 V2G 成本下降潜力 29图 4-7 上海宝马互联驾驶研究院电动汽车及储能项目框架示意图 30 表目录表 2-1 国内典型插电式混合动力汽车关键参数 7表 2-2 国内
11、典型纯电动汽车关键参数 8表 3-1 电动汽车充电模式 11表 4-1 2030 年电动汽车需求响应下电网负荷 23表 4-2 三类电价情景下电动汽车充电调节效益 27表 5-1 国内典型电动汽车充电桩功率及价格 34充电需求及负荷特性充电负荷调节潜力2电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究3总结摘要电动汽车充电与传统需求响应资源存在很大差异。对于电动汽车而言，充电需求与出行需求在时间上是分离的，在车辆停驶时段内对电动汽车充电时间的调整并不会明显影响用户的出行行为，因此其需求响应的成本相比传统需求响应资源显著降低。本研究基于国外电动汽车充电价格弹性的研究成果，分析在上海市采用分时充电电价引导
12、充电行为的效果。研究发现，在有序充电技术成熟的前提下，现行上海市居民分时电价将对电动汽车用户的充电行为有明显的影响，即 70% 以上私家及公务车用户将在负荷低谷时段进行充电。对于电网企业而言，加大电动汽车充电峰谷电价差对降低上海市电网夏季高峰负荷有一定作用；相比之下，考虑到可再生能源发电的渗透率将不断提升，电动汽车充电的“填谷”的价值更为明显。对于电动汽车 V2G1而言，由于电池技术仍不成熟，市场环境亦不完善，经济效益仍然偏低。但从长远来看，随着电动汽车产业化加速，规模生产下电池成本有望显著下降，届时电动汽车与电网互动不仅能够带来可观的经济效益，还可实现巨大的社会和环境效益。通过上述分析可见，
13、随着电动汽车数量的日益提升，对充电负荷进行有序引导不仅能够降低大规模电动汽车接入对电网带来的负面影响，还可使其成为电力系统重要的调节资源。 而如何充分释放电动汽车在电力系统中的应用潜力， 取决于电力市场环境、有序充电技术、车辆商业运营模式（车辆共享、分时租赁等）、充电基础设施、充电价格体系等因素：我国现行的电力市场机制对电动汽车的充电引导显然不足。首先，电力计划调度无法体现系统灵活性资源的市场价值，有必要结合电力体制改革方向，在建立竞争性的电力现货市场以取代目前我国现行的计划调度方式的同时，研究制定反映电动汽车等灵活性调节资源系统价值的市场机制。例如建立以分时段电量交易的集中竞价现货市场，并适
14、当降低电动汽车参与电量与辅助服务市场的准入门槛。随着我国电力体制改革的深入和新型售电主体的形成，竞争性批发市场势必将不同时段形成的差异化市场价格传导至售电侧，各售电主体可通过负荷灵活调节技术实现对不同时段电能价值差异的套利，从而激励售电商和需求响应提供商采用电动汽车等高质量灵活调节资源。目前已建和在建充电设施的监控系统对有序充电的支持水平参差不齐，导致绝大多数电动汽车仍采取“即插即充”的充电模式。随着电动汽车的规模化应用，电动汽车有望作为分布式移动储能单元在能源互联网中发挥重要作用。 研究有序充放电技术，可以有效利用电动汽车储能特性，平抑电网负荷峰谷波动，提高电网接纳间歇性可再生能源的能力和运
15、行效率。因此，电网企业、电动汽车及充电设施制造商应协同研究电动汽车有序充（放）电技术，将充电网络作为配电网、车联网的有机组成部分，综合考虑充电设施和电网的规划、设计、建设和运营，推动电动汽车充电设施与电网协调发展。电动汽车充电具有明显的分散、随机、不确定的特点，大量分散的电动汽车随机充电负荷难以被精确预测和调度，也降低了其电力系统应用价值。引入充电服务商一方面可通过充电运营平台等信息化手段提高电动汽车充电负荷预测精度，一方面也可通过车联网等技术对电动汽车充电行为进行合理引导，从而大幅提升电动汽车作为负荷侧灵活性调节资源接入系统的置信度。但在具体实践中，如何实现负荷集成却仍面临众多挑战。例如：通
16、过什么样的策略和机制能够吸引足够的电动汽车参与集成，并保证车辆与电网的稳定和较长时间连接；聚集车辆在地理位置呈现何种分布，如何有效监测和控制运行信息；如何追踪每辆车内每块电池荷电状态（SOC）以及如何建立包含充电服务商的新型电力市场体制机制。这些问题都需要较长的探索过程。充电设施是电动汽车与电网之间的衔接点， 是决定电动汽车有序接入的关键因素。电动汽车的充电模式主要包括慢速充电、常规充电、快速充电、电池更换及无线充电，各种充电模式的发展也受到相应资源的限制，例如快速充电设施大规模建设受到电网容量和基础设施成本的限制；家庭充电桩受到固定停车位数量的限制；公共充电受到停车时间短的限制。因此，未来电
17、动汽车充电难以单纯依赖某一种充电模式，需要实现多种充电模式在不同场景间的互补。本研究发现，从提升电动汽车充电灵活性的角度而言，应优先建设住宅及办公地点充电设施，与此同时，应加快建设定时充电、智能充电软硬件设施，为电动汽车用户参与负荷调控营造便利条件。上海市现行电动汽车充电价格机制仍存在容量电价、电量电价和充电服务费三方面问题。例如，政府已明确要求电动汽车充电价格应参照充电设施所在场所分时 / 峰谷电价执行，但现实操作中，不论是住宅、办公地点专用充电还是公共停车场充电，充电费用往往依据充电电量收取，固定电价难以有效激励错峰充电行为；其次，目前电动汽车充电免收容量电费，而单一的分时电价难以充分反映
18、用户的容量成本，特别是对于住宅和办公地点配建的专用充电设施，其负载率相比其他用电负荷设备更低，在满足相同电量服务的前提下，电动汽车因此承担了较少容量成本，也不利于平抑集中充电下的尖峰负荷；电能费用方面，现行住宅分时电价对电动汽车充电行为具有一定有序引导作用，但也可能引发新的负荷高峰，且预设的固定分时电价也难以充分发掘灵活性资源的实时调节价值；充电服务费方面，现行的充电服务费执行单一价格上限，但目前交、直流充电设施成本差距巨大，单一价格机制显然无法形成对快速充电设施建设的有效激励，也不利于无线充电等新兴技术的产业化。因此，电动汽车充电价格机制设计应对容量电费、电能电费及充电服务费进行综合考虑，最
19、终的充电价格既要保持电动汽车相对于燃油汽车的燃料成本优势，弥补充电基础设施的初期投资，又要通过价格信号引导电网友好的充电行为，从而有效激发电动汽车用户参与系统服务，充分发掘电动汽车在电力系统中的应用潜力。充电调节经济性电力市场环境有序充电技术商业运行模式 1 V2G 是 Vehicle-to-grid（车辆到电网）的缩写。V2G 描述了电动汽车与电网的关系，即当电动汽车不使用时，车载电池的电能销售给电网的系统；若车载电池需要充电， 电流则由电网流向车辆。 目前包括美国特拉华大学、太平洋天然气和电气公司（PG&E）、Xcel 能源公司、国家可再生能源实验室（NREL）和英国的华威大学等研究机构都
20、在持续进行 V2G 技术的研发与示范。充电基础设施充电价格体系电动汽车发展背景52 电动汽车发展背景2.1 电动汽车发展对电力系统的影响随着经济持续高速发展和城市化进程的加速，中国已经步入机动化时代，机动车保有量不断增加。2015 年全国汽车销量达 2460 万辆，全国汽车保有量已突破 1.7 亿辆1，汽车快速普及导致石油资源大量消耗及严重的污染物排放，实现汽车低碳化、电动化、智能化发展刻不容缓。电动汽车作为新一代的交通工具，在节能减排、减少对传统化石能源依赖等方面具备传统汽车不可比拟的优势。作为我国七大战略性新兴产业之一，电动汽车的发展在近年来受到了大力推动。国务院 2012 年出台的节能与
21、新能源汽车产业发展规划（2012 - 2020 年）提出，到 2015 年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到 50 万辆；到 2020 年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达 200 万辆、累计产销量超过 500 万辆 2。随后，国家发改委、财政部、工信部以及各地方政府陆续出台新能源汽车补贴3 , 4、免征购置税 5、免摇号6、免限行7、充电设施8及充电价格9方面的优惠政策，形成了完善的战略规划、行业管理、推广应用、税收优惠、科技创新及基础设施政策扶持体系，有力带动了我国电动汽车产业的迅速成长。2015 年全国电动汽车销量达到 33.1 万辆2，接近 2014 年销量的
22、4 倍，占全国汽车总销量的 1.32%。2015年全国新能源汽车保有量达到 58.32 万辆，其中纯电动汽车保有量 33.2 万辆，相比 2014 年增长317%10。2016 年 1- 6 月，全国纯电动汽车销量 12.6 万辆，插电式混合动力汽车销量 4.4 万辆，同比分别增长 127% 和 162%11（图 2 - 1）。作为新能源汽车示范推广城市之一，上海市电动汽车数量近年来呈现高速增长趋势。根据上海市新能源汽车公共数据采集与监测研究中心的统计，2015 年上海市新能源汽车推广应用 46507万辆，其中纯电动汽车 10574 辆，占比 22.7%；插电式混合动力汽车 35933 辆，占
23、比 77.3%。2011年至2015年， 全市累计推广新能源汽车57970辆， 位居全国第一， 其中纯电动汽车13794辆，占比 23.8%；插电式混合动力汽车 44176 辆，占比 76.2% 12。随着电动汽车的大规模普及，其大规模接入将对电力系统的运行和规划产生不可忽视的影响。首先，电动汽车充电将导致负荷增长，若大量电动汽车集中在负荷高峰期充电，将进一步加剧电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担，对系统运行的可靠性和经济性产生负面影响。其次，电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性，使得电动汽车充电负荷具有较大的随机性，加大了电网调度的调控难度。第三，电动汽车充电负荷属于非线性负荷
24、，所使用的电力电子设备将产生一定的谐波，有可能引起电能质量问题。电动汽车较大的充电功率也会影响配网电压，并可能导致三相不平衡。第四，在配电网中增加众多充电设施将改变配电网负荷结构和特性，传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车大规模接入的情景。另一方面，考虑到电动汽车停车时间长、动力电池分布式储能的特点，电动汽车用户可结合日益成熟的主动配电网技术，根据电网的运行状态，如负荷水平、新能源出力、电价等信息，灵活调节电动汽车充电负荷功率，最大限度地减小电动汽车大规模接入对电网产生的负面影响，实现系统负荷的削峰填谷，并向系统提供调频与备用等辅助服务，从而推动传统电力系统的“供给跟随负荷”的运行控制方
25、式逐步向“供给与负荷协同运行”方式转变。2 其中纯电动汽车 24.8 万辆，插电式混合动力汽车 8.3 万辆。图 2 - 1 2006 - 2016 中国电动汽车销量及市场占比35000030000025000020000005000001.6%1.4%1.2%1.0%0.8%0.6%0.4%0.2%0.0%销量（辆）汽车销量占比（）2006200720082009200016（1- 6）插电式混合动力汽车纯电动汽车电动汽车合计市场占比6电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究电动汽车发展背景72.2 电动汽车技术分类插电式混合
26、动力汽车上海市目前在售的电动汽车以插电式混合动力技术为主，占 2015 年电动汽车总销量的 77.3%。插电式混合动力电动汽车（PHEV）可使用外部电网充电，并可单独依靠电池就能满足短途出行（如 50 公里 / 次）需要。当动力电池电量耗尽后，仍然可像传统混合动力汽车一样开启车载内燃机继续工作。插电式混合动力汽车的主要优点包括：相比传统混合动力汽车有更长的纯电动行驶距离，可以满足一般通勤等日常出行需求。在长途出行情况下，车辆则使用内燃机提供能量，方便性与传统汽柴油车相同。PHEV 与纯电动车同样可利用晚间用电低谷时段为动力电池充电，利用储存电力减少发动机抵消运转，改善发电机组运行效率，节省燃料
27、，降低化石能源依赖和石油进口，减少温室气体及污染物排放。插电式混合动力汽车的工作模式一般分为两个阶段：（1）电量消耗模式（Charging Depleting Mode，CD）在电池组充满电（SOC（剩余电量）=100%）后的初期行驶阶段，车辆完全依靠电池电量行驶，电池组 SOC 波动下降，电量不断消耗，直到达到预设值（如SOC=50%）为止。（2）电量保持模式（Charging Sustaining Mode, CS）在电池组电量降低到一定水平（如 SOC=50%）后，车辆进入混合动力模式，此时发动机与发电机共同工作，SOC 基本保持在稳定水平。在纯电动汽车市场化发展初期， 充电设施和充电网
28、络不健全， 纯电动汽车充电不便，进而限制了纯电动汽车的出行半径。 插电式混合动力汽车使用传统内燃机为车辆续航，弥补了电池续航能力及充电设施不足的缺陷， 是一条较为实际可行的过渡型技术路线。插电式混合动力汽车技术上与纯电动汽车已较为接近，但由于纯电里程要求较短，搭载电池容量较小，相较长续驶里程纯电动汽车成本优势明显。表 2 - 1 国内典型插电式混合动力汽车关键参数纯电动汽车纯电动汽车是指单纯从车载储能装置（车载动力电池、超级电容、飞轮电池）获得电力， 以电机驱动的车辆。 根据车速的不同， 可将纯电动汽车分为低速纯电动汽车 （小于 40km/h），中低速纯电动汽车（40 - 70km/h），中高
29、速电动汽车（70 - 100km/h）和高速纯电动汽车（大于 100km/h）。根据用途的不同，纯电动汽车还可分为纯电动轿车、纯电动客车、纯电动货车、以及一些特殊用途车辆（包括邮政用车、环卫用车、物流车辆、工程用车、高尔夫球车、游览车等）。由于纯电动汽车完全由电能驱动，电作为唯一能源载体可实现一次能源多元化，减少甚至摆脱对石油的依赖，且纯电动汽车在使用阶段没有任何温室气体排放。此外，分散的动力电池具有电力系统分布式储能的应用潜力，有助于提升电力系统低碳高效运行能力，促进电力系统智能化转型。然而，纯电动汽车目前还存在一些技术问题，首先是动力电池的比能量（单位质量电池能量）低，导致其单次充电下续驶
30、里程较短。第二，充电时间过长，导致车辆的机动性能较差。第三，动力电池成本较高，成为长期制约（纯）电动汽车技术推广的瓶颈之一13。电动汽车技术类型直接影响车辆对电力系统的影响。目前电动汽车技术包括四大类：1，混合动力汽车（HEV），其动力电池容量较小，主要用于提高发动机能效及制动能量回收；2，插电式混合动力汽车（PHEV），其动力电池可直接通过外部电网充电；3，纯电动汽车（BEV）不安装发动机，车辆完全由动力电池驱动；4， 燃料电池汽车（FCV），通过氢燃料电池发电驱动车辆。传统混合动力汽车无需充电，与电网没有直接联系，燃料电池汽车成本较高，目前推广数量较少。因此，以下研究将主要围绕插电式混合动
31、力汽车和纯电动汽车展开。电机功率（kW）发动机功率（kW）电池容量（kWh）纯电动续航（km）百公里电耗（kWh/100km)BMWi 3 Plug-in3.3BMW 530Le plug-in hybrid7017711.45819.7BYD 秦8.6BYD 唐11015118.48023.0Prius Plug-in60734.42319.1上汽荣威 Plugin550678011.85820.3电动汽车发展背景98电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究电动汽车将为电力需求响应的发展起到重要的推动作用：首先，电动汽车是电力的新生消费，电动汽车的
32、大规模接入带来了大量潜在电力需求，推动了终端能源消费的电气化和信息化。第二，电动汽车配备充电数据监控及计量装置，用户可通过车载电脑安排充放电计划，通过车载通讯系统与充电设施通讯，以满足充放电信息的监控、计量和交易，降低了需求响应通信、计量基础设施投入。第三，随着低碳交通等概念的兴起，车辆租赁、车辆共享等新生商业模式不断涌现，电动汽车集成运营商为需求响应市场供了竞争实体。第四，电动汽车集成运营商的引入，将整合终端用户、电力零售商、配电网等不同市场参与者的角色，有助于协调各利益相关方之间复杂的利益分配机制设计问题。第五，电动汽车用户对充电价格的接受程度相对较高，其价格上限可类比传统燃油成本，较大的
33、电价调节空间为开展需求响应奠定了基础。综上所述，融合新兴商业运营模式的电动汽车有望成为需求响应的龙头，进而带动能源互联网的发展。续航里程（km）电机功率（kW）电池容量（kWh）电池容量（kWh/100km）北汽 EV2002005330.415.2 日产启辰晨风175802413.7 腾势3008647.515.8 江淮 iEV51705023.313.7 众泰知豆15218159.9 荣威 e50170522212.9 比亚迪 e6400908220.5 表 2- 2 国内典型纯电动汽车关键参数2.3 电动汽车与电力需求响应3 电动汽车充电负荷对 上海市电网的影响 电动汽车的普及将对电力系
34、统运行带来多层面的影响。首先，作为新型用电方式，电动汽车数量的提升势必增加用电量需求，特别当大量电动汽车在电网负荷高峰时段同时充电，将显著增加电网负荷峰值，从而对电力系统发输容量及安全稳定运行提出更高要求；另一方面，若采取有序管理和双向互动的方式，电动汽车也可被视为电力需求响应乃至分布式储能资源。此时，大规模电动汽车的接入不仅可以降低新建电力基础设施的投资成本，还可实现负荷削峰填谷、辅助服务等多重电力系统应用价值。目前，插电式混合动力汽车（PHEV）和纯电动汽车（BEV）都具备与电网进行互动的潜力。国内外科研领域近年来也对电动汽车并网对电力系统的影响展开了多方面的研究：1）电动汽车充电负荷对电
35、力系统的影响。电动汽车充电负荷涉及电动汽车用户的用车行为、停车行为、充电时间、充电方式、车型种类等多种因素。由于目前电动汽车发展仍处初期，针对电动汽车用户的数据收集较为有限，研究一般通过建模仿真分析电动汽车充电电量和负荷特性。目前研究主要基于电动汽车数量规模预测或假设，在考虑电动汽车用户行为及电网运行的前提下，分析电动汽车充电对用电负荷、电网经济运行调度、电能质量、配电设备等方面的影响 14，15 ，16，17 。 2）电动汽车储能在电力系统中的应用。电动汽车充电不仅提升了电网负荷，基于系统运行环境的电动汽车有序充电将帮助电网平抑高峰负荷、提高系统运行效率、降低系统容量投资成本及提高系统运行灵
36、活性等18，19 ，20，21 。此外，电动汽车的动力电池还可作为分布式储能单元，通过向电网或其他用户反向馈电，进一步提高电动汽车在系统中的应用价值 22，23，24。目前的研究主要包括电动汽车有序充电控制和电动汽车与电网互动（vehicle to grid，V2G），也有文献称为单向 V2G 和双向 V2G。 3）电动汽车充放电成本效益研究。电动汽车有序充电及储能的实际应用效果取决于电池充放电成本及其对电力系统服务的收益。目前这方面的研究集中在电动汽车参与电力市场辅助服务和需求响应的经济性分析25，26 ，27 ，28 ， 29。本研究基于国内外相关研究基础，以上海市为研究对象，分别从电动汽
37、车充电需求及负荷特性、电动汽车充放电调节经济性、电力市场环境、商业运行模式、充电设施及充电价格等五个方面对电动汽车在电力系统的应用价值进行了分析。11电动汽车充电负荷对上海市电网的影响 10电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究3.2 充电基础设施电动汽车的充电模式主要包括慢速充电、常规充电、快速充电、电池更换及无线充电。国家能源局 2012 年 3 月 1 日起实施了四项电动汽车充电接口和通信协议。根据其中的电动汽车传导式接3.1 电动汽车数量规模电动汽车数量规模上限取决于当地车辆销量及车辆总需求。上海是国内首个采用车牌指标拍卖控制机动车总量的城市，近年来每年新增小客车总规模在 35 万辆
38、左右，到 2015 年底，全市机动车保有量达 334.04 万辆 3，其中汽车 291.08 万辆，较上年净增 29.53 万辆，小型载客汽车达 247.42万辆，其中私家车占比 83.82%，每百户家庭约拥有 52 辆私家车30。目前在上海市场上销售的电动汽车生产企业达到 33 家，车型达到 64 种，电动汽车产品全面推向市场。在沪牌免费等政策的驱动下，上海市新能源车辆销量增长迅猛。2015 年全市推广应用新能源车辆 46507 辆，同比增长 3倍多，其中电动乘用车 42227 辆，包括私人车新增 29085 辆，租赁车新增 4194 辆，公务车新增8292 辆。尤其是在 2015 年 12
39、 月份，受企业年末推广力度加大、区县购车补贴政策到期等因素影响，电动汽车销售出现爆发式增长，当月汽车上牌量超过 1.4 万辆，其中电动乘用车约 1.3 万辆。在售后网络布局方面，上海市已建成维护网点 131个，其中乘用车 80 个，商用车及专用车 51 个。截止 2015 年底，全市共累计销售各类电动汽车57666 辆，其中新能源乘用车约 51754 辆。根据上海市电动汽车充电基础设施专项规划(2016 - 2020)，到 2017 年上海市电动汽车总数将达到 13.1 万辆，其中电动私人车 85000 辆，电动公务车24000辆， 电动公交车将达到4700辆 ；到2020年上海市电动汽车总量
40、将达到26.3万辆，其中电动私人车 172000 辆，电动公务车 49000辆，电动公交车将达到 8000 辆31。上海市电动汽车发展规划如表 2 - 1 所示。口 标准规定32 ， 我国的充电模式分为慢速充电 （充电模式 L1），常规充电（充电模式 L2），快速充电（充电模式 L3），如表 3 - 1 所示。充电模式额定电压（V）额定电流 （A） 充电功率（kW）适用场所L1单相交流 220163.5住宅L2-1L2-2L2-3单相交流 220327住宅、办公地点、公共停车场、公交场站三相交流 3803212.2三相交流 3806424.3L3直流 600300180高速公路服务区各种充电模
41、式都有其对应的应用领域，例如慢速充电和常规充电适合在居民小区、商业地区公共停车场推广建设，而快速充电适合在高速公路沿线服务站推广建设。各种充电模式的发展也受到相应资源的限制，例如快速充电设施大规模建设受到电网容量和基础设施成本的限制；家庭充电桩受到固定停车位数量的限制；公共充电受到停车时间短的限制。因此，未来电动汽车充电难以单纯依赖某一种充电模式，需要实现多种充电模式在不同场景间的互补。截至 2015 年底，上海市已建各种充电桩共计2.17 万个，其中住宅建设的私人充电桩超过 1.65万个，机关、企事业单位专用充电桩约 0.32 万个，公交、物流专用桩约 0.08 万个，社会公用充电桩约 0.
42、12 万个。然而，目前充电设施建设受到停车场地不足的制约。上海市中心城区停车矛盾突出，居住类夜间停车缺口比例达 52%，特别是早期建设的居住区，停车矛盾尤为严重。目前上海市各充电设施建设运营单位都各自开发了自主运营的平台，支付手段多样，但在全市范围内未形成统一的公用充电设施信息服务平台，缺乏统一、易识别、开放、便捷的支付平台。根据上海市电动汽车充电基础设施专项规划（2016 - 2020），上海市规划构建覆盖全市的充电设施服务网络与充电设施服务走廊，满足各类地区新能源车辆发展与使用的基本需求。至 2020年，全市新能源车辆充电桩规模至少达到 21.1 万个。未来充电设施发展将以自（专）用为主，
43、公用为辅、快慢结合，逐步在市域范围内形成以住宅小区、办公场所自用、专用充电设施为主体，以公共停车场、独立充电站等公共充电设施为辅的充电服务网络，并形成城际高速公路为轴线的公共充电设施服务走廊，其中自用、充电设施以慢充为主，专用充电设施采用快慢结合方式，公共充电设施以快充为主。为鼓励社会资本对充电设施建设的投资，上海市计划对专用、公用充换电设备，给予投资及运营补贴4。4 30% 的财政资金补贴；公交、环卫运营补贴 0.1 元 / 千瓦时，并设补贴上限。表 3 - 1 电动汽车充电模式图 3 - 1 上海市新能源车数量规划规模租赁车公务车物流车公交车环卫车客车私人车2000001600001200
44、0080000400000销量（辆）201720203 包括二/三轮摩托车。13电动汽车充电负荷对上海市电网的影响 12电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究3.3 上海市电力发展趋势上海的电力能源结构相对单一，其中火电由煤电、燃油、燃气以及综合利用燃料组成。图 3 - 3 为 2015 年上海本地电源结构，其中包括 65% 的燃煤机组、26% 的燃气机和 3.6% 的燃油机组。此外还有综合利用火电的机组，这些机组主要是将城市垃圾焚烧、有机垃圾填埋气发电等环保用途的电源。5 2014 年 7 月 26 日（周六）日用电量为 4.52 亿千瓦时，7 月 30 日（周三）用电量为 5.08 亿千
45、瓦时电力消费和电源结构上海电网整体负荷水平一直居于中国前列，最近几年在电网的建设方面逐步趋于饱和，负荷水平基本保持稳定33。从上海电网的典型负荷曲线可以归纳出上海电网负荷水平的两个典型特性，第一是电网日负荷的峰谷差较大，第二是年度负荷水平基本稳定，冬夏负荷水平差距较小。这说明上海居民和第三产业负荷比重较大，与人员活动的规律有很强的相关性。上海电网的年度负荷水平呈现冬高峰和夏高峰，其中夏高峰对电网安全的影响较大。上海电网周末的负荷变化规律与工作日的相差不大，工作日与周末的用电量总体相当5。总体而言，上海电网用电量较为平稳的特征充分体现了上海的产业结构和发展特点，由于第三产业占比较高，金融、服务业
46、占社会经济总量的比重显著上升，人口总量也基本保持平衡，因此用电量呈现平稳的特点。“积极引入外部清洁能源、减少本地机组排放”是近年来上海电力能源发展的核心策略，但同时也给本地电网调度运行和管理带来前所未有的挑战。近年来，上海电网消纳我国西南水电来电容量持续上升并达到 1200 万千瓦，外来清洁电力的受电比例在部分时段高达 70%。大规模清洁电力馈入叠加上海特大城市电网峰谷用电特性，上海本地机组调停压力因而显著增加，电网强馈入、弱开机格局形成34，提升需求侧灵活性调节能力势在必行。用电需求预测近年来，上海市用电需求增速逐步趋缓。根据上海“十二五”电力规划预计，2015 年上海电网最高负荷可以达到
47、3700 万千瓦，年度用电量可以达到 1715 亿千瓦时，但 2015 年上海电网实际最高负荷 2982 万千瓦，用电量也仅为 1405 亿千瓦时，与规划水平差距较大。根据中经网的统计数据，可绘制出上海电网历年用电量曲线，并基于历史数据对 2020 年和 2030 年的用电量数据进行估计（图 3 - 4）。图 3 - 2 2015 年上海市冬、夏典型日负荷曲线来源：上海合煌科技，2015.上海市电力负荷（MW）2015 年 7 月 30 日2015 年 12 月 15 日30000280002600024000 22000 20000 4000123
48、45678983152124图 3 - 3 2015 年上海电力能源结构细分情况燃煤燃气 燃油 综合利用风电 单位：MW8723.6%743.13.1%563.352.3%1560664.7%631826.2%图 3 - 4 2020 年上海电网全社会用电量水平估计20012006 20112016电量（亿千瓦时）2500 2000 1500 1000 5000 本地发电量 全社会用电量“十二五”规划预计 用电量增长趋势15电动汽车充电负荷对上海市电网的影响 14电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究从图中可以明显看出上海市全社会用电量已经出现了趋
49、于饱和的势头，而且 2015年上海第二产业用电量同比下降 1.4%，出现 40 年来的首次负增长，所以用饱和趋势对上海市的用电量进行预估相对合理。直接对数据进行二次拟合可以预计 2016 年全年上海市用电量增速不会超过 1.6%，而且增长率将逐年下降，按此水平预计 2020 年上海用电量约为 1458 亿千瓦时。将 2020 年的用电量预测值作为负荷自然增长的规律估计依据，年度平均增长率大约为 0.7%，则 2030 年上海市的年度用电量大约为1560 亿千瓦时。最高负荷的情况与用电量指标相似，由于国家经济转型和用电供需形势的变化，上海电网最高负荷在经过“十一五”期间的高速增长后，在“十二五”
50、期间的增速已经放缓，因此可判断未来 5 年内到 2020 年，上海电网的最高负荷增长速度将进一步放缓，并逐步趋于饱和（图 3- 5）。根据上海市统计局公布的数据35，虽然 2015 年上海电网负荷达到历史最高水平，但是从 2011 年开始上海电网最高负荷一直呈现震荡的趋势，且已偏离电上海市“十二五”电力规划中最高负荷的预计。若按照指数规律对饱和趋势进行预测，到2020 年上海电网最高负荷为 3040 万千瓦，到 2030 年上海电网最高负荷为 3290万千瓦。用电需求增速放缓虽然一定程度上降低了供电容量需求，但也意味着上海市本地系统调节空间进一步缩小，导致外来清洁能源电力与本地电源之间的矛盾更
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