新能源汽車下鄉(xiāng)背景下光儲充荷協(xié)同關鍵問題研究
黃碧斌、間湖 國網(wǎng)能源院新能源研究所
一、農(nóng)村將成為新能源汽車消費重要增長極，一方面電網(wǎng)重要性愈發(fā)凸顯，一方面也給農(nóng)村電網(wǎng)建設運行提出更高要求
新能源汽車消費呈現(xiàn)從大城市向中小城市快速延伸態(tài)勢。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2022年我國三線及以下城市新能源汽車銷量占比最高（見圖1），達32.5%，較2015年上升23.1個百分點。根據(jù)開源證券數(shù)據(jù)，當前國內(nèi)一線城市新能源汽車滲透率1已超50%，大部分三、四線城市仍不足10%。
圖1 新能源汽車銷量占比變化（2015—2022年）
隨著國家政策大力推動，制約新能源汽車下鄉(xiāng)的問題將逐步解決，農(nóng)村將成為新能源汽車消費重要增長極。由于針對農(nóng)村的電動乘用車、電動小型貨車等產(chǎn)品體系尚不完善，疊加充電難等因素，目前農(nóng)村新能源汽車消費意愿不高，滲透率還相對較低。5月5日國務院常務會議審議通過了加快推進充電基礎設施建設、更好支持新能源汽車下鄉(xiāng)和鄉(xiāng)村振興的實施意見（以下簡稱《意見》），6月2日國務院常務會議再次強調(diào)構建高質量充電基礎設施體系。隨著農(nóng)村人均收入提升、鄉(xiāng)村旅游發(fā)展，在農(nóng)村充電基礎設施加快建設利好政策驅動下，預計農(nóng)村新能源汽車將快速增長，2025年有望超過1000萬輛。
綜合研判，新能源汽車下鄉(xiāng)可為農(nóng)村電網(wǎng)提供潛在的光伏消納空間和可調(diào)節(jié)資源，但也對農(nóng)村電網(wǎng)建設運行提出了更高要求。
一是與“三平衡”“三用電”的基本要求一致。新能源汽車充電具有“時間有彈性、行為可引導、規(guī)律可預測”的特點，負荷調(diào)節(jié)潛力較大。在政府有效政策強力引導下，新能源汽車下鄉(xiāng)后可參與需求響應和有序用電、促進農(nóng)村新能源就地消納，是在農(nóng)村開展“三用電”“三平衡”的典型實踐。
二是愈加凸顯電網(wǎng)的重要性，可在服務鄉(xiāng)村振興和推動農(nóng)村生產(chǎn)生活方式綠色低碳轉型中發(fā)揮更大作用。充電基礎設施既是電網(wǎng)的售電終端，也是電網(wǎng)的供電延伸，其廣泛布局離不開電網(wǎng)支持。電網(wǎng)還是支撐農(nóng)村新能源汽車參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重要平臺，有力支撐農(nóng)村綠色出行。
三是對農(nóng)村電網(wǎng)支撐保障能力、車樁網(wǎng)協(xié)調(diào)互動水平提出更高要求。目前農(nóng)村低壓電網(wǎng)典型設計的戶均容量為4千伏安，低于電動汽車充電樁7千瓦的充電功率需求。若按照“一戶一樁”進行充電基礎設施建設，農(nóng)網(wǎng)低壓戶均容量、進戶線線徑不足等問題將直接凸顯?！兑庖姟诽岢觥巴茝V智能有序充電等新模式”，要求農(nóng)村電網(wǎng)具備柔性互動能力。農(nóng)村電網(wǎng)的升級改造既要提升戶均容量，還要提升可觀可測可控可調(diào)能力。
二、基于實地調(diào)研中典型案例的定量測算，需從綜合供電成本的角度，統(tǒng)籌優(yōu)化充電基礎設施、光伏、儲能與電網(wǎng)的規(guī)劃和運行
新能源汽車下鄉(xiāng)要求加快農(nóng)村充電基礎設施建設，將帶來電網(wǎng)改造成本，但也具備促進光伏消納、降低限電損失、減少電網(wǎng)線損等潛力，有必要考慮綜合供電成本，對典型案例開展多場景定量測算，以此優(yōu)化規(guī)劃建設和運行策略。
選擇光伏滲透率較高的河北保定某典型農(nóng)村配電網(wǎng)，設置電網(wǎng)改造、充電基礎設施集中/分散布局、新能源汽車有序充電、配置儲能等場景，利用能源院自主開發(fā)的配電系統(tǒng)分析和優(yōu)化軟件（DSAP），分析新能源汽車下鄉(xiāng)帶來的影響以及與光伏、儲能協(xié)同的可行性。定量測算結果詳見附表，規(guī)律性結論如下。
（一）大規(guī)模無序分散建設充電基礎設施易引發(fā)低電壓、設備過載等風險，還導致大量電網(wǎng)改造，大幅增加局部地區(qū)供電成本
經(jīng)測算，在戶均配變?nèi)萘康陀?千伏安的農(nóng)村地區(qū)，樁戶比達到0.5～0.7后將面臨大面積配變重載問題，樁戶比達到0.7后將面臨大面積線路重載問題，樁戶比達到1的極端情況下配變最大負載率平均值超過100%。典型案例中，以戶均配電容量1.6千伏安、樁戶比0.5測算，電網(wǎng)改造成本增長近30%，折合臺區(qū)內(nèi)用戶度電成本增加0.053元/千瓦時。
（二）充分考慮農(nóng)網(wǎng)基礎條件和各地實際情況，通過優(yōu)化農(nóng)村充電基礎設施布局，集中與分散相結合，鄉(xiāng)村與鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路相結合，可有效兼顧設施投資運維成本和資產(chǎn)利用率，以較少的投入最大限度滿足充電需求
充電基礎設施分散布局可就近滿足充電需求，投資建設成本低，但較集中式布局存在設施利用率低、管理維護成本高、有序充電引導難等問題。典型案例測算顯示，相比單一集中式布局場景，“集中+分散”組合布局場景下臺區(qū)內(nèi)度電成本下降0.006元/千瓦時。因此，農(nóng)村充電基礎設施布局應充分考慮地區(qū)人口密度、負荷增長、電網(wǎng)容量裕度、道路建設等情況，合理優(yōu)化集中式與分散式布局配比，尤其是在充電需求密度高的社區(qū)、農(nóng)貿(mào)區(qū)、車站等開展集中式充電基礎設施建設。
（三）新能源汽車下鄉(xiāng)帶來的充電負荷特性與光伏發(fā)電出力特性匹配度差，僅一定程度利于光伏消納，整體效果并不明顯
一是發(fā)電和充電時間不匹配。農(nóng)村乘用車出行需求主要集中于城鄉(xiāng)通勤、走親訪友、個體經(jīng)營等，以白天使用、夜間充電為主；貨運車輛、農(nóng)機具均以商用為主，使用剛性較強，也以白天使用、夜間充電為主。以居住區(qū)為例，新能源汽車停駛時間常在17點到次日7點，充電時間常在17點到21點，與光伏發(fā)電時間主要在午間前后不匹配。典型案例中，電動車充電時段光伏發(fā)電量僅占全天發(fā)電量的約2%。
二是發(fā)電和充電量不匹配。當前，分布式光伏已背離“自發(fā)自用為主”初衷，基本采用全額上網(wǎng)模式，管發(fā)不管用，依賴電網(wǎng)集中消納，導致戶均裝機逐年增大。按照目前居民光伏戶均裝機約20千瓦、年利用小時數(shù)1000小時計算，全年發(fā)電量20000千瓦時。在農(nóng)村出行場景下，按照日均行駛里程5～15公里計算，新能源汽車用電量不超過2000千瓦時/年，不足光伏年度發(fā)電量的1/10。
（四）在車網(wǎng)互動尚未商業(yè)化推廣的過渡期，以“用”為重點，通過有序充電“軟機制”，可有效降低電網(wǎng)改造成本和線損，提升光伏消納水平，降低綜合供電成本，為此需政府加快出臺考慮農(nóng)村生產(chǎn)生活規(guī)律的分時電價機制
目前我國車網(wǎng)互動（V2G）尚處技術驗證和局部小規(guī)模試點階段，國網(wǎng)公司已累計建成V2G樁1213臺，僅占現(xiàn)有充電樁總量的0.025%。不過，有序充電當前已具備推廣條件，可利用分時電價等手段，引導新能源汽車在凈負荷4低谷時段充電、高峰時段放電，有效削峰填谷，促進光伏就地消納和電力供需就地就近平衡，降低綜合供電成本。典型案例測算顯示，“光伏+集中充電+分散充電”場景下，相較未實施有序充電情況，有序充電策略可使光伏限電率下降0.5個百分點，臺區(qū)內(nèi)度電成本下降0.004元/千瓦時。
但要注意，考慮農(nóng)村生產(chǎn)生活規(guī)律對充電特性的約束，如何設計有序充電引導機制仍是關鍵。例如，農(nóng)村出行時間相對城市上班族較為分散，新能源汽車充電時間更為彈性。
（五）在車網(wǎng)互動尚未商業(yè)化推廣的過渡期，以“儲”為重點，通過配置儲能“硬裝置”，可有效提升光伏和充電基礎設施的協(xié)同程度，提高電網(wǎng)對光伏和新能源汽車的承載力，但目前儲能成本仍較高，需因地制宜合理配置
對光伏發(fā)電出力特性與新能源汽車充電特性的不匹配問題，現(xiàn)階段除采用有序充電“軟機制”，還可考慮配置儲能“硬裝置”來提升協(xié)同程度。典型案例測算顯示，在“10%儲能+集中充電”場景下，光伏限電率較基準場景降低3.4個百分點，網(wǎng)損也有所下降，但因儲能成本仍較高，臺區(qū)內(nèi)度電成本增加了0.006元/千瓦時。
預計中長期儲能成本將持續(xù)下降，臺區(qū)內(nèi)光儲充荷協(xié)同或成為典型場景，農(nóng)村實現(xiàn)生產(chǎn)生活用電基本自足。
（六）為盡早實現(xiàn)車網(wǎng)互動的商業(yè)化推廣，需要加快新能源汽車和充電樁技術和機制創(chuàng)新，以“網(wǎng)”為平臺，充分發(fā)揮電動汽車的可調(diào)能力，促進源儲充荷高效協(xié)同
當前，電網(wǎng)互動（V2G）大范圍推廣還有賴于在技術標準、建設成本、聚合方式、價格機制、消費習慣等方面持續(xù)創(chuàng)新，需要出臺政策支持汽車和電池企業(yè)發(fā)展高循環(huán)、低衰減的電池，降低雙向充電樁價格。綜合行業(yè)預測，2030年，全國電動汽車規(guī)模將達1億輛，若10%參與車網(wǎng)互動（V2G），按同時率0.2、單車充放電功率15千瓦、可使用30%-90%電池容量估算，可形成3000萬千瓦/7800萬千瓦時的儲能資源。
三，有關工作建議
一是加強農(nóng)村充電基礎設施與光伏發(fā)電、儲能配置、電網(wǎng)的規(guī)劃統(tǒng)籌，發(fā)揮協(xié)同效應。根據(jù)各地縣鄉(xiāng)公共充電網(wǎng)絡規(guī)劃，動態(tài)調(diào)整配電網(wǎng)規(guī)劃，加強與光伏發(fā)電和儲能建設的統(tǒng)籌。在新能源汽車下鄉(xiāng)較快地區(qū)，加快開展農(nóng)村配電網(wǎng)承載能力評估，引導充電基礎設施和光伏發(fā)電合理布局，在車站、景區(qū)、鄉(xiāng)村物流基地、居住聚集區(qū)建設集中式公共充電基礎設施。
二是加快推廣農(nóng)村新能源汽車有序充電，積極開展臺區(qū)內(nèi)光儲充荷協(xié)同試點示范。充分考慮農(nóng)村生產(chǎn)生活規(guī)律特點及各地實際情況，研究設計農(nóng)村有序充電引導機制，推動地方政府落實分時電價政策、拉大峰谷價差，積極引導新能源汽車有序充電。在光伏滲透率較高、新能源汽車密集的地區(qū)，試點開展臺區(qū)內(nèi)“光伏+儲能+充電基礎設施”協(xié)同控制、車網(wǎng)互動等技術應用。
三是因地制宜增強農(nóng)村電網(wǎng)對各類充電基礎設施的支撐能力。對于集中式充電基礎設施，按照“需求響應優(yōu)先、有序引導保底”的原則，積極引導參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)；按照調(diào)節(jié)潛力適度超前的原則，強化中高壓配電網(wǎng)網(wǎng)架。對于分散式充電基礎設施，經(jīng)濟發(fā)達鄉(xiāng)鎮(zhèn)的中心區(qū)域可參考城鎮(zhèn)要求，新建小區(qū)隨房地產(chǎn)開發(fā)建設即開展配套電網(wǎng)建設；老舊小區(qū)因地制宜有序實施改造工程；廣大農(nóng)村地區(qū)按需、及時開展中低壓線路改造、配變布點加密等工作。
附表 河北保定典型案例下綜合供電成本測算結果
