有序充电专题（一）：为什么需要电动汽车和有序充电(V1G／V2G)？
本文仅体现个人思考与观点，欢迎共同探讨
Q1：为什么需要电动汽车？
丰田汽车社长曾指责说：电动汽车并不环保
而根据清华大学的研究，2017年的纯电汽车碳排放的确略高于丰田卡罗拉，主要原因是燃煤发电过程需要排放大量二氧化碳[1]：
一直以环保作为卖点的电动汽车，其实是伪概念吗？
并不是
电动汽车的环保特性，立足于2030/2060以清洁能源为主体的能源结构之上
中国2020年提出国家战略级“双碳”目标：2030年碳排放达到峰值，2060年实现碳中和。核心路径是通过光伏、风电等清洁能源，配合抽水蓄能电站、锂电池等电力储能单元，替代传统的石油、燃煤等污染较大的能源。风光发电的碳排放量仅有燃煤的1/10不到，且光伏发电的成本已达到上网平价阶段[2]，未来可期。
事实上，中国在“十三五”期间已经出台了大量政策鼓励发展光伏和风电：2015-2020年间光伏发电电量增长了约5倍，2021年风光发电总量预计超过总发电量的10%[3]。根据周孝信院士团队的预测，中国2030年非化石能源发电占比为47%，2060年为93%[4]。
可以预见，随着新能源发电占比提升，电动汽车出行的碳排放会迅速降低。2060年，汽车制造会占据全生命周期碳排放的主要部分。
相对的，传统汽车的能量来源是汽油/柴油，且效率仅有40%，原理上就需要排放大量的二氧化碳。
简而言之，电动汽车“清洁”的源头与基石，是可再生能源的迅速发展；
Q2：为什么配网需要电动汽车有序充电？
- 电动汽车用电量快速上升，导致配电网峰值用电负荷增加。
案例：假设小区内有2000辆电动汽车，平均电池容量50kWh（当前电量40kWh），均采用6.6kW的慢充充电，平均1.5小时即可充满。充电与小区居民用电高峰期完全重合，引起峰上加峰。[5]
峰值用电负荷上升会提高配电网改造成本，而有序充电可以缓解该问题。
单向有序充电策略(V1G)：不在1.5小时内充满电池，而是将充电功率平均到整个夜晚。不但可以降低配电网峰值功率[6]，还可以节约35%的充电费用。（江苏居民电价21:00-8:00谷时0.36元/kWh，8:00-21:00峰时0.56元/kWh[7]）
双向有序充电策略(V2G)：在V1G的基础上，增加了在用电高峰期向配网反向放电的功能。可以缓解配网峰时负荷压力。
Q3：为什么电力系统需要电动汽车有序充电？
- 有序充电可以提高电力系统的稳定性与可靠性
基础概念: 电力系统是一个巨大的功率/能量实时平衡系统（电以光速传播能量），总发电功率必须与总用电功率保持一致，否则会导致电力系统崩溃。
新能源发电极其依赖自然气候条件，可控性显著低于传统火力发电。例如，光伏在阴天、多云等天气下，受光照强度影响，具备难以预测的日波动性。如何在低可控、高波动性下保持稳定，是未来电力系统面临的最主要难题。(图引用自[8]
中国当前的风光发电占比约10%，处于阶段二，其波动性暂时没有显著的影响。但2030年将达到阶段三，风光发电占比将>20%，需要有灵活性电源+储能进行弥补，才能保持电力系统的实时平衡。集群控制下、有序充电的电动汽车，是优良的储能系统。
根据预测，2021年全国新能源汽车保有量600万辆，2030年预测保有量8000万辆[9]，年用电量将达3000亿千瓦时，相当于2030年全国预测用电量9.87万亿千瓦时的3%。理想情况下，对所有电动汽车的有序充放电进行集群控制，可以形成容量巨大的虚拟分布式储能电站。
当光伏、风力发电超过用电需求时，可以通过统一调度加快电动汽车平均充电速度；反之降低电动汽车充电速度。需要紧急用电时，甚至可以要求电动汽车反向对电力系统放电提供支撑。[10]
在荷兰、加州等新能源占比较高的国家/地区，电动汽车有序充电参与电力系统调节已形成初步的商业模式：充电运营商(JEDLIX)通过APP控制用户的充电行为，打包给虚拟电厂公司(next)；虚拟电厂公司(next)向输电系统运营商(Tennet)提供电力服务获取收益，并支付给充电运营商和车主。
总结：
有序充电(V1G/V2G)在配网和电力系统中都具备重要作用，但紧迫性有先后顺序。目前最紧迫的问题是充电桩数量不够，浅层原因是小区/商业区安装充电桩积极性不足，深层原因是升级配网容量的成本过高。
如前所述，通过单向有序充电(V1G)可以降低配网升级成本，因此是当前需求最大的应用场景。其他应用场景也会随着电动汽车保有量和新能源发电占比提升，逐渐由理论走向实践。
该专题下准备再写两篇文章：
- 探讨和比较有序充电的具体实现方式：快充/慢充、直流桩/交流桩、通信方式、商业模式等
- 探讨有序充电在实践上的难点：基础设施、商业模式、用户体验等
备注：
- 转载须征得作者同意，并附上知乎原文链接；
- 本文的图片与数据，部分来源于自己的绘制与测算，部分引用了文献与报告内容。引用但未标注来源说明我找不到原文了- -；
- 感谢提供帮助和支持的同事和朋友们！
