當(dāng)電動汽車遇上智能電網(wǎng)——變壓器的“災(zāi)難”
派克研究公司(PikeResearch)最近發(fā)布研究報告預(yù)測,全球電動汽車年銷量到2020年將達(dá)380萬輛,年增長率為40%。這種增長源于很小的基數(shù):沃藍(lán)達(dá)(Volt)電動汽車去年的銷量是23,461輛,只占美國新乘用車總銷量的0.33%。
雖然初始的數(shù)字很小,但這種趨勢值得關(guān)注,因為電動汽車拼圖的一些碎片終于拼合到了一起。日產(chǎn)公司(Nissan)剛剛宣布,其將在位于田納西州士麥那的制造工廠增加2013款聆風(fēng)(LEAF)全電動汽車的產(chǎn)量。聆風(fēng)電動汽車將在該工廠目前的天籟(Altima)和千里馬(Maxima)生產(chǎn)線上進(jìn)行裝配,旁邊就是日產(chǎn)公司制造燃油汽車的生產(chǎn)線,而隔壁就是美國最大的汽車鋰離子電池工廠。該公司的目標(biāo)是降低成本,并吸引到更廣泛的消費(fèi)者。
2012年全年,日產(chǎn)售出9,819輛聆風(fēng),美國市場的保有量為19,500輛,而在全球范圍內(nèi)是50,000輛。當(dāng)然,豐田公司(Toyota)向市場推出了普銳斯(Prius)插電式混合動力汽車,單在2012年的銷量就達(dá)到了12,750輛。事實上,插電式混合動力汽車的總銷量增加了兩倍,從2011年的17,500輛增至2012年的53,000輛。
當(dāng)電動汽車遇上智能電網(wǎng)——變壓器的“災(zāi)難”
與此同時,其他大型汽車公司——比如寶馬(BMW)和三菱(Mitsubishi)——推出的新產(chǎn)品也在進(jìn)入市場。另外,還有純粹的電動汽車公司,比如菲斯克(Fisker)和特斯拉(Tesla)。后者推出的ModelS——其售價為58,570美元,比之同級別的燃油汽車具有一定價格競爭力——剛剛被《汽車潮流》雜志(MotorTrend)評選為“2013年度汽車”,該雜志的評語是“這款2013年度汽車是美國有史以來生產(chǎn)的最快四門汽車之一。它開起來就像一輛跑車,迫不及待、敏捷,并且能夠瞬時響應(yīng)。然而,它同時也像勞斯萊斯(Rolls-Royce)一樣可以輕松駕馭,載物空間堪比雪佛蘭春分(Equinox),能效更勝豐田普銳斯一籌。
不管按照哪種標(biāo)準(zhǔn),特斯拉的ModelS都是一款真正非凡的汽車,也許稱得上原款雷克薩斯LS400之后最成熟的全新豪華汽車……究其核心,ModelS是一款真正不同尋常的汽車,而它補(bǔ)充燃料的方式恰好是充電?!保ㄟ@種評論表明,交通領(lǐng)域的替代技術(shù)已經(jīng)真正到來,它們不再是綠色環(huán)保的稀罕物,而已經(jīng)成為出色的交通工具。)
特斯拉不僅生產(chǎn)出了一款出色的汽車,該公司似乎也度過了產(chǎn)量的難關(guān)。在去年第三季度,該公司的產(chǎn)能從每周5輛提高到了每周100輛。到11月的時候,這個數(shù)字已經(jīng)達(dá)到每周200輛。特斯拉2013年的目標(biāo)是生產(chǎn)20,000輛電動汽車。
這樣,電動汽車時代的曙光似乎已經(jīng)開始降臨。不過,在這個方程式中,充電這一方面又是什么情況呢?這對我們的電網(wǎng)意味著什么?首先我們需要知道,消費(fèi)者對于電力耗盡的恐懼一直阻礙著電動汽車的普及,這就是所謂的“里程焦慮”(rangeanxiety),因為電動汽車無法像燃油汽車那樣補(bǔ)充一次燃料就能行駛數(shù)百英里,鋰離子電池還沒有那種能力。考慮到這一點,北美地區(qū)正在興建充電站網(wǎng)絡(luò)。針對這些充電樁正在出現(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn),但在選擇上仍然存在一定的混亂。
舉例來說,特斯拉就選擇沿著交通繁忙的路線建立自己的專有網(wǎng)絡(luò)。該公司目前擁有9座充電站——6座在加州,3座在東北部地區(qū)——并計劃到2015年建成100座。這些充電站將對特斯拉的消費(fèi)者免費(fèi)開放,但不支持其他電動汽車。與此同時,沃爾格林連鎖藥店(Walgreens)計劃建設(shè)800個充電樁,而其中400個已經(jīng)部署到包括費(fèi)城、巴爾的摩、坦帕以及俄勒岡州波特蘭在內(nèi)的18個區(qū)域。跟特斯拉的做法不同,這些充電樁有很多是按每小時1-2美元進(jìn)行收費(fèi)的。
就其本身而言,電力能源公司NRG正在采取激進(jìn)的大動作進(jìn)入這個領(lǐng)域。該公司通過eVgo提供充電網(wǎng)絡(luò)服務(wù),消費(fèi)者可以選擇支付19美元的固定月費(fèi),使用直流快速充電樁進(jìn)行充電,快充15分鐘可以讓電動汽車多行駛50英里,同時eVgo也有慢充選項。eVgo還提供了一個項目,讓消費(fèi)者能夠(在工作地或居民區(qū)站點)進(jìn)行4-8小時的延長充電。最終,eVgo將面向個人消費(fèi)者建立家用充電站,并計劃收取59美元的月費(fèi)。NRG公司的充電網(wǎng)絡(luò)從休斯頓和達(dá)拉斯起步,但現(xiàn)在已經(jīng)延伸到加州和東北部地區(qū)。僅在加州一地(作為NRG公司與該州政府就十年前加州能源危機(jī)期間一些事務(wù)所達(dá)成和解協(xié)議的一部分),該公司就同意在商戶或住宅單元建設(shè)并運(yùn)營至少200座快速充電站(480伏)和至少10,000座二級充電站(240伏)。
家用充電基礎(chǔ)設(shè)施也變得越來越便宜和更加容易獲取。消費(fèi)者現(xiàn)在可以從勞氏公司(Lowes)、百思買(BestBuy)以及其他零售商那里買到施耐德(Schneider)、萊伏頓(Leviton)以及通用電氣(GE)等廠商生產(chǎn)的充電站,其價格在750-1,000美元之間。
目前,全美各地有15,000多座充電站,其中有很多使用的是240伏的快速充電器。這將拉高對電力的需求,在這種情況下,顯而易見的問題乃是其對電力需求高峰會產(chǎn)生何種影響。電動汽車會不會在駕車高峰時段(上下班高峰或正午時分)汲取太多電力,以至于大幅拉高整體需求高峰?如果是那樣,這將有悖于電力公司歡迎電動汽車的初衷。人們在十年前認(rèn)為,電動汽車大部分將在夜晚進(jìn)行充電,填補(bǔ)非高峰時間的較低用電需求,從而讓更多的電力通過相同的基礎(chǔ)設(shè)施。然而,電動汽車進(jìn)行快速充電需要更高的電壓和功率,這可能造成完全相反的情形。
讓我們看一下實際的充電容量,以對潛在的量級有一個認(rèn)識:在極端情況下,特斯拉提供了一種超高壓充電選項,車主可以在大約30分鐘內(nèi)對ModelS容量85千瓦時的電池進(jìn)行快充,從而讓電動汽車獲得150英里的行駛里程。這種充電方式的電壓為480伏,最大功率是90千瓦,這種水平的電壓和功率是相當(dāng)可觀的。說得更明白些,加州能源委員會(CEC)出于規(guī)劃的目的,假定一般居民住宅用電功率的峰值介于1.8-2.4千瓦。因此,功率達(dá)到90千瓦的超級充電站相當(dāng)于40戶處于用電高峰的居民住宅。換一種方式來看,一家西爾斯(Sears)或凱瑪特(Kmart)商店在高峰時間的用電功率可能達(dá)到300千瓦,而這只是一塊汽車電池在進(jìn)行快充時用電功率的三倍多一點。
市面上的其他充電站沒有如此大的功率,但標(biāo)準(zhǔn)的240伏二級充電站可以在充電的30分鐘至3小時內(nèi)達(dá)到19千瓦的功率。隨著這些充電站的數(shù)量越來越多,其會對電網(wǎng)造成何種潛在影響呢?
德勤會計師事務(wù)所(Deloitte)最近在其報告《向前沖/充:最后一英里》(chargingAhead:TheLastMile)中對這個問題進(jìn)行了考察。他們在采訪了數(shù)位電廠規(guī)劃師之后總結(jié)道:“令人驚訝的是,我們發(fā)現(xiàn),電力基礎(chǔ)設(shè)施總體上已經(jīng)準(zhǔn)備好迎接總統(tǒng)所說的2015年之挑戰(zhàn)。我們的研究表明,按照預(yù)期的普及水平,未來十年,電廠不大可能需要為了滿足電動汽車的用電需求而專門升級或擴(kuò)展電力傳輸或發(fā)電能力……不過,這項研究確實在地區(qū)層次發(fā)現(xiàn)了電力基礎(chǔ)設(shè)施短期內(nèi)所受的影響,它值得進(jìn)行進(jìn)一步的研究?!詈笠挥⒗铩妱悠囋诘腿萘浚ū热?5千伏安)配電變壓器網(wǎng)絡(luò)中聚集的問題,或者是電動汽車充電時間跟居民用電高峰趕在一起對本地變壓器(不管容量如何)造成的影響。這項研究還表明,電廠正在研究和解決這些問題?!?
主要發(fā)現(xiàn)包括:
1)幾乎所有接受調(diào)查的電廠都研究了電動汽車對供電基礎(chǔ)設(shè)施的影響,其關(guān)注焦點是配電層面的影響、家用充電站、高峰時間充電以及對變壓器的研究。
2)接近四分之三的電廠并未預(yù)見到(充電站)將對電網(wǎng)發(fā)電能力提出新的要求,而三分之二的電廠認(rèn)為其電力傳輸基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)足夠,僅有十分之一多一點的電廠擔(dān)心出現(xiàn)變壓器過載的問題。
3)然而,有一半的電廠表示,當(dāng)有地方納稅人在電廠服務(wù)區(qū)域內(nèi)購買電動汽車時,電廠是不會收到通知的(一些地區(qū),比如加州,正在設(shè)計通知流程,而得州的電廠提議以法律形式進(jìn)行強(qiáng)制通知)。
至少就目前而言,基礎(chǔ)設(shè)施的一切問題似乎還停留在地方層次。而地方上所關(guān)注的一些問題——頗具有諷刺意味——跟晚間的高峰需求有關(guān)。如果將若干240伏的充電器——它們可以在2到3小時內(nèi)完成對汽車電池的充電——安排到夜間非高峰時段工作,以緩解電網(wǎng)高峰需求,這樣做就有可能燒毀街道一級的變壓器?!斑@些變壓器有很多容量很小,按照最初設(shè)計要在晚間進(jìn)行冷卻。如果沒有時間冷卻,持續(xù)的過大電流最終會燒毀變壓器的銅線圈,在本地電網(wǎng)造成短路或斷電?!卑l(fā)表在IEEE的一篇文章這樣寫道。
這個問題可能并不只是理論上的。針對得州奧斯汀郊區(qū)電動汽車用戶行為習(xí)慣的調(diào)查數(shù)據(jù)表明,在兩個月的調(diào)查時間里,這些用戶普遍傾向于在同一時間進(jìn)行充電,即下班之后,這恰好也是很多居民打開空調(diào)等家電的時間。
目前有充分的證據(jù)顯示,電動汽車正逐漸流行起來。而且至少在短期內(nèi),我們在將它們?nèi)谌腚娏ο到y(tǒng)時不會遇到太大的困難。同時,有一點也很清楚,即長遠(yuǎn)來看,基于行為問題、關(guān)稅政策、新興技術(shù)和經(jīng)濟(jì)形勢,電動汽車將對電網(wǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。這種趨勢值得關(guān)注,而電廠應(yīng)該密切注意電動汽車的銷量以及用戶的行為。當(dāng)電網(wǎng)跟交通系統(tǒng)相互碰撞,我們不應(yīng)該對意想之外的結(jié)果感到驚訝。