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。