变压器的“灾难”——当电动汽车遇上智能电网

    派克研究公司（PikeResearch）最近发布研究报告预测，全球电动汽车年销量到2020年将达380万辆，年增长率为40%。这种增长源于很小的基数：沃蓝达（Volt）电动汽车去年的销量是23，461辆，只占美国新乘用车总销量的0.33%。

    虽然初始的数字很小，但这种趋势值得关注，因为电动汽车拼图的一些碎片终于拼合到了一起。日产公司（Nissan）刚刚宣布，其将在位于田纳西州士麦那的制造工厂增加2013款聆风（LEAF）全电动汽车的产量。聆风电动汽车将在该工厂目前的天籁（Altima）和千里马（Maxima）生产线上进行装配，旁边就是日产公司制造燃油汽车的生产线，而隔壁就是美国最大的汽车锂离子电池工厂。该公司的目标是降低成本，并吸引到更广泛的消费者。

    2012年全年，日产售出9，819辆聆风，美国市场的保有量为19，500辆，而在全球范围内是50，000辆。当然，丰田公司（Toyota）向市场推出了普锐斯（Prius）插电式混合动力汽车，单在2012年的销量就达到了12，750辆。事实上，插电式混合动力汽车的总销量增加了两倍，从2011年的17，500辆增至2012年的53，000辆。

    当电动汽车遇上智能电网——变压器的“灾难”

    与此同时，其他大型汽车公司——比如宝马（BMW）和三菱（Mitsubishi）——推出的新产品也在进入市场。另外，还有纯粹的电动汽车公司，比如菲斯克（Fisker）和特斯拉（Tesla）。后者推出的ModelS——其售价为58，570美元，比之同级别的燃油汽车具有一定价格竞争力——刚刚被《汽车潮流》杂志（MotorTrend）评选为“2013年度汽车”，该杂志的评语是“这款2013年度汽车是美国有史以来生产的最快四门汽车之一。它开起来就像一辆跑车，迫不及待、敏捷，并且能够瞬时响应。然而，它同时也像劳斯莱斯（Rolls-Royce）一样可以轻松驾驭，载物空间堪比雪佛兰春分（Equinox），能效更胜丰田普锐斯一筹。

    不管按照哪种标准，特斯拉的ModelS都是一款真正非凡的汽车，也许称得上原款雷克萨斯LS400之后最成熟的全新豪华汽车……究其核心，ModelS是一款真正不同寻常的汽车，而它补充燃料的方式恰好是充电。”（这种评论表明，交通领域的替代技术已经真正到来，它们不再是绿色环保的稀罕物，而已经成为出色的交通工具。）

    特斯拉不仅生产出了一款出色的汽车，该公司似乎也度过了产量的难关。在去年第三季度，该公司的产能从每周5辆提高到了每周100辆。到11月的时候，这个数字已经达到每周200辆。特斯拉2013年的目标是生产20，000辆电动汽车。

    这样，电动汽车时代的曙光似乎已经开始降临。不过，在这个方程式中，充电这一方面又是什么情况呢？这对我们的电网意味着什么？首先我们需要知道，消费者对于电力耗尽的恐惧一直阻碍着电动汽车的普及，这就是所谓的“里程焦虑”（rangeanxiety），因为电动汽车无法像燃油汽车那样补充一次燃料就能行驶数百英里，锂离子电池还没有那种能力。考虑到这一点，北美地区正在兴建充电站网络。针对这些充电桩正在出现一些标准，但在选择上仍然存在一定的混乱。

    举例来说，特斯拉就选择沿着交通繁忙的路线建立自己的专有网络。该公司目前拥有9座充电站——6座在加州，3座在东北部地区——并计划到2015年建成100座。这些充电站将对特斯拉的消费者免费开放，但不支持其他电动汽车。与此同时，沃尔格林连锁药店（Walgreens）计划建设800个充电桩，而其中400个已经部署到包括费城、巴尔的摩、坦帕以及俄勒冈州波特兰在内的18个区域。跟特斯拉的做法不同，这些充电桩有很多是按每小时1-2美元进行收费的。

    就其本身而言，电力能源公司NRG正在采取激进的大动作进入这个领域。该公司通过eVgo提供充电网络服务，消费者可以选择支付19美元的固定月费，使用直流快速充电桩进行充电，快充15分钟可以让电动汽车多行驶50英里，同时eVgo也有慢充选项。eVgo还提供了一个项目，让消费者能够（在工作地或居民区站点）进行4-8小时的延长充电。最终，eVgo将面向个人消费者建立家用充电站，并计划收取59美元的月费。NRG公司的充电网络从休斯顿和达拉斯起步，但现在已经延伸到加州和东北部地区。仅在加州一地（作为NRG公司与该州政府就十年前加州能源危机期间一些事务所达成和解协议的一部分），该公司就同意在商户或住宅单元建设并运营至少200座快速充电站（480伏）和至少10，000座二级充电站（240伏）。

    家用充电基础设施也变得越来越便宜和更加容易获取。消费者现在可以从劳氏公司（Lowes）、百思买（BestBuy）以及其他零售商那里买到施耐德（Schneider）、莱伏顿（Leviton）以及通用电气（GE）等厂商生产的充电站，其价格在750-1，000美元之间。

    目前，全美各地有15，000多座充电站，其中有很多使用的是240伏的快速充电器。这将拉高对电力的需求，在这种情况下，显而易见的问题乃是其对电力需求高峰会产生何种影响。电动汽车会不会在驾车高峰时段（上下班高峰或正午时分）汲取太多电力，以至于大幅拉高整体需求高峰？如果是那样，这将有悖于电力公司欢迎电动汽车的初衷。人们在十年前认为，电动汽车大部分将在夜晚进行充电，填补非高峰时间的较低用电需求，从而让更多的电力通过相同的基础设施。然而，电动汽车进行快速充电需要更高的电压和功率，这可能造成完全相反的情形。

    让我们看一下实际的充电容量，以对潜在的量级有一个认识：在极端情况下，特斯拉提供了一种超高压充电选项，车主可以在大约30分钟内对ModelS容量85千瓦时的电池进行快充，从而让电动汽车获得150英里的行驶里程。这种充电方式的电压为480伏，最大功率是90千瓦，这种水平的电压和功率是相当可观的。说得更明白些，加州能源委员会（CEC）出于规划的目的，假定一般居民住宅用电功率的峰值介于1.8-2.4千瓦。因此，功率达到90千瓦的超级充电站相当于40户处于用电高峰的居民住宅。换一种方式来看，一家西尔斯（Sears）或凯玛特（Kmart）商店在高峰时间的用电功率可能达到300千瓦，而这只是一块汽车电池在进行快充时用电功率的三倍多一点。

    市面上的其他充电站没有如此大的功率，但标准的240伏二级充电站可以在充电的30分钟至3小时内达到19千瓦的功率。随着这些充电站的数量越来越多，其会对电网造成何种潜在影响呢？

    德勤会计师事务所（Deloitte）最近在其报告《向前冲/充：最后一英里》（chargingA head：TheLastMile）中对这个问题进行了考察。他们在采访了数位电厂规划师之后总结道：“令人惊讶的是，我们发现，电力基础设施总体上已经准备好迎接总统所说的2015年之挑战。我们的研究表明，按照预期的普及水平，未来十年，电厂不大可能需要为了满足电动汽车的用电需求而专门升级或扩展电力传输或发电能力……不过，这项研究确实在地区层次发现了电力基础设施短期内所受的影响，它值得进行进一步的研究。‘最后一英里’，包括电动汽车在低容量（比如25千伏安）配电变压器网络中聚集的问题，或者是电动汽车充电时间跟居民用电高峰赶在一起对本地变压器（不管容量如何）造成的影响。这项研究还表明，电厂正在研究和解决这些问题。”

    主要发现包括：

    1）几乎所有接受调查的电厂都研究了电动汽车对供电基础设施的影响，其关注焦点是配电层面的影响、家用充电站、高峰时间充电以及对变压器的研究。

    2）接近四分之三的电厂并未预见到（充电站）将对电网发电能力提出新的要求，而三分之二的电厂认为其电力传输基础设施已经足够，仅有十分之一多一点的电厂担心出现变压器过载的问题。

    3）然而，有一半的电厂表示，当有地方纳税人在电厂服务区域内购买电动汽车时，电厂是不会收到通知的（一些地区，比如加州，正在设计通知流程，而得州的电厂提议以法律形式进行强制通知）。

    至少就目前而言，基础设施的一切问题似乎还停留在地方层次。而地方上所关注的一些问题——颇具有讽刺意味——跟晚间的高峰需求有关。如果将若干240伏的充电器——它们可以在2到3小时内完成对汽车电池的充电——安排到夜间非高峰时段工作，以缓解电网高峰需求，这样做就有可能烧毁街道一级的变压器。“这些变压器有很多容量很小，按照最初设计要在晚间进行冷却。如果没有时间冷却，持续的过大电流最终会烧毁变压器的铜线圈，在本地电网造成短路或断电。”发表在IEEE的一篇文章这样写道。

    这个问题可能并不只是理论上的。针对得州奥斯汀郊区电动汽车用户行为习惯的调查数据表明，在两个月的调查时间里，这些用户普遍倾向于在同一时间进行充电，即下班之后，这恰好也是很多居民打开空调等家电的时间。

    目前有充分的证据显示，电动汽车正逐渐流行起来。而且至少在短期内，我们在将它们融入电力系统时不会遇到太大的困难。同时，有一点也很清楚，即长远来看，基于行为问题、关税政策、新兴技术和经济形势，电动汽车将对电网产生深远的影响。这种趋势值得关注，而电厂应该密切注意电动汽车的销量以及用户的行为。当电网跟交通系统相互碰撞，我们不应该对意想之外的结果感到惊讶。   ▇