銀川能源學(xué)院 電力學(xué)院 喬文娟

0.引言

電動汽車因為具有節(jié)能減排等眾多好處得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著電動汽車的大量普及，電動汽車用戶會選擇根據(jù)自己的喜好隨機進行充電，大部分用戶會選擇下班回家后立即對電動汽車進行充電，大規(guī)模電動汽車這種充電行為勢必會造成電網(wǎng)帶來負(fù)荷高峰，甚至?xí)霈F(xiàn)“峰上加峰”的現(xiàn)象，影響電網(wǎng)的正常運行[1-3]。因此，必須想出一種激勵措施合理安排電動汽車充電行為，為電網(wǎng)和自身都帶來一定效益。對于電動汽車的有序充電行為，國內(nèi)外很多學(xué)者在優(yōu)化電網(wǎng)運行和降低用戶成本等多方面做了大量的研究[4-5]。文中基于電力需求側(cè)管理技術(shù)中的分時電價政策[6-7]，建立一種以最大谷值為目標(biāo)函數(shù)的的數(shù)學(xué)模型，提出一種由供電公司參與調(diào)度，電動汽車主協(xié)議配合的幾種充電策略。

1.基于峰谷分時電價電動汽車充電策略

分時電價是電力需求側(cè)管理技術(shù)中的一個非常重要的經(jīng)濟運行手段，早在1993年有美國的Rahman提出[8]。通過對各類電動汽車充電負(fù)荷特性的分析可知，電動公交車、電動出租車、電動公務(wù)車，它們屬于公共服務(wù)車輛，充電時間比較固定，對它們實施峰谷分時電價政策意義不大。而對于私人電動汽車，一天中有90%的時間處于停滯狀態(tài)，車輛配置和調(diào)度的靈活性很大。電動私家車將會是未來電動汽車發(fā)展的主流，如果電動汽車用戶實行峰谷分時電價優(yōu)惠政策，必將會改變電動汽車充電負(fù)荷曲線，有益于電網(wǎng)削峰填谷、減小負(fù)荷峰谷差。

1.1 峰谷分時電價需求響應(yīng)模型應(yīng)用于電動汽車用戶

針對私家電動汽車用戶，對其實施峰谷分時電價政策，電動汽車用戶對峰谷分時電價的需求響應(yīng)模型為：

其中Qp、Qv為峰時電量和谷時電量；Pp、Pv為峰時電價和谷時電價；ε11，ε22分別為峰、谷時的電價自彈性系數(shù)；ε12，ε21分別為峰、谷時電價的交叉彈性系數(shù)。

從模型可知，影響電動汽車用戶充電電量變化的因素有用戶的充電電量、價格彈性系數(shù)和峰谷電價的變化量。

1.2 電動汽車用戶對峰谷分時電價的響應(yīng)分析

實施峰谷分時電價政策后，將鼓勵電動汽車用戶在低谷時段充電，從而減小電網(wǎng)的峰谷差[9]。針對各地的發(fā)展情況，分時電價不同，電動私家車充電以居民用電為基準(zhǔn)。民用電每度電的價格為0.63元，每天的18:00-22:00作為晚高峰，電價為0.68元/kWh，晚上22:00至次日凌晨6:00為低谷時期，電價為0.34元/ kWh，各國居民的電價需求彈性不同，我國居民的長期電價彈性系數(shù)ε12為-0.218[10]。

1.3 算例分析

從峰谷分時電價可知，白天高峰電價時期充電負(fù)荷有所減小，夜晚低谷時期充電負(fù)荷有所增加。本文采用某市2010年典型日負(fù)荷曲線作為算例，24小時負(fù)荷數(shù)據(jù)如表1所示。分析實施峰谷分時電價后對電網(wǎng)負(fù)荷的影響。首先做如下假設(shè)：

（1）典型日負(fù)荷曲線年增長率為10%；

（2）每天約有4萬輛電動汽車采用峰谷分時電價充電；

（3）實行峰谷分時電價的峰時段為22:00-6:00；

（4）本文采用的是恒功率充電；

（5）采用的充電方式為常規(guī)充電，充滿約需要3-5小時，充電功率為7kw；

（6）無特殊人為因素，每次充電都充至滿電量。

表1 24小時負(fù)荷（MW）

采用如下2種充電方式：

（1）采用即時充電方式，用戶在下班回家后19:00即開始充電。這種充電方式下，任何時候的電價都是一樣的，都是隨機的選擇時間將電動汽車接入電網(wǎng)充電。

（2）電動汽車用戶選擇在22:00谷時段電價開始時充電，這種充電方式執(zhí)行電網(wǎng)的峰谷分時電價,電動汽車用戶可以享受谷時段電價。

由兩種充電方式負(fù)荷曲線如圖1所示，可以得出負(fù)荷峰值、谷值，即得到負(fù)荷峰谷差。

圖1 2種充電方式負(fù)荷

由圖、表分析可知：即時充電方式下負(fù)荷高峰高于谷時段充電方式，形成了新的負(fù)荷高峰；即時充電方式充電負(fù)荷峰谷差為647.39MW，而谷時段充電方式的充電負(fù)荷峰谷差為545.27MW，即時充電方式明顯高于谷時段充電方式。證明選擇在谷時段開始充電負(fù)荷峰谷差明顯減小，對電網(wǎng)負(fù)荷有相應(yīng)的緩解作用。因此，采用峰谷分時電價激勵政策引導(dǎo)，負(fù)荷峰谷差明顯較小，在短時間內(nèi)將會是一種簡單、易行的調(diào)控措施。

2 計及電動汽車低谷充電的集中充電策略研究

采用分時電價政策，過多的電動汽車用戶選擇電價最低的時段充電，可能會因為負(fù)荷過度集中出現(xiàn)新的峰值，負(fù)荷波動頻繁，導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定運行存在隱患。本節(jié)提出的集中充電策略可以有效解決這個問題，要想鼓勵電動汽車用戶加入集中充電策略，必須要提出比谷時段電價更優(yōu)惠的政策，促使用戶轉(zhuǎn)移充電時間的權(quán)利，達到減小峰谷差的目的，實現(xiàn)雙贏戰(zhàn)略。

2.1 電動汽車集中充電控制策略思想

對電動汽車充電進行控制其實具有雙邊效益，對供電方而言，可以對負(fù)荷進行削峰填谷，有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；對用戶方而言，可以節(jié)省電力開支。

本節(jié)提出的一種以供電方折扣電價為吸引，電動汽車用戶加入?yún)f(xié)議，在規(guī)定的時間內(nèi)對電動汽車充電的集中充電策略，具體思想如流程圖2所示。首先需要電動汽車用戶加入供電方用戶協(xié)議，供電方根據(jù)電網(wǎng)的實際運行機制向用戶方發(fā)出調(diào)度指令，電動汽車用戶向供電方提供自己的充電需求，包括電池參數(shù)、充電功率、電池SOC和充電期望時長等，供電方對所提出的充電需求進行存儲、整合，對每一輛發(fā)出請求的車輛根據(jù)車輛的自身情況決定充電時段。

表2 2種充電方式負(fù)荷曲線特征參數(shù)比較

供電方對發(fā)出請求車輛的調(diào)度原則：

（1）在電網(wǎng)谷時段服從調(diào)度的電動汽車在電價上享受比谷時段電價更優(yōu)惠的折扣，若不服從電網(wǎng)調(diào)度，則不享受優(yōu)惠。

（2）對于參加協(xié)議的電動汽車，充電時段受供電方的支配，但電網(wǎng)堅持的原則是不影響車主白天的正常用車。

（3）供電方保證一旦電動汽車開始充電，將直至電池充滿，中途不會停止充電，不會對電池的使用壽命有人為的傷害。

（4）供電方保證一旦電動汽車開始充電，將至電池充滿，中途不會停止充電，因電動汽車用戶個人原因造成延遲充電或者過早結(jié)束充電的，供電方概不負(fù)責(zé)。

圖2 集中充電策略

2.2 集中充電控制策略的數(shù)學(xué)模型

集中充電策略的主要目的在于對充電負(fù)荷進行削峰填谷，本節(jié)用到的方法主要考慮了對谷時段進行優(yōu)化控制，總負(fù)荷的峰值不會有轉(zhuǎn)移，因此數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)是谷值最大，從谷時段開始時就可考慮集中充電，數(shù)學(xué)模型如下所示：

其中：P(t)為電動汽車未充電時的實際負(fù)荷；為計及電動汽車充電后的負(fù)荷曲線；為N輛電動汽車充電功率的總和；Psi為第i輛車充電時的充電功率；Ti為充電時間；Qi為電動汽車所需充電量。

2.3 集中充電方法的實施過程

集中充電方法的具體措施：在開始充電前對所有車輛進行統(tǒng)計，按照充電時間Ti的降序?qū)囕v進行排序，如果有的車輛充電時間Ti相同，那么可以按照充電電量Qi或者是充電功率Psi的降序?qū)囕v進行排序，將這些車輛按照排列好的順序依次填補在谷時段的最低處。保證谷值最大的具體思想就是：將待調(diào)度的車輛填入谷時段最低處后，計算Ti個時間點上的負(fù)荷之和，選擇令負(fù)荷之和最小的電動汽車填入該時段。

仍選取2010年某地典型日負(fù)荷曲線為例，做如下假設(shè)：

（1）典型日負(fù)荷曲線的年增長率仍為10%；

（2）每天約有4萬輛電動汽車加入由供電側(cè)協(xié)議的集中充電策略；

（3）本文采用的是恒功率充電；

（4）采用的充電方式為常規(guī)充電，充滿約需要3-5小時，充電功率為7kw；

谷時段時間為22:00-6:00，共計8小時，定義為0-8時段。在低谷時段內(nèi)電動汽車集中充電策略的具體流程如圖3所示。

圖3 集中充電策略流程圖

3.算例分析

將提出的集中充電方法與上一節(jié)即時充電方式和谷時段充電方式進行比較，集中充電策略的實施時間為負(fù)荷低谷時段，無特殊人為因素，每次充電都充至滿電量。

如下3種充電方式：

（1）采用即時充電方式，充電方式很自由，一般用戶選擇在下班回家后19:00即開始對電動汽車充電。

（2）電動汽車用戶選擇電價相對低的時段對電動汽車充電，因此選擇在22:00谷時段開始時充電。

（3）電動汽車用戶參與協(xié)議由供電公司協(xié)調(diào)的集中充電策略。

峰谷分時電價政策下采用三種充電方式后負(fù)荷曲線如圖4所示。

圖4 3種充電方式下的負(fù)荷曲線

評價集中充電策略的效果的指標(biāo)除了要求符合峰谷差最小以外，還應(yīng)該考慮負(fù)荷率，主要體現(xiàn)在規(guī)定時間范圍內(nèi)負(fù)荷變動情況，是考核電力系統(tǒng)運行程度的重要指標(biāo)。負(fù)荷率高表明負(fù)荷曲線比較平滑，峰谷比較小，有益于降損和節(jié)能減排。

其中Pav為電動汽車充電后負(fù)荷的平均值，Pmax為電動汽車充電后負(fù)荷的最大值。

三種充電方式下，對應(yīng)的峰值、谷值負(fù)荷，得出負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷率。對應(yīng)的結(jié)果如表3所示。

比較三種充電方式下的圖和表可知：（1）采用即時充電方式后峰谷差最大，并且形成了新的負(fù)荷高峰。（2）采用谷時段開始充電方式后峰谷差有所減小，但是谷值負(fù)荷維持不變，并沒有減小。（3）采用由供電公司參與的集中充電策略后不僅可以大大減小負(fù)荷峰谷差，而且谷值負(fù)荷也有所提高，負(fù)荷曲線變得很平坦，并且負(fù)荷利用率最高，有利于降損和節(jié)能減排，證明了由供電公司參與的集中充電策略具有合理性、有效性。

表3 3種充電方式負(fù)荷曲線特征參數(shù)比較(MW)

4.結(jié)論

分時電價政策是電力需求側(cè)管理中主要的經(jīng)濟手段，對用戶而言，可以減小電能使用過程中所產(chǎn)生的電費；對供電公司而言，可以減小電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，加大低谷時期的用電量，有效提高電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性。進一步介紹了電動汽車用戶充電過程中對電能需求和電價之間的關(guān)系，建立了峰谷分時電價需求響應(yīng)模型，用具體的實例驗證了峰谷分時電價政策的可行性。

在峰谷分時電價的背景下提出了一種由供電公司參與，電動汽車用戶配合的集中充電策略，主要是針對低谷時段電動汽車有序充電的一種方法，最后以預(yù)測的某地2020年的典型日負(fù)荷曲線為例，驗證了該算法對削峰填谷的作用。

[1]李正爍,郭慶來,孫宏斌,等.計及電動汽車充電預(yù)測的實時優(yōu)化方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(9):61-68.

[2]張明霞,田立亭,楊水麗等.考慮電動汽車充電負(fù)荷空間分布的系統(tǒng)特定分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(21):86-92.

[3]王建,吳奎華,劉志珍等.電動汽車充電對配電網(wǎng)負(fù)荷的影響及有序控制研究[J].電力設(shè)備自動化,2013,33(8):47-52.

[4]DEILAMI S,MASOUM A.S,MOSES P.S.Real-time coordination of PLUG-in electric vehicle charging in smart grids to minimize power losses and improve voltage profile[J].IEEE Trans on Smart Grid,2011,2(3):456-467.

[5]戴詩容,雷霞,程道衛(wèi)等.電動汽車峰谷分時充放電價研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2013,29(7):77-83.

[6]陳政,王麗華,曾鳴等.國內(nèi)外售電側(cè)改革背景下的電力需求側(cè)管理[J].電力需求側(cè)管理,2016,3.

[7]張青艷.基于電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測的需求側(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計[D].江蘇大學(xué),2017.

[8]Rahman S,Shrestha G.B.1993.An Investigation Into the Impact of Electric Vehicle Load on the Electric Utility Distribution System [J].IEEE Transactions on Power Delivery,8(2):591-597.

[9]張靜,湯奕,陳成等.考慮分時電價和系統(tǒng)峰谷差動態(tài)約束的電動汽車有序充電策略[J].電網(wǎng)與清潔能源,2014,30(5):79-83

[10]許毅蒙.湖南省峰谷電價定價和政策研究[D].湖南大學(xué),2006.