張婉瑩，張國新，李亞錦，祁 鵬，于大洋，王長江

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

“最后三公里”快遞配送車有大量電氣化省級替代的需求?？爝f配送車電池不僅可作為動力電池確保續(xù)航，剩余電量也可作為儲能參與電網(wǎng)服務(wù)，高峰放電，賺取峰谷差價，提供增值服務(wù)。

目前，針對電動汽車與電網(wǎng)互動的經(jīng)濟(jì)性已有一定研究。Kempton 早在1995 年就提出了電動汽車與電網(wǎng)互動（Vehicle-to-Grid，V2G）概念［1］，并進(jìn)一步對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了定量評估。文獻(xiàn)［2］提出了插電式充電汽車與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度提高風(fēng)電接入能力的方法。文獻(xiàn)［3］提出了通過峰谷分時電價來間接影響電動汽車用戶的自主充放電行為的V2G 市場機(jī)制。文獻(xiàn)［4］建立了多時間尺度的區(qū)域電網(wǎng)電動汽車充電與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［5］分析了電動汽車并網(wǎng)對微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［6-7］分析了電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)峰的成本和收益模型。文獻(xiàn)［8］分析了電動汽車充電與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度的碳減排效益。文獻(xiàn)［9］建立了分析電動汽車提供調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用的經(jīng)濟(jì)效益的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［10］對電動汽車與電網(wǎng)互動的市場機(jī)制和用戶收益的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)。

電動汽車V2G 與電網(wǎng)互動的增值服務(wù)有多種類型，現(xiàn)主要分析純電動快遞配送車參與削峰填谷這一最基本增值服務(wù)類型。在分時電價下，分析電動汽車不同電池類型參與V2G 的成本和利潤，并對比了不同電池價格和容量配置下的收益率。進(jìn)一步分析不同峰谷運行模式下的V2G 經(jīng)濟(jì)性，為物流配送車參與電網(wǎng)互動，控制電池投資風(fēng)險提供一種決策依據(jù)。

1 V2G 經(jīng)濟(jì)運行影響因素分析

V2G 是指在滿足電動汽車用電需求的基礎(chǔ)上，通過雙向充放電機(jī)實現(xiàn)儲存電能上網(wǎng)，根據(jù)電網(wǎng)需求與電網(wǎng)開展雙向互動。對電動汽車用戶而言，影響電動汽車與電網(wǎng)互動的關(guān)鍵因素包括行駛時間、峰谷電價、電池循環(huán)壽命、電池單價和電池充放電功率。

行駛時間決定可接入電網(wǎng)的時間長短和充放電量。電池價格和循環(huán)壽命決定單次充放的折舊成本。電動汽車作為一種分布式儲能參與車網(wǎng)互動，主要以賺取峰谷差價獲取收益，分時價差是驅(qū)動用戶參與車網(wǎng)互動的關(guān)鍵?？紤]分時電價的時間特性，電池本身的充放電功率參數(shù)影響充放電時間，進(jìn)而影響充電成本和放電收入。

2 充放電投資效益模型

在分析電動汽車參與V2G 經(jīng)濟(jì)運行影響因素的基礎(chǔ)上，考慮峰谷價差和電池壽命，構(gòu)建電動汽車用戶參與V2G 的經(jīng)濟(jì)成本效益計算模型。

2.1 電池充放電成本

動力電池基本性能參數(shù)包括電池容量、充放電功率、充放電效率、電池單價和循環(huán)壽命。電動汽車充電成本為

式中：ηch為動力電池充電效率，%；Cb為單位V2G 電量成本，元／kWh；Sev為動力電池參與V2G 的日放電量，kWh。

電池參與V2G 的日放電量Sev取決于電動汽車日行駛里程耗電量，計算公式為

式中：Sb為電池額定容量，kWh；Lv為日行駛里程，km；δ 為百公里能耗，kWh／100 km；ηd為動力電池放電效率，%。

V2G 單位成本Cb包括電池單位充放電量折舊成本和充電電價，考慮V2G 單位成本Cb只在V2G放電電量內(nèi)分?jǐn)?，計算公式?/p>

式中：Cd為電池單價，元／kWh；n 為電池循環(huán)壽命，次；為電池單位充放電量折舊成本；Cg為電網(wǎng)分時電價，元／kWh。

2.2 V2G 收益

在電力市場峰谷分時電價政策下，電動汽車通過電價谷段充電，電價峰段放電，賺取峰谷電價差收益。電池充放電功率不能超出額定功率，充放電電量在電池電量約束的上下限之間。

電動汽車放電獲得收入Bg為

式中：Ct為電網(wǎng)第t 時段分時電價；Δt 為時間窗口長度；k 個時間窗口構(gòu)成一組放電時段；Pdt為t 時段放電功率。

約束條件為

式中：Pmax為動力電池最大充放電功功率。

V2G 日均利潤BV2G即可表示為

3 實例測算分析

以山東大學(xué)V2G 充電站為例進(jìn)行測算，充電站包括V2G 直流充電樁和純電動快遞車，滿足純電動快遞車的充放電和V2G 需求。

3.1 基本參數(shù)

小型純電動快遞車的動力電池有兩種選型，磷酸鐵鋰電池，電池價格為900 元／kWh；三元鋰電池，電池價格為1300 元／kWh。電池循環(huán)壽命均為1 500 次，電池充放電效率為92%，充放電最大功率為15 kW。電動快遞車的電池容量有3 種配置，分別為15 kWh、30 kWh 和50 kWh?？爝f配送車日均行駛里程為100 km，車輛百公里能耗如表1 和表2 所示，可知同樣容量配置下，三元鋰電池百公里能耗小于磷酸鐵鋰電池百公里能耗。

表1 磷酸鐵鋰電池百公里能耗計算結(jié)果

表2 三元鋰電池百公里能耗計算結(jié)果

山東省分時電價如表3 所示，山東省峰谷分時時段如表4 所示。其中電動快遞車作為分布式儲能接入電網(wǎng)的電壓等級不到1 kV，尖峰低谷電價差可達(dá)0.744 5 元／kWh。

3.2 經(jīng)濟(jì)性計算

快遞車一般白天配送，平均19∶00 之后結(jié)束。根據(jù)快遞車使用特性和峰谷分時電價，快遞車參與V2G 的峰谷運行模式為： 在谷時段23∶00—07∶00 之間進(jìn)行充電，剩余電量可在峰時段19∶00—21∶00 之間放電。在上述約束和不影響使用的情況下，根據(jù)式（2） 計算示范區(qū)單輛電動快遞車不同電池類型和容量配比下允許的放電電量。不同運行模式下充電成本不同，基于3.1 節(jié)的基本參數(shù)，低谷充電電價為0.294 9 元／kWh，根據(jù)式（3）計算不同電池類型下V2G單位電量成本，計算結(jié)果如表5 所示。

表3 山東省峰谷分時電價

表4 山東省峰谷平時段

尖峰電價為1.039 4 元／kWh，利用式（1）和式（5）計算收入和利潤，如表6、表7 所示，對于磷酸鐵鋰電池，允許放電量越大，V2G 日利潤越高。由于三元鋰電池能量密度大，同樣容量配置下，三元鋰電池日放電收入大于磷酸鐵鋰電池放電收入。但由于三元鋰電池單價高于磷酸鐵鋰電池單價，使得V2G 單位電量成本較高，日利潤低。

表5 電池放電電量及V2G 單位電量成本

表6 磷酸鐵鋰電池V2G 效益計算結(jié)果

表7 三元鋰電池V2G 效益計算結(jié)果

不同容量配比的電池初始投資不同，計算對應(yīng)的收益率如表8 所示。

表8 V2G 電池投資效益對比

由表8 可知，一充一放運行模式下不同磷酸鐵鋰電池容量配比的V2G 年收益率呈現(xiàn)先增長后減小的變化趨勢。這是因為電池增加使整車質(zhì)量和能耗增加，導(dǎo)致V2G 收益率非線性變化。因此電池容量并非配置越多收益越大，適當(dāng)?shù)碾姵厝萘颗渲媚軌颢@得最大的收益。

技術(shù)的進(jìn)步將進(jìn)一步降低電池價格，預(yù)期2025年磷酸鐵鋰電池降低到650 元/kWh，測算V2G 電池投資效益，如表9 所示。

不同磷酸鐵鋰電池價格下的V2G 效益如圖1所示。電池價格的下降將進(jìn)一步提升V2G 投資效益。

進(jìn)一步探討充放電次數(shù)的增加對V2G 效益的影響?？紤]快遞車在低谷23∶00—07∶00 時段充電，峰時段10∶30—11∶30 放電，平時段11∶30—16∶00 充電，峰時段19∶00—21∶00 之間放電，充放電次數(shù)為兩充兩放。計算兩充兩放運行模式下的收入和利潤，即在一充一放收益的基礎(chǔ)上疊加峰平時段的收入，如表10 所示，與一充一放收益對比如圖2 所示。

表9 V2G 電池投資效益對比

圖1 不同電池單價下V2G 投資效益

表10 兩充兩放V2G 效益計算結(jié)果

圖2 不同充放電模式下磷酸鐵鋰電池V2G 投資效益

由圖2 可知，增加充放電次數(shù)的效益并不顯著。兩充兩放峰谷運行模式下收益V2G 年收益率隨著電池容量增大而減小，這是因為兩充兩放模式在平時段充電使得充電成本的增加，導(dǎo)致V2G 單位成本增加，尖峰時段的放電收入不能覆蓋平時段V2G 充放成本。對于15 kWh 容量的電池，隨著充放電次數(shù)的增加，收益率增加。這是因為V2G 單位成本只在V2G 放電電量內(nèi)分?jǐn)偅?5 kWh 的電池單位充放電量折舊成本為0.204 元／kWh，兩種充放電模式下疊加充電成本后的V2G 單位電量成本分別為0.499 元／kWh 和0.83 元／kWh，與尖峰電價之間存在0.540 4 元／kWh、0.209 4 元／kWh 的價 差，因 此15 kWh 容量下電池在增加一次充放電次數(shù)時具有正向收益。隨著電池容量的增加，單位充放電量折舊成本增加，降低了峰平時段的V2G 單位電量成本與尖峰電價之間的價差，使得該時段充放無效益。因此增加充放電次數(shù)不一定能增加收益率。

4 結(jié)語

純電動快遞車通過V2G 充電樁接入電網(wǎng)，成為儲能單元，提供V2G 增值服務(wù)，在峰谷分時電價政策下，對比分析不同電池類型、不同容量配置、不同峰谷運行模型下的收益率。純電動快遞車參與V2G可顯著增加純電動快遞配送車的經(jīng)濟(jì)效益，能夠促進(jìn)電動快遞配送車輛的推廣應(yīng)用。同時，車輛V2G為電網(wǎng)削峰填谷提供了一種更低成本的解決方案，有利于提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)效益。隨著電池價格的進(jìn)一步下降，以及電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)市場的發(fā)展，V2G 為用戶和電網(wǎng)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益將進(jìn)一步提升。