電動(dòng)汽車低谷充電的集中充電策略研究

銀川能源學(xué)院 電力學(xué)院 喬文娟

0.引言

電動(dòng)汽車因?yàn)榫哂泄?jié)能減排等眾多好處得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著電動(dòng)汽車的大量普及，電動(dòng)汽車用戶會(huì)選擇根據(jù)自己的喜好隨機(jī)進(jìn)行充電，大部分用戶會(huì)選擇下班回家后立即對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，大規(guī)模電動(dòng)汽車這種充電行為勢必會(huì)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(yùn)行[1-3]。因此，必須想出一種激勵(lì)措施合理安排電動(dòng)汽車充電行為，為電網(wǎng)和自身都帶來一定效益。對(duì)于電動(dòng)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(yùn)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(shí)電價(jià)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(dòng)汽車主協(xié)議配合的幾種充電策略。

1.基于峰谷分時(shí)電價(jià)電動(dòng)汽車充電策略

分時(shí)電價(jià)是電力需求側(cè)管理技術(shù)中的一個(gè)非常重要的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行手段，早在1993年有美國的Rahman提出[8]。通過對(duì)各類電動(dòng)汽車充電負(fù)荷特性的分析可知，電動(dòng)公交車、電動(dòng)出租車、電動(dòng)公務(wù)車，它們屬于公共服務(wù)車輛，充電時(shí)間比較固定，對(duì)它們實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)政策意義不大。而對(duì)于私人電動(dòng)汽車，一天中有90%的時(shí)間處于停滯狀態(tài)，車輛配置和調(diào)度的靈活性很大。電動(dòng)私家車將會(huì)是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的主流，如果電動(dòng)汽車用戶實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)優(yōu)惠政策，必將會(huì)改變電動(dòng)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(shí)電價(jià)需求響應(yīng)模型應(yīng)用于電動(dòng)汽車用戶

針對(duì)私家電動(dòng)汽車用戶，對(duì)其實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)政策，電動(dòng)汽車用戶對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)模型為：

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

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

1.2 電動(dòng)汽車用戶對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)分析

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

1.3 算例分析

從峰谷分時(shí)電價(jià)可知，白天高峰電價(jià)時(shí)期充電負(fù)荷有所減小，夜晚低谷時(shí)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(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)如表1所示。分析實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)后對(duì)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(dòng)汽車采用峰谷分時(shí)電價(jià)充電；

（3）實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)的峰時(shí)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(shí)，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(shí)負(fù)荷（MW）

采用如下2種充電方式：

（1）采用即時(shí)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(shí)候的電價(jià)都是一樣的，都是隨機(jī)的選擇時(shí)間將電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電。

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

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

2 計(jì)及電動(dòng)汽車低谷充電的集中充電策略研究

采用分時(shí)電價(jià)政策，過多的電動(dòng)汽車用戶選擇電價(jià)最低的時(shí)段充電，可能會(huì)因?yàn)樨?fù)荷過度集中出現(xiàn)新的峰值，負(fù)荷波動(dòng)頻繁，導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(gè)問題，要想鼓勵(lì)電動(dòng)汽車用戶加入集中充電策略，必須要提出比谷時(shí)段電價(jià)更優(yōu)惠的政策，促使用戶轉(zhuǎn)移充電時(shí)間的權(quán)利，達(dá)到減小峰谷差的目的，實(shí)現(xiàn)雙贏戰(zhàn)略。

2.1 電動(dòng)汽車集中充電控制策略思想

對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行控制其實(shí)具有雙邊效益，對(duì)供電方而言，可以對(duì)負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；對(duì)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(jià)為吸引，電動(dòng)汽車用戶加入?yún)f(xié)議，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(shí)際運(yùn)行機(jī)制向用戶方發(fā)出調(diào)度指令，電動(dòng)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(shí)長等，供電方對(duì)所提出的充電需求進(jìn)行存儲(chǔ)、整合，對(duì)每一輛發(fā)出請(qǐng)求的車輛根據(jù)車輛的自身情況決定充電時(shí)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(duì)發(fā)出請(qǐng)求車輛的調(diào)度原則：

（1）在電網(wǎng)谷時(shí)段服從調(diào)度的電動(dòng)汽車在電價(jià)上享受比谷時(shí)段電價(jià)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(duì)于參加協(xié)議的電動(dòng)汽車，充電時(shí)段受供電方的支配，但電網(wǎng)堅(jiān)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(dòng)汽車開始充電，將直至電池充滿，中途不會(huì)停止充電，不會(huì)對(duì)電池的使用壽命有人為的傷害。

（4）供電方保證一旦電動(dòng)汽車開始充電，將至電池充滿，中途不會(huì)停止充電，因電動(dòng)汽車用戶個(gè)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(duì)充電負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，本節(jié)用到的方法主要考慮了對(duì)谷時(shí)段進(jìn)行優(yōu)化控制，總負(fù)荷的峰值不會(huì)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(shí)段開始時(shí)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(dòng)汽車未充電時(shí)的實(shí)際負(fù)荷；為計(jì)及電動(dòng)汽車充電后的負(fù)荷曲線；為N輛電動(dòng)汽車充電功率的總和；Psi為第i輛車充電時(shí)的充電功率；Ti為充電時(shí)間；Qi為電動(dòng)汽車所需充電量。

2.3 集中充電方法的實(shí)施過程

集中充電方法的具體措施：在開始充電前對(duì)所有車輛進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照充電時(shí)間Ti的降序?qū)囕v進(jìn)行排序，如果有的車輛充電時(shí)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(jìn)行排序，將這些車輛按照排列好的順序依次填補(bǔ)在谷時(shí)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(shí)段最低處后，計(jì)算Ti個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的負(fù)荷之和，選擇令負(fù)荷之和最小的電動(dòng)汽車填入該時(shí)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(dòng)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(shí)，充電功率為7kw；

谷時(shí)段時(shí)間為22:00-6:00，共計(jì)8小時(shí)，定義為0-8時(shí)段。在低谷時(shí)段內(nèi)電動(dòng)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(shí)充電方式和谷時(shí)段充電方式進(jìn)行比較，集中充電策略的實(shí)施時(shí)間為負(fù)荷低谷時(shí)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(shí)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(duì)電動(dòng)汽車充電。

（2）電動(dòng)汽車用戶選擇電價(jià)相對(duì)低的時(shí)段對(duì)電動(dòng)汽車充電，因此選擇在22:00谷時(shí)段開始時(shí)充電。

（3）電動(dòng)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(shí)電價(jià)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(píng)價(jià)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(shí)間范圍內(nèi)負(fù)荷變動(dòng)情況，是考核電力系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)汽車充電后負(fù)荷的平均值，Pmax為電動(dòng)汽車充電后負(fù)荷的最大值。

三種充電方式下，對(duì)應(yīng)的峰值、谷值負(fù)荷，得出負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷率。對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)電價(jià)政策是電力需求側(cè)管理中主要的經(jīng)濟(jì)手段，對(duì)用戶而言，可以減小電能使用過程中所產(chǎn)生的電費(fèi)；對(duì)供電公司而言，可以減小電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，加大低谷時(shí)期的用電量，有效提高電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)一步介紹了電動(dòng)汽車用戶充電過程中對(duì)電能需求和電價(jià)之間的關(guān)系，建立了峰谷分時(shí)電價(jià)需求響應(yīng)模型，用具體的實(shí)例驗(yàn)證了峰谷分時(shí)電價(jià)政策的可行性。

在峰谷分時(shí)電價(jià)的背景下提出了一種由供電公司參與，電動(dòng)汽車用戶配合的集中充電策略，主要是針對(duì)低谷時(shí)段電動(dòng)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(yàn)證了該算法對(duì)削峰填谷的作用。

[1]李正爍,郭慶來,孫宏斌,等.計(jì)及電動(dòng)汽車充電預(yù)測的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(9):61-68.

[2]張明霞,田立亭,楊水麗等.考慮電動(dòng)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(hù)與控制,2014,42(21):86-92.

[3]王建,吳奎華,劉志珍等.電動(dòng)汽車充電對(duì)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(dòng)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(dòng)汽車峰谷分時(shí)充放電價(jià)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(jì)[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(shí)電價(jià)和系統(tǒng)峰谷差動(dòng)態(tài)約束的電動(dòng)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(jià)定價(jià)和政策研究[D].湖南大學(xué),2006.