電力市場化改革下的電動汽車用戶激勵補償策略研究*

唐 淵，劉琦穎，張捷妮，曲大鵬，何奉祿

（1.廣州供電局有限公司，廣州 510620；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510630）

0 引言

近年來，由于綠色環保、節能減排、能耗低等優點，電動汽車行業發展迅速。隨著政府相關扶持政策的出臺和充電設施的完善，電動汽車已實現了全國范圍內的大規模推廣和應用[1]。大規模的電動汽車接入電網勢必會對電力系統的運行造成一定程度的影響，為應對此類問題，研究人員已做了大量的研究工作。

郭建龍等[2]在歸納充電負荷影響因素和其接入對電網系統影響的基礎上，分析了充電負荷調控方法和最優經濟運行的充電模型；周步祥等[3]以配電網負荷方差和上下層調度計劃偏差綜合最小為上層目標，以電動汽車充電時間和費用最小為下層目標，建立了計及多種充電模式的電動汽車充電站有序充電雙層優化模型；蘇粟等[4]提出基于用戶駕駛行為特性的電動汽車有序充電策略，并根據計算車輛每次充電的充電量和局域配電網負荷曲線，對電動汽車充電行為進行調度；劉志珍等[5]根據確定性分析法和倒序遞推原則，研究了一種不采集電動汽車電池荷電狀態來實現小區內電動汽車群有序充電的控制方法。

目前為止，關于電動汽車有序充電的理論研究主要集中在有序充電調控策略這部分[6-7]，關于用戶的經濟回報激勵機制、用戶需求響應策略等方面的研究文獻還很少，甚至有些控制決策的研究忽略了用戶的主觀意愿[8-9]。為了深入落實有序充電調控策略，本文建立了電動汽車充電站在電力體制改革下的運營效益模型，計算了充電站讓利空間和補償價格上限，并根據用戶參與響應的充電量，構建了基于用戶響應量的補償機制激勵模型。

制定合理的用戶激勵補償策略，可以鼓勵用戶根據充電補償價格調整充電安排，提高充電設備利用率，并在現貨市場下，通過購售電價差獲得一定收益[10]。同時還可以通過補償策略吸引更多用戶充電，使運營商和用戶雙方利益最大化。

1 電力市場化改革下的市場主體關系

電力市場未完全放開時，電動汽車市場中的交易主體主要有發電商、供電商（電網）、充電設施運營商（既可以是電網，也可以是其他企業）和電動汽車用戶。在電動汽車快速發展的背景下，電網、運營商和用戶之間已形成相互依賴、相互博弈的格局。

在以往的市場模式之下，電網公司對發電廠所發的電量進行統購統銷，依靠賺取購電成本和售電收入之間的差額來獲利，同時在用電負荷低谷期通過電動汽車負荷接入提高機組運行效率，以及為運營商建設、運營服務充電站提供一定的技術支持；運營商作為中間商需要購售電能為電動汽車充電，并通過賺取服務差價以保證在運營周期內得到持續性盈利，保證充電站的正常運營[11]；用戶則以保證能滿足自身行駛的充電需求前提下，自主地選擇充電時間、充電地點和充電策略。

售電側市場放開之后，市場中加入了售電公司這一市場交易主體，承擔起從發電側購電向用電側售電的職責。由于售電公司數目眾多，可以充分調動發電側和用戶側的市場競爭意識。新一輪電改下，市場交易主體之間的關系如圖1所示。

圖1 主體關系示意圖

售電側開放競爭模式下的各主體之間可以自由進行貿易，充電站運營商或電動汽車用戶可以按照自身意愿選擇從哪家售電公司買電，大用戶也可以與發電方簽訂直購電協議；售電公司可經過多種方式從不同發電商處購買電量，銷售給用戶。作為電力市場競爭性銷售最為重要的一部分，售電公司之間競爭的激烈程度反映了電力市場化程度的高低，可以促進降低用電側電價，促使發電側淘汰落后產能、提高能源利用率。電網公司從賺取購售電差價盈利的形式轉變為中間服務商[12]，負責輸配電網的運營維護，確保用電質量和用電安全性，同時還為電動汽車充電樁供電箱等配套設施的安裝提供技術服務。

2 充電站讓利空間計算

充電設施運營商（以下簡稱“運營商”）作為充電站的投資者和管理運營者，在電力市場改革背景下，可以通過制定合理的充電策略或電價機制引導電動汽車用戶的充電行為，提高用戶充電滿意度，吸引用戶充電，從而提高充電站自身效益，使電動汽車用戶和充電站均獲得理想利益。

首先需要保證充電站的運營效益，計算充電站的利潤空間和投資回收期，然后在充電站盈利需求的基礎上，確定激勵補償價格上限，為制定合理的用戶激勵補償機制奠定基礎。

2.1 充電站投資運營效益模型

（1）投資成本構成

投資建設一座電動汽車充電站的成本Cevco主要由基礎設施成本Cb、配電設施成本Cd和運營成本Co三大部分構成[13]。

基礎設施成本由土地租賃（或購置）費用Crland(Cbland)、設備建設安裝費用Cinstall、充電設備費用nc·Cchareq、充電監控及安全監控設備nm·Cmoneq組成。其中，γ=1為充電站選擇租賃場地建設充電站，每年或每月需交納租賃費用；γ=0為購置充電站場地，投資前期一次性交納場地費用；若站點地面是天然地面，則還需在土地租賃/購置費用中加上場地平整及固化費用 Cbland。Cchareq、Cmoneq分別為充電設備和監控設備的單價；nc、nm分別為充電設備和監控設備的數量。

配電設施成本Cd為：

配電設施成本由箱式變電站費用Csub、用戶配電柜費用Ccabinet、電纜費用Ccable組成。

運營成本Co為：

充電站的運營成本由電池維護設備及維護保養費用Cbattm、配電設施維護成本Cdistm和站內員工費用ne·Cemp組成。其中，ne為站內員工人數，Cemp為員工年工資；配電設施維護成本可按照配電成本的3%估算。

成本計算時，需計算固定資產折舊。充電設施和配電設施的設備殘值率一般為5%，充電設備、監控設備和配電設備的折舊年限一般分別為6年、3年、10年，計算年度成本時需按上述折舊年限將固定資產折舊。

（2）充電站年收入

在電改背景下，充電站運營收益Ievin一般包括購售電收益Ix、充電費收入Ie、廣告收益Ia和消費合作分紅Ic四個方面即：

購售電收益Ix是指大型充電站可作為電力市場大用戶在合約市場和現貨市場直接向發電公司購電，再制定面向用戶的統一的充電電價計劃，以基本電價的方式賣給用戶，從中獲取一部分收益。每日的購售電收益計算方式如下：

充電費收入Ie主要形式是以充電服務費的方式收取，除基本電費外，電動汽車的車主在公用充電設施充電時需繳納充電服務費，收費上限標準按當地規定執行。充電站充電費收入與該電站充電服務費和充電功率有關，每年充電費收入Ie具體計算如下：

式中：Lt,y為充電站第y日t時段的充電量，kW·h； fz為該站點充電服務費，元/(kW·h)。

廣告收益Ia和消費合作分紅Ic是充電站衍生的盈利點，充電樁運營商可通過與廣告商合作，在充電樁樁體滾動推送廣告，以獲得廣告收益，廣告收益Ia一般與廣告瀏覽次數有關，不同地區站點人流量不同，廣告收益大小不等。除此之外，充電樁運營商還可以和景區、游樂場或者餐飲購物地點的停車場合作，在這些區域設置公用充電樁，將用戶引入消費場景，刺激其消費欲望，能在一定程度上拉動合作者收益，從而收取適當的消費合作分紅，消費合作分紅Ic與合作協議的具體內容有關。

（3）充電站年利潤

若不考慮用戶激勵補償支出，充電站的年利潤Gevs即充電站總收入Ievin減去投資成本Cevco，再加上政府環保補貼Sev。

2.2 確定補償價格上限

（1）成本充電服務費

按照上述投資成本和運營收益，可估算充電站的投資回收期Tf。本文定義成本充電服務費 fc為：在預期的投資回收期內能收回充電站建設投資成本的最低充電服務費價格。若先設定一個預期投資回收期Tfs，則可以反推算出成本充電服務費 fc：

（2）激勵補償價格上限

充電站運營商可以根據上述計算的成本充電服務費，在滿足自身利益需求的同時，確定激勵補償價格上限。

式中： fz為該站充電服務費，元/(kW·h)；q為用戶激勵補償價格，元/(kW·h)； fc為成本充電服務費，元/(kW·h)。

根據上式可得到激勵補償價格上限為q≤fz-fc。

3 用戶充電激勵補償決策研究

充電設施運營商擁有優先做出決策的動機和權利，因而充電設施運營商為上層主體；用戶根據上層決策信息，響應充電價格，指導自己的充電計劃，因而用戶側為下層主體。為了保證上層主體和下層主體的共同利益，上層主體需制定不同等級的激勵補償價格，刺激用戶在購電低價時段充電，賺取電價差，下層主體也可以獲得一定補償，減少充電成本。

3.1 補償響應機制

通過對日前售電電價詳細分析后，可得到電價的價格趨勢，充電站運營商可選擇固定的低電價時段作為補償時段ΔTk，并根據補償時段的電價高低，劃分補償時段，并設置各時段的補償系數βt，非補償時段的補償系數βt為0。

用戶的補償金額由用戶參與的響應量來決定，只要用戶在存在補償時段內參與響應充電，都能獲得補償。本文定義用戶當日補償充電的響應量K為：

式中：βt為用戶在時段t充電的補償系數，由運營商自行確定，并按照實際電價趨勢調整，一般低電價時段的補償系數較高，非補償時段的 βt=0，且充電的充電功率。

結合充電站實際運營情況和響應量大小，將響應量K分級，不同等級對應的補償價格不同，響應量越大，補償價格越高。本文定義用戶補償金額D為：

式中：M為總響應量劃分的區間個數；qm為各響應量區間的補償價格。響應量與補償價格的關系如圖2所示。

圖2 響應量與補償價格的關系

3.2 基于用戶響應量的補償機制激勵模型

下層用戶參與響應即可獲得相應的補償，用戶參與響應的充電量越大，運營商所需支付的補償支出增加，進而削減充電站利潤。所以上層運營商側制定補償價格時必須以自身充電站收益最大化為原則，用戶側以參與的響應量最大，獲得的補償最大為原則。

為使上層運營商削減的利潤最小和下層用戶獲得的補償最大，建立了用戶激勵補償模型。上層可用充電站的投資回收期表示，下層可用補償金額表示。

3.2.1 目標函數

（1）上層盈利目標

若運營商通過充電費返利的方式對用戶充電行為進行補償，考慮補償支出后的充電站年利潤Gevs′為：

式中：Devz為用戶補償年支出，累加電動汽車用戶的補償金額，可計算該充電站每年補償支出年提供充電服務的總次數；Du為用戶每次充電響應后可得到的補償金額。

充電站的投資回收期最小為：

（2）下層響應目標

下層用戶以響應后的補償金額最大為目標：

3.2.2 約束條件

（1）電池充電功率限制

電池充電功率限制為：

式中： pt為電動汽車實際充電功率，kW； pN為電動汽車額定充電功率，kW。

（2）補償價格約束

充電站運營商在制定激勵補償價格機制時，補償價格應當不超過計算的激勵補償價格上限，以此保證充電站盈利需求。

（3）用戶充電需求約束

用戶在響應補償策略的同時，需保證自身電動汽車的充電需求。

式中： Soca為電動汽車離開充電站時的電池實際荷電狀態；Socexp為電動汽車用戶期望通過此次充電達到的期望荷電狀態；Soc0為起始荷電狀態；ηc、Er為電動汽車充電效率和電池額定容量。

3.3 考慮日前電價的補償機制優化策略

充電站運營商制定用戶補償機制的具體步驟如下。

（1）分析現貨市場下日前電價特點，選擇較為固定的低電價時段作為補償時段ΔTk，只有在補償時段內充電的用戶才能獲得補償，補償金額由響應量K決定。

（2）根據補償時段ΔTk的電價高低，進一步劃分補償時段（ΔT1,ΔT2,…），設置各時段的補償系數 βt；用戶參與補償機制的響應量K由補償系數和各時段充電量決定，由式（12）計算可得到響應量K。

（3）將響應量K分級，不同等級對應不同的補償價格qm。結合用戶單次充電參與補償機制的響應量K和各級補償價格qm，通過式（13）計算可得到此次充電可獲得的補償金額D。

制定合理的用戶補償機制，需要確定不同響應量對應的補償價格大小，本文采用多目標遺傳算法確定各級補償價格，具體求解流程如圖3所示。

圖3 補償價格求解流程圖

4 仿真實例

4.1 參數及場景設置

以某地區的公共充電站為例進行充電場景模擬，分析充電站投資成本及運營收益，制定用戶充電激勵補償策略。充電站配置15臺40 kW交流充電樁，nt=3；γ=1；nc=40；ne=1；nm=2；ny=365；nt=24；ηc=0.9；fz=0.6元/（kW·h）。本案例不考慮充電站的廣告收益和消費合作分紅，Ia=0，Ic=0。

從2019年5月起，廣東電力現貨市場開始試點運行并進行現貨市場預結算，本文選取2019年5月15日、5月16日、6月20日、6月21日、6月22日、6月23日6天現貨市場日前電價的平均值作為日前售電電價hst,y，6天實時電價的平均值作為現貨市場購電電價hxt,y，具體值如表1所示。

表1 日前售電電價與現貨市場購電電價數據min/(kW·h)

4.2 算例結果及分析

按照充電站運營效益模型來計算投資成本。目前許多充電站是由電網公司或者企業與政府聯合建設，土地購置或租賃費用較低，則假設建設充電站的土地租賃單價為180元/平/年，15個車位的占地面積約為240 m2，土地租賃費用為4.32萬元/年。充電設施和配電設施的設備殘值率為5%，充電設備、監控設備和配電設備的折舊年限分別為6年、3年、15年，將固定資產折舊，得到年度成本，投資成本的具體計算結果如表2所示。

表2 投資成本估算表萬元/年

經測算，投資建設一個配置15臺40 kW交流樁的充電站，每年總成本費用約為20.29萬元。

根據用戶充電補償優化模型，模擬電動汽車充電過程，結合電價趨勢，確定各個時段的補償系數，具體值如表3所示。由表可知，用電高峰時段是補償策略中的非補償時段，若用戶選擇在此時段充電，得不到相應的補償；在用電低谷時段，補償系數的值與電價的高低所對應，選擇在凌晨04:00:00-07:00:00充電的補償系數達到0.9，響應的用戶可獲得較高返利。

表3 補償系數

通過仿真計算可以得到，當充電樁利用率α小于0.35時，充電站不能實現盈利或發生虧損。所以本文根據充電站的充電流量不同，設定3種充電場景，求解充電樁利用率α分別為α=0.4、α=0.6、α=0.8時的補償價格。充電站運營商可根據站點的充電樁平均利用率情況，選擇相應的補償方案。不同利用率下的用戶激勵補償方案如表4所示。

表4 不同利用率下的用戶激勵補償方案

5 結束語

本文根據運營商和用戶的雙方需求，提出了充電站投資運營效益模型和基于用戶響應量的補償機制激勵模型，并采用多目標遺傳算法對仿真算例進行求解，得到了各時段的補償系數和不同充電情況下的補償方案。充電站運營商可根據站點的充電樁平均利用率情況，選擇相應的補償方案。在實際運用時，運營商側需要根據充電實際的充電情況做出相應調整，仿真結果可為運營商制定合理的用戶補償策略提供參考。合理的補償策略可以使運營商吸引更多用戶充電，用戶也可以獲得補償，縮減充電成本，達到運營商和用戶雙方利益最大化的目的。