基于動態分時電價需求響應下電動汽車有序充電方法

余桂華，姚海燕，崔金棟，劉珊珊

（1.杭州凱達電力建設有限公司，浙江 杭州 311199；2.國網浙江省電力有限公司杭州市余杭分公司，浙江 杭州 310030；3.東北電力大學，吉林 吉林 132012）

智能配電網的建設使得電網獲取EV車主對電價的反饋更及時，通過用戶對電價的需求響應度，可制定合理的電價機制，利用經濟杠桿，引導EV車主進行有序充電。構建電網、充電站以及用戶共同參與的有序充電機制，以緩解電力供需不平衡、電網負荷過高和峰谷電價差過大等問題為目的，提高電力系統運行穩定性，同時增加EV車主自身的充電效益，鼓勵用戶積極參與電力市場的調控，增進社會福利。

1 國內外研究綜述

針對引導EV有序充電問題，國內外學者展開大量研究，其研究成果為后續研究打下了堅實的基礎。文獻[4]對用戶出行規律進行分析，預測其充電流量，提出了一種基于微電網調度的EV動態分時電價制定策略，通過仿真實驗證實了通過價格信號可引導EV有序充電。文獻[5]建立了峰谷分時電價下EV負荷波動模型，通過分時電價優化EV充電控制，并利用蒙特卡洛方法對不同EV充電方式進行模擬和數據分析驗證了魔性的可行性。文獻[6]提出在分時電價引導下的EV分層調度策略，通過算例模擬證明分時電價可引導EV進行需求響應，從而降低電網波動程度，達到削峰填谷的目的[6]。文獻[7]為提高環境效益，提出基于分時電價的EV充電控制策略，通過差分法證明EV有序充電可提高環境效益，降低電網運行成本。文獻[8]提出了一種協調定價模型，通過負荷轉移來減少居民用電與EV充電站負荷之間的重疊，以降低分時電價下峰谷差[8]。文獻[9]為解決EV調度問題，提出一種在分時電價下的多時間調度模型，通過博弈法驗證了模型的有效性。文獻[10]等人根據不同類型的用戶的負荷特點，與固定電價、分時電價相比分析各類用戶的響應程度，從高峰時刻用電量、峰谷差、需求響應度等3方面分析電網的運行效率[10]。

在EV有序充電的研究中，大多基于用戶完全響應電價策略的假設下制定EV有序充電策略，沒有充分考慮到EV用戶實際自主選擇意愿。用戶的生活方式，個人習慣，駕駛行為等對需求響應度都有一定的影響，因此，對需求響應的研究需要考慮用戶的不確定性，而且峰谷分時電價機制過于固定，欠缺靈活性。在智能配電網背景下，對于EV用戶的充電負荷能夠快速得到，所以可引入動態分時電價作為經濟杠桿來引導EV有序充電。

2 大規模電動汽車無序充電產生的問題

隨著EV的發展與普及，我國EV保有量激增，大量EV無序接入電網使電網產生一系列問題，包括電力系統設備容量不足、配電網電能質量下降、配電網設備運行安全性降低等。

電力系統設備容量不足。充電站電力設備容量配置、運行規劃是電網基礎建設的一部分，充電站的運行情況及充電負荷大小影響著電網的安全運行。因此，電動汽車無序接入電網所帶來的負荷增加間接地對電網的負荷構架及運行特性帶來不良影響。在這種情況下，仍沿用原有電網配置將無法滿足電動汽車無序充電的需求，在考量電力系統設備成本的基礎上，引導電動汽車有序充電才是保證電力設備安全穩定運行的關鍵手段。

配電網電能質量下降。電動汽車充電系統由整流器、功率變換器以及濾波器共同組成，其中包含了大量的非線性電力電子元件。文獻[16]研究表明，大規模電動汽車充電負荷接入電網會對電網產生較大的諧波影響，使變壓器處于過載運行狀態，直接縮短變壓器壽命。因此，電動汽車無序充電所導致的諧波污染對配電網造成影響，配電網電能質量降低，無法滿足電動汽車用戶的充電要求，還會影響正常的居民用電。

配電設備運行安全性降低。用戶充電習慣與其出行習慣息息相關，不同用戶的充電行為具有隨機性，這種隨機性將導致電動汽車用戶充電行為的無序性。電動汽車充電的無序性使得電力系統的運行和控制工作出現問題。由于電動汽車用戶多選擇下班回家后在用電高峰期充電，因此會造成用電負荷增長、變壓器長時間處于過載狀態，從而影響變壓器安全穩定的運行，長此以往，會給電網增加大量不必要的維修成本。

3 動態分時電價與電動汽車有序充電的關系及影響

3.1 動態分時電價與電動汽車用戶需求響應關系

需求響應，作為需求側管理的方案之一，通常使用直接給予車主補貼或者調整電價方式，引導車主從自身經濟效益出發，合理安排充電時間，從而保證電網系統負荷平穩和安全穩定運行。隨著經濟向前發展，電力行業成為了保障民生的必不可少的一環，信息技術的不斷提高下智能配電網應運而生，這也為電網實行動態分時電價機制提供技術支持。相比傳統配電網，智能配電網中的雙向信息流能夠實現車主與電網的連接與互動，需求響應則是調整智能電網中供需水平的重要機制。其中價格型需求響應機制是針對小規模充電車主較為有效地響應機制，其作用機理就是供給側通過調整電價的高低水平，來反映電網供電成本的時段差異，引導車主通過時段差異價格，做出經濟效益更高的選擇。隨著智能配電網的發展，動態分時電價作為配電市場需求響應的理想電價調節機制之一，正逐步應用到實際生活中，其獨特的精準調節電價的能力，能夠調動車主參與到電價響應中來。

3.2 基于負荷預測的動態分時電價對有序充電的影響

在峰谷分時電價機制下，EV車主通常會選擇在低電價時段進行充電，由于充電負荷過于集中，所以如圖1，2021年5月15日浙江杭州余杭區居民用電負荷與電動汽車充電疊加后負荷曲線中所示，在居民用電高峰期時出現峰上加峰的現象，原本的負荷峰值上升到了新的峰值，這一現象給電網的安全穩定運行帶來隱患，長期激增的負荷給電網設備運行帶來壓力，電網損耗速度加快，電能質量隨之降低。為降低供給側高負荷，保證電網安全運行，引導EV有序充電，將集中的負荷進行分攤平均是當務之急。在智能配電網基礎上，動態分時電價較峰谷分時電價更加靈活，因為峰谷分時電價劃分的時段以用戶用電情況劃分的，所以電價較為固定，EV車主的充電選擇與電價之間的反饋是單向的，而在動態分時電價機制下，電價通過用戶每天的用電情況進行調節，通過對當天的用電負荷進行負荷預測，從而制定第二天的動態分時電價，EV用戶與電價的反饋是雙向的，所以動態分時電價下，更有利于引導EV車主有序充電。

圖1 居民用電負荷與電動汽車充電疊加后負荷曲線

4 動態分時電價需求響應下電動汽車有序充電方法

4.1 電網系統動態分時電價負荷預測機制

動態分時電價負荷預測，一般是指對未來較短時間的電力需求進行預測，其預測間隔可精準到小時。精準的動態分時電價負荷預測影響著電力系統的經濟效益、穩定運行，其在制定發電站及其發電機組的運行計劃、安排鄰近系統的電力調度，電力系統應急分析和負荷管理以及能源市場交易過程中都起著重要的作用。動態分時電價負荷預測有以下特點：首先，動態分時電價負荷預測具有不確定性，負荷的變化與許多不斷變化的因素有關，因此不能確定地預測未來的發展；其次，在一定時間尺度上對當前負荷進行預測，而不同時刻的負荷是波動的，因此動態分時電價負荷預測具有時間性；最后，動態分時電價負荷預測是在必要條件和假設條件下進行預測的，必要條件是能夠預測負荷變化的基本規律，在這種條件下的得到預測結果通常是有效的，假設條件則是在一定的研究基礎上，經過反復分析得出的。通過對目標地區每天的歷史負荷數據進行聚類分析，找出電動汽車充電與居民用電二者疊加的規律，進行負荷預測，從而制定明天的動態分時電價。

4.2 電動汽車用戶動態分時電價響應機制

傳統的到站排隊，即充即走的方式在EV使用量不斷增加的今天，已經無法滿足EV車主的充電需求。EV無序充電現象包括：在充電高峰期出現擁堵；在用電低谷期充電車輛寥寥。這種現象不僅給用戶和充電站造成不便，還給電網的運行規劃帶來不利影響。因此，須通過動態分時電價來引導到EV有序充電，由于車主個人的生活方式、空閑時間以及經濟能力等的不同，所以充電時間的選擇也不同。通過用戶與充電站的交互連接，充電站建立智能充電樁，與電網相連接，進行電力交易及動態分時電價的獲取；充電站與用戶通過充電站App進行互聯，充電站將充電樁的數據通過互聯網實時發送到用戶軟件用戶端，用戶通過App中心上獲得充電站動態分時電價狀況，以及充電樁空閑使用情況。通過以上信息，用戶決定是否選擇該充電站進行充電；若該充電站在動態分時電價下無空閑充電樁，或者該區域充電站的充電電價超出用戶的期望值，用戶可通過手機GPS選擇附近其他充電站，再次獲取其他充電站動態分時電價等信息，根據所獲得的信息，EV車主增加了自主選擇充電時間的意愿。通過充電站與用戶的信息互聯，用戶可獲取更多與自身經濟效益相關的信息，通過所獲得的充電站電價信息，選擇合適的充電站進行充電；而電網通過調整不同區域的充電站電價水平，通過EV車主的響應程度，逐步降低區域用電負荷，降低峰谷負荷差。

4.3 用戶需求響應下動態分時電價調整機制

為有效引導EV有序充電，提升用戶需求響應度，最關鍵之處是對動態分時電價的調整。在EV車主的出行成本消費觀上，影響因素也存在差異，因此EV車主對于電價的響應度也不同。因此，電網需建立良好的需求響應下動態分時電價調整機制，在以每日充電活動為周期，結合用戶充電負荷，對動態分時電價進行調整。首先對EV車主用電需求、各時間節點負荷等信息進行收集，通過充電站App后臺數據監控系統得到充電站在當日動態分時電價的引導下的用戶實際充電情況以及用戶總用電量等數據，進行整理；然后將當天與動態分時電價制定有關，以及用戶對電價響應程度等數據向電網進行反饋，電網根據EV車主的需求響應程度以及整體電力系統負荷情況調整動態分時電價水平；最后，電網將調整后的動態分時電價下發至各充電站，車主根據調整后電價再進行充電時間選擇。通過電網-充電站-用戶三方信息交互，電動汽車動態分時電價下充電方法，電網能夠及時掌握充電站的負荷狀況、EV充電高峰期以及用戶響應度，及時調整動態分時電價水平，從而不斷提高用戶需求響應度。電價政策發布初期，EV車主不會很快的響應電價的變化，此時，電網的交互系統更加重要，要更精準的根據每日用戶的用電變化制訂下一天的動態分時電價，讓車主切實的感受電價變化所帶來的包括充電上的便利，充電成本的變化，逐步提升用戶需求響應程度。通過動態分時電價的調整達到降低電網用電高峰負荷，避免出現“峰上加峰”的情況出現，同時降低峰谷差。

5 電動汽車有序充電方法應用效果分析

為驗證動態分時電價需求響應下EV有序充電的效果，以某一區域電網為例，將某工作日的24 h劃分為24個間隔時段，觀察該地區EV用戶在峰谷分時電價下無序充電負荷曲線、在動態分時電價的引導下有序充電的負荷曲線變化。如圖2所示，EV在峰谷分時電價下的負荷曲線在18:00～22:00達到負荷高峰，這段時期同樣是居民用電高峰期，因此會導致配電網負荷過大等問題；通過動態分時電價調控后的EV有序充電負荷曲線趨于平穩，峰谷差減小，該充電方式將減小對配電網設備的壓力。通過動態分時電價的引導，EV用戶自發響應電價政策，動態調整該地區的電力負荷，能夠提高電力系統的穩定性，降低電網設備損耗度。

圖2 電動汽車充電負荷曲線

通過需求響應下動態分時電價機制的應用，分析其效果可以得出：使用所提出的動態分時電價方法，能夠保證用戶充電需求得到滿足和電網設備安全穩定運行的情況下，達到削峰填谷的目的。由于電網所發布的動態分時電價以短期負荷預測為基礎，因此電網的各時段電價不同，EV車主只有通過App與充電站進行互聯才能得到準確地電價波動情況，再據此合理安排充電計劃。實行動態分時電價后，電力市場透明度增加，EV車主對電價制定政策有更深層次的理解，因此能夠積極地響應電網的引導政策。EV車主根據動態分時電價的波動情況，增加自我選擇的意愿，且通過與充電站的雙向互動，能夠得到更多充電站的不同電價水平，充分發揮了價格彈性杠桿的作用，提高了EV的充電效益。隨著用戶對電價制定的理解和環保意識不斷加深，動態分時電價引導下的有序充電能夠有效避免電能浪費，在用戶需求響應度逐步提升的情況下，充電站能最大限度的保持充電，同時也對充電站運行系統的更新升級提出要求。