考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究綜述

劉靚雯 高傳彬 王丹陽

西安電力高等專科學(xué)校 陜西省西安市 710032

1 引言

自《巴黎協(xié)定》以來，世界多國相繼提出了碳中和發(fā)展目標(biāo)。2020 年9 月，我國明確提出2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”目標(biāo)，加快能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加速能源綠色低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。

根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，自2012 年至2021 年，我國一次能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中化石能源占比從88.8%下降到79.7%，清潔能源消費占能源消費總量的比重由14.5%上升到25.5%。總體來看，化石能源占比仍然較高，且短時間內(nèi)化石能源主體地位難以改變。為了實現(xiàn)我國“3060”碳達峰碳中和的發(fā)展目標(biāo)，國務(wù)院在《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中提出要加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系。因此，提升可再生能源占比、促進可再生能源高水平消納，成為“十四五”期間我國可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵。同時，發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)也是我國應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措之一。促進新能源汽車與可再生能源高效協(xié)同，鼓勵“綠電綠用”，能夠提升可再生能源應(yīng)用比例，降低新能源汽車用電成本，提高電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻響應(yīng)能力。

本文從電動汽車、新能源接入電網(wǎng)的影響入手，針對提升新能源消納水平采取的主要方式以及對于電動汽車的考慮形式和相應(yīng)的約束條件兩方面分析考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究現(xiàn)狀，并對相關(guān)方向未來的發(fā)展進行展望。

2 電動汽車和新能源接入對電網(wǎng)的影響

2.1 電動汽車接入對電網(wǎng)的影響

2.1.1 對負(fù)荷曲線的影響

大規(guī)模電動汽車接入電網(wǎng)充電會導(dǎo)致對應(yīng)時段電網(wǎng)負(fù)荷的上升。在不對用戶充電時段進行引導(dǎo)，即電動汽車入網(wǎng)后采取無序充電的情況下，大部分用戶的充電時間將會與負(fù)荷高峰時間重合，從而加劇電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差。而負(fù)荷峰谷差過大會對機組調(diào)度、電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定帶來不利影響。

2.1.2 對電能質(zhì)量的影響

電動汽車在充電模式下屬于大功率、非線性的用電負(fù)荷。非線性用電負(fù)荷接入電網(wǎng)會導(dǎo)致電壓波形的畸變，給電網(wǎng)帶來諧波污染。同時，還會帶來電壓降的增大，導(dǎo)致系統(tǒng)中各節(jié)點電壓降低甚至越限的情況發(fā)生。

2.1.3 對電能損耗的影響

電動汽車在充電過程中，會產(chǎn)生包括變壓器損耗、電纜線路損耗以及電壓模塊的轉(zhuǎn)換損耗在內(nèi)的電能損耗。當(dāng)電動汽車入網(wǎng)達到一定規(guī)模時，這個損耗的數(shù)值將會非常巨大，不利于電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行。

2.2 新能源接入對電網(wǎng)的影響

2.2.1 對調(diào)峰調(diào)頻的影響

新能源發(fā)電普遍存在隨機性、間歇性強的特點。以風(fēng)電為例，其波動性強且存在反調(diào)峰特性，也就是說，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較小的時段，如夜間，風(fēng)電的出力往往較高，而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較大時，風(fēng)電的出力相對較低。因此，當(dāng)風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，電網(wǎng)的等效峰谷差會增加，從而導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰難度增加，當(dāng)負(fù)荷較低時往往會出現(xiàn)棄風(fēng)的情況。同時，新能源出力的不確定性，會使得系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)變得困難，進而帶來系統(tǒng)頻率的波動及調(diào)頻難度的增加。

2.2.2 對電能質(zhì)量的影響

新能源發(fā)電站發(fā)出的功率隨著新能源的波動而變化，而發(fā)電站發(fā)出功率的變化將會直接導(dǎo)致電壓出現(xiàn)波動。此外，新能源發(fā)電系統(tǒng)中存在大量電力電子裝置，這些裝置在運行過程中會帶來一定的諧波分量，進而引起電網(wǎng)電壓波形的畸變。同時，當(dāng)新能源發(fā)電并網(wǎng)達到一定規(guī)模時，還會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的波動。

除上述兩點外，新能源接入還會影響到電網(wǎng)穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)潮流分布、短路電流以及繼電保護等。

3 考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略研究現(xiàn)狀

3.1 提升新能源消納水平的方式

在利用電動汽車有序充電消納新能源的相關(guān)研究中，為了提升系統(tǒng)內(nèi)新能源消納水平，通常采取利用目標(biāo)函數(shù)直接提升和通過調(diào)整分時電價間接提升兩種方式。

3.1.1 利用目標(biāo)函數(shù)直接提升新能源消納水平

利用目標(biāo)函數(shù)提升新能源消納水平，也就是將新能源消納需求納入目標(biāo)函數(shù)中。具體優(yōu)化時，為了盡可能提升新能源消納率，通常采取以下兩種途徑：1）對各類機組完成優(yōu)化調(diào)度后剩余新能源發(fā)電量按棄風(fēng)棄光處理，將棄風(fēng)棄光量最小納入目標(biāo)函數(shù)[1-2]或?qū)夛L(fēng)棄光量以棄風(fēng)棄光懲罰成本的形式納入目標(biāo)函數(shù)[3-5]；2）將新能源消納量最大納入目標(biāo)函數(shù)[6]。

3.1.2 調(diào)整分時電價間接提升新能源消納水平

在傳統(tǒng)分時電價的基礎(chǔ)上，將新能源發(fā)電情況納入分時電價定價規(guī)則，建立能夠體現(xiàn)電價與新能源發(fā)電量關(guān)聯(lián)性的動態(tài)分時電價。具體定價時，可以采取的方式有：

（1）單獨考慮新能源發(fā)電情況定價，例如，以當(dāng)日新能源出力的平均值為基準(zhǔn)，當(dāng)某一時段新能源出力高于平均值一定比例時設(shè)為高電價，當(dāng)某一時段新能源出力低于平均值一定比例時設(shè)為低電價，其余時段設(shè)為平電價[7]；

（2）綜合考慮新能源出力與負(fù)荷情況，協(xié)同定價[1，8]，例如，利用計及新能源出力后的等效負(fù)荷及其平均值、峰谷差對分時電價的峰、平、谷時段進行規(guī)劃安排，對各時段分別定價[8]。

3.2 對于電動汽車負(fù)荷的考慮形式

在針對電動汽車有序充電的研究當(dāng)中，對于電動汽車，較早的研究主要以可平移負(fù)荷的形式對其進行規(guī)劃。隨著電動汽車V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的研究當(dāng)中更多的將電動汽車以移動儲能單元的形式納入系統(tǒng)進行規(guī)劃。

3.2.1 將電動汽車視為可平移負(fù)荷

將電動汽車視為可平移負(fù)荷進行優(yōu)化時，電動汽車僅作為充電負(fù)荷從電網(wǎng)吸收功率，不對電網(wǎng)反向放電。主要是通過將電動汽車充電負(fù)荷由新能源出力較低、基本用電負(fù)荷較高的時段平移至新能源發(fā)電較高、基本用電負(fù)荷較低的時段，從而達到消納新能源出力的目的。在此場景下，通常考慮的電動汽車約束條件包括：

A.荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）約束

SOC 約束主要包括充電過程當(dāng)中的SOC約束以及電動汽車離開充電站時的SOC 約束兩方面。

（a）電動汽車任意時刻的荷電狀態(tài)應(yīng)滿足其荷電狀態(tài)上下限約束[2]：

式中，SOCi，min為電動汽車i荷電狀態(tài)下限，SOCi，t為電動汽車i在t時段的荷電狀態(tài)，SOCi，min為電動汽車i荷電狀態(tài)上限。

（b）電動汽車在離開充電站時的荷電狀態(tài)應(yīng)至少達到用戶期望的荷電狀態(tài)[7]：

式中，SOCi，desire為電動汽車i用戶期望的荷電狀態(tài)，SOCi，end為電動汽車i離開充電站時的荷電狀態(tài)。

B.充電功率約束[7]

式中，PEV，i，min為電動汽車i允許的最小充電功率，PEV，i，t為電動汽車i在t時段的充電功率，PEV，i，max為電動汽車i允許的最大充電功率。

C.充電時長約束[9]

式中，ti，start為電動汽車i到達充電站的時間，ti，end電動汽車i計劃離開充電站的時間。

D.有序充電調(diào)節(jié)前后充電負(fù)荷平衡約束

（a）用整個充電過程中的總負(fù)荷量表示[6，9]；

（b）用參與調(diào)節(jié)的充電負(fù)荷變化量表示[4]：

式中，ΔPEV，i，t，in為電動汽車i轉(zhuǎn)入t時段的充電負(fù)荷，PEV，i，t，out為電動汽車i從t時段轉(zhuǎn)出的充電負(fù)荷。

此外，為防止用戶過度響應(yīng)，還可以對每個調(diào)度時段內(nèi)可調(diào)節(jié)的充電負(fù)荷上限進行約束[5]。

3.2.2 將電動汽車視為移動儲能單元

將電動汽車視為移動儲能單元納入系統(tǒng)參與協(xié)同調(diào)度，也就是在充電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，進一步考慮應(yīng)用V2G 技術(shù)，使電動汽車可以向電網(wǎng)反送電。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過高時，電動汽車可以向電網(wǎng)饋電；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較低時，電動汽車可以通過充電存儲過剩的電量。在此場景下，除了考慮式（1）（2）荷電狀態(tài)約束、式（4）充電時長約束外，還要進一步考慮：

A.充放電功率約束[3，10]

式 中，PEV，i，ch，min、PEV，i，t，dis、PEV，i，dis，max分別表示電動汽車i充電功率下限、t時刻充電功率以及充電功率上限；PEV，i，dis，min、PEV，i，t，dis、PEV，i，dis，max分別表示電動汽車i放電功率下限、t時刻放電功率以及放電功率上限；uEV，i，t，ch表示電動汽車i在t時刻的充電狀態(tài)，充電取1，否則取0；uEV，i，t，dis表示電動汽車i在t時刻的放電狀態(tài)，放電取1，否則取0。

B.充放電狀態(tài)約束[3，10]

考慮到電動汽車頻繁充放電會對電池產(chǎn)生的損耗，還可以進一步限制電動汽車在整個充電過程中的充放電轉(zhuǎn)換次數(shù)[8]。

在考慮以上約束條件的有序充電優(yōu)化策略中，通常默認(rèn)電動汽車用戶全部愿意參與有序充電的優(yōu)化過程。然而，實際當(dāng)中用戶的意愿往往存在更多的隨機性，采用統(tǒng)一的、群體化的方式對電動汽車用戶進行描述和歸類，其優(yōu)化結(jié)果與實際情況可能存在一定的偏差。

4 結(jié)語

在我國積極推動風(fēng)電和光伏發(fā)電分布式開發(fā)、促進電動汽車與新能源發(fā)電高效協(xié)同的當(dāng)下，“新能源發(fā)電+電動汽車”構(gòu)成的微電網(wǎng)模式有望迎來快速發(fā)展，因此未來對于考慮新能源消納的電動汽車有序充電策略的研究會成為一個必不可少的熱點。通過對含新能源發(fā)電的微電網(wǎng)內(nèi)電動汽車充放電情況的合理安排，不但可以為電動汽車車主帶來實惠，同時也可以為充電樁、微網(wǎng)運營商和電網(wǎng)帶來經(jīng)濟收益。從服務(wù)用戶的角度出發(fā)，以提升用戶滿意度為目標(biāo)，未來可以進一步關(guān)注以下兩個問題：

（1）可以通過在充電樁服務(wù)界面或通過智能手機APP 終端為車主提供可視化服務(wù)窗口的方式進行充電意愿選擇，包括但不限于可充電時長、是否接受V2G 形式、傾向于快充還是慢充等，并將選擇結(jié)果納入算法程序；

（2）結(jié)合車主充電意愿，在車主慣用充電方式的基礎(chǔ)上，可額外提供1-2 種更優(yōu)的充電方案及價格，通過價格對比，直觀的展現(xiàn)參與有序充電能給車主帶來的收益，提高車主參與有序充電的積極性。