考慮電動汽車規模化聚合商的電力市場均衡分析

張曉龍 ZHANG Xiao-long；尹藝霏 YIN Yi-fei

（①湖南鐵道職業技術學院，株洲 412000；②湖南汽車工程職業學院，株洲 412000）

0 引言

當今世界，百年未有之大變局加速演進，氣候變化、局勢動蕩給全人類生存和發展帶來嚴峻挑戰，全球能源產業鏈供應鏈遭受嚴重沖擊，國際能源價格高位振蕩，能源供需版圖深刻變革[1]，新一輪科技革命和產業革命深入發展，能源電力系統的安全高效、綠色低碳轉型及數字化智能化技術創新已經成為全球發展趨勢。

從需求響應資源的角度，電動汽車（Electric Vehicle，EV）被公認為一種重要資源，具有節能減排優勢。在電力市場機制的不斷完善的同時，隨著人工智能以及新型技術的發展，在電力輔助服務市場，EV 資源聚合碎片化并高效利用越來越被重視。EV 聚合商的存在可為電力系統提供如削峰填谷、旋轉備用、調頻、促進新能源消納等多種輔助服務策略[2-4]。電動汽車（EV）的規模化聚合商在電力市場中扮演著日益重要的角色。隨著全球對可持續交通和能源解決方案的需求不斷增長，電動車市場正在迅速擴張。這些聚合商通過整合大量電動汽車的充電需求，能夠在電力市場上作為大型消費者參與交易，影響市場的供需平衡。

EV 用戶能量選擇具有多重性和不確定性的，不確定性因素有EV（入網/離網）時間、荷電狀態（State of Charge，SOC）、用戶響應意愿等，給電力系統帶來一定的挑戰，當前，普遍認為電力市場中發電供應商具有寡頭競爭特性，發電供應商通過較強的策略性行為操縱市場價格，對電力市場安全高效運行會產生不利影響[5]。因此，有關發電供應商市場力的問題被廣泛研究[6-9]，基于大多基于古諾模型和供應函數競爭模型的發電供應商市場力行為被廣泛的研究[10-15]；然而，在“碳中和碳達峰”背景下，現在有關電動汽車聚合商對電力市場均衡結果影響分析研究較少。

電力市場均衡分析是研究供給與需求之間關系的關鍵工具。在這個背景下，考慮電動汽車規模化聚合商意味著必須評估它們對電力系統的潛在影響，包括負荷曲線、峰值需求、發電組合以及電網運營和規劃。電動汽車聚合商可以通過智能充電管理來優化充電時間，減少對電網的峰值負荷沖擊，并利用車輛到網（V2G）技術為電網提供輔助服務，如頻率調節和備用能力。

電動汽車聚合商的參與可以帶來多方面的益處。首先，它們可以幫助平滑電網的負荷曲線，減少對昂貴且環境影響較大的峰值發電廠的依賴。其次，聚合商可以利用車輛的儲能能力，提高可再生能源的利用率，尤其是太陽能和風能這些間歇性能源。此外，聚合商還可以通過需求響應程序，根據實時電價調整充電行為，從而降低整體電力成本。

然而，電動汽車聚合商的市場參與也帶來了一系列挑戰。例如，如果大量車輛同時充電，可能會對當地電網造成壓力，尤其是在配電網層面。此外，電力市場的設計和規則可能需要調整以適應這種新型參與者的特性。市場規則、結算機制和數據交換標準都需要更新，以確保電動汽車聚合商能夠有效地參與市場。

從政策制定者的角度來看，為了促進電動汽車聚合商的健康發展，可能需要制定一系列支持措施。這可能包括提供財政激勵，鼓勵建設充電基礎設施，制定智能充電標準，以及確保電力市場的透明度和公平性。同時，監管機構需要確保市場的競爭格局不會因為電動汽車聚合商的參與而受到不公平的影響。

在技術層面，電動汽車聚合商的成功依賴于先進的信息通信技術（ICT）和能源管理系統（EMS）。這些系統需要能夠實時監測和控制車輛的充電狀態，預測電網和車輛的需求，以及與電力市場運營商和其他服務提供商進行有效的數據交換。

在低碳化進程的背景下，本文在假設電力市場古諾競爭的情形下，研究考慮電動汽車聚合商對電力市場均衡結果的影響。引入EV 聚合商、碳排放價格的發電成本模型，建立包含碳排放價格的寡頭壟斷市場模型，分析其納什均衡狀態；然后，利用算例對所構造的模型和得到的納什均衡狀態進行說明，并分析EV 聚合商引入與碳排放價格對電力市場均衡狀態的影響，并驗證模型方法的合理性。

1 EV 聚合商參與電力市場的模式

單個電動汽車因其電池容量限制，參與電網調度機會有限，因此建立EV 聚合商的電動汽車集群，具備一定規模的儲能容量與調度能力，可以成為電動汽車參與電力市場重要形式。電網的智能化發展，V2G 技術的逐漸成熟，為EV 聚合商參與電力市場提供了技術手段[16-18]。

圖1 為EV 聚合商參與電力市場交易的模式圖，EV聚合商以合同的形式與電動汽車用戶約定充放電行為，以此形成整體操作模式，將大量的分散的電汽車用戶集合成整體的群體，形成具有一定規模的EV 聚合商。EV 聚合商統一規范的為電動汽車建立電池容量、汽車參數、充放電技術要求等檔案，以整體群的方式參與電力市場競爭，并集中調度所控制的電動汽車的充放電。EV 聚合商從電網獲利，合理分攤給各電動汽車的用戶，以此達到節省電費的目的。

圖1 EV 聚合商參與電力市場的交易模式

2 考慮EV 聚合商的電力市場均衡模型

2.1 模型假設

電力市場中，因電力網架結構、能源約束等多重影響，電力市場具有寡頭競爭特性仍是大家普遍認為的。在低碳背景下，雙邊合約機制、現貨市場機制在同一電力市場中采用，雙邊合約價格以購售雙方敲定為準[18-20]。發電商分為新能源發電商、高效節能火電發電商、EV 聚合發電商等三類發電商。

假設某電力市場在某一時段的負荷需求為：

式中：該時段內，p 為市場統一結算價格；A 為負常數；L 為需求價格彈性大小參數，取非負常數，L 越大需求彈性越大。

電力市場中，常規的發電成本模型為：

式中：ai，bi，ci為大于0 的發電成本系數；qi為發電商i的發電出力[21-22]。

高效節能發電商是原本火電等高耗能發電商再引入碳排放因子δ 之后形成的。

常規火電機組的碳特征函數為：

式中：e 為CO2的排放量；考慮燃料充分燃燒的情況下，f 為電源所用燃料的CO2的排放量；w 為燃料的單位發熱值；η 為該電源的能量轉換效率，即發電效率。水電、風電和光伏等新能源為近零排放碳的能源[23-24]。

所以，發電機組碳排放因子δ 為：

式中δ 可表示單位發電量的CO2微增量。

由式（2）、式（3）可得碳排放的成本模型：

式中pci為發電商i 對應的碳排放價格。

由式（2）-式（5）可得，高效節能發電商成本，即有

本文研究EV 聚合商獲利模式為套利方式，即在滿足電動汽車常規行駛使用電能外，對富裕電能進行充放電套利，即在電網價格高時賣出，在低時買進。代表買入電能代表賣出電能。在t 時段，總的EV 聚合商輸出的凈輸出電能為：

Et可近似模擬為發電商的出力qi。EV 聚合商的暫考慮電池老化成本，y 為單位凈輸出電量電池老化成本，且0＜y＜1。一般取值為0.6。

忽略發電商的發電出力限制，輸電網絡約束以及每個發電商的碳排放量均未超過規定指標，因此，發電商i 在電力市場的決策情況可描述為如下利潤最大化問題：

2.2 EV 聚合商以現貨市場價格確定的市場均衡分析

在現貨市場上，發電商追求利潤最大化，EV 聚合商可類比為其中一個發電商，因此，市場均衡模型為：

發電商的出力均不會超過其上限qi，并且電動汽車充放電量均不會超過其容量上限。

式（8）是發電商的優化問題，（9）是EV 聚合商的優化問題，式（8）-式（13）構成了考慮EV 聚合商的市場出清模型，古諾博弈競爭的情況下，發電商以此來決定電力市場的發電量，電網公司代表用戶向發電商買電，用戶也可以與發電商之間簽訂合約合同。在給定其他發電商出力不變的條件下，每個發電商通過決策其發電出力以獲取最大利潤。EV 聚合商參與現貨市場交易，作為價格接受者。

在多目標模型采用商業求解器求解，由于在理論上很難保證電力市場博弈問題均衡解的唯一性，本文算例所求得的均衡可能只是所有均衡解中的一個。

3 算例分析

3.1 市場情況與發電成本參數

以2 家有策略性的發電商和一個EV 聚合發電商參與的電力市場為例對模型進行驗證分析。其中有2 為新能源類的發電商，新能源類發電商的碳排放近乎為0，其他均為高效節能發電商。傳統策略性發電商均參與現貨市場交易。

發電商的成本函數如表1 所示。電力市場中，因為新能源類的發電商成本較高，選擇發電商1 作為新能源類的發電商。需求函數中取L=0.1MW·h/$。各時段A 的參數如表2 所示。

表1 發電商的成本參數

表2 市場需求函數參數

本文采用碳交易市場的平均碳交易價格為研究對象，每個時段平均碳交易價格為40$/t。每個發電商因策略和技術原因其碳排放因子均不相同，為方便研究，碳排放因子均取0.007422kg/（MW·h）。y 參考取值為0.6。

3.2 市場均衡情況分析

圖2、圖3 可以看出：在EV 聚合商引入之后，以古諾競爭方式參與市場競爭時，EV 聚合商具有套利充放電行為，在價格低時進行充電，在價格高時進行放電，在價格低時進行充電。在負荷低谷時，EV 聚合商進行充電，相當于增加負荷，市場比無EV 聚合商情況呈現較高的均衡價格，在高峰負荷時，EV 聚合商進行放電，相當于增加供電量，市場比無EV 聚合商情況呈現較低的均衡價格，引入EV 聚合商呈現出對市場價格“削峰填谷”效果。同時在發電商1 或者2，出現出力不足時，EV 聚合商可進一步調用剩余能量提供電量，提高供電可靠性，市場呈現較高的價格。

圖2 市場均衡價格情況

圖3 發電商與EV 聚合商出力情況

價格合理選取對發電商決策有著一定的影響。

3.3 碳排放價格對市場均衡價格的影響

圖4 為碳排放價格取不同值時對市場均衡價格的變化曲線，由圖4 可知：隨著碳排放價格的增高，市場均衡價格波動性比較明顯，發電商為了獲取最大利潤，將會盡可能的多安排發電量，而對于EV 聚合商的加入，由于其本身的特點，既可以作為負荷也可以作為發電商，對市場均衡價格影響較為明顯，初步表現為隨著碳排放價格的增高，當作為負荷，從電網吸收電量，市場均衡價格呈現較低現象，作為發電商，向電網提供電量，市場均衡價格呈現較高現象。可以解釋為：高效節能發電商為了進一步控制成本和達到碳排放要求，結合市場動向及EV 聚合商充放電情況，合理安排發電計劃，控制自身策略，市場均衡價格波動呈現敏感性。

圖4 碳排放價格對市場均衡價格的影響

4 結論

本文在電力批發市場古諾競爭條件下，通過引入碳排放價格的碳排放成本模型，建立了含入EV 聚合商的市場均衡模型，并對引入碳排放價格后發電市場情況進行分析，通過算例驗證表明：

①在EV 聚合商引入之后，以古諾競爭方式參與市場競爭時，EV 聚合商可以進行充放電套利行為，對市場價格呈現“削峰填谷”效果。可見，EV 聚合商套利這一因素對市場均衡價格有著顯著影響。

②引入碳排放價格后，在EV 聚合商的充放電影響下，隨著碳排放價格升高，傳統發電商根據市場需求變化，控制自身策略，對市場均衡價格影響顯著。可見，碳排放價格的合理選取對發電商決策的重要性。