考慮電動(dòng)汽車換電站負(fù)荷特性的電網(wǎng)管理效益分析

孫偉卿，劉通，陳順風(fēng)，潘樂真，吳小東（.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海　0009；.國(guó)網(wǎng)溫州供電公司，浙江溫州　5000；.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上?！?006）

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考慮電動(dòng)汽車換電站負(fù)荷特性的電網(wǎng)管理效益分析

孫偉卿1，劉通1，陳順風(fēng)1，潘樂真2，吳小東3
（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093；2.國(guó)網(wǎng)溫州供電公司，浙江溫州325000；3.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海200063）

摘要：電動(dòng)汽車充放電管理是智能電網(wǎng)需求側(cè)管理的重要組成部分?；趯?duì)3種常見充電模式的比較，首先分析了換電模式在電動(dòng)汽車負(fù)荷管理方面的優(yōu)勢(shì)。然后，分析了電動(dòng)汽車換電站的負(fù)荷特性，研究了其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。最后，以一假想的換電站接入IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，比較電動(dòng)汽車換電站有序和無序充放電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，從而說明換電站有序充放電的管理效益。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；智能電網(wǎng)；負(fù)荷特性；管理效益

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在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化分析中，電力負(fù)荷總是被電網(wǎng)管理和決策者視為被動(dòng)接受的、剛性的系統(tǒng)參數(shù)。電力負(fù)荷總是單向地作用于被服務(wù)者，并不反作用于電力供應(yīng)方。但是，在面臨資源枯竭、環(huán)境惡化等多重問題的今天，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與電網(wǎng)雙向互動(dòng)，使其成為一類靈活可變的柔性系統(tǒng)參數(shù)具有十分顯著的現(xiàn)實(shí)意義[1]。因?yàn)橥ㄟ^負(fù)荷主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行控制，可以達(dá)到增加可再生能源接入、降低資源消耗、提高電力資產(chǎn)利用率等目的[2]。一般將此類具有柔性特征的負(fù)荷稱為“柔性負(fù)荷”[3-4]。

電動(dòng)汽車具有清潔能源產(chǎn)業(yè)的一般特性，但也具有作為負(fù)荷的特殊性。在電網(wǎng)中，電動(dòng)汽車不僅僅作為電力負(fù)荷存在，同時(shí)也可以作為移動(dòng)的、分布式的微電源接入電網(wǎng)[5]。與其他負(fù)荷相比，電動(dòng)汽車不但能夠在電網(wǎng)中起到很好的削峰填谷的作用，而且還能作為系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用。因此，電動(dòng)汽車是智能電網(wǎng)中一類重要的柔性負(fù)荷[6]。

1換電模式優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)汽車補(bǔ)充能源只有單一的加油模式。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，則方式較為多樣化，在目前有3種充電方式較為普遍[7]，其一是普通的充電模式，其二是快速充電模式，其三是電池更換模式。

普通充電模式多為家庭和停車場(chǎng)充電，其充電樁安裝與充電時(shí)間較為隨意，多采用小電流恒壓恒流三段式充電，消耗時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)而言，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)與調(diào)度。快速充電模式多應(yīng)用于室內(nèi)交通流通場(chǎng)所，可以在數(shù)分鐘內(nèi)充滿所需電量，但充電的電流較大，對(duì)安全管理要求較大，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性甚于普通充電模式。電池更換模式通過統(tǒng)一模式的電動(dòng)汽車換電站進(jìn)行更換堅(jiān)持，其操作簡(jiǎn)便，投資費(fèi)用低，其行為可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，國(guó)家電網(wǎng)已將換電模式列為電動(dòng)汽車的主要充電模式[8]。

電動(dòng)汽車換電站通過電池更換，一般進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的晚間充電。利用此時(shí)段的電網(wǎng)低谷，降低運(yùn)營(yíng)成本，平衡本區(qū)域的區(qū)間用電。此外，在能保證電動(dòng)汽車換電需求下，換電站還可以在日間（電價(jià)較高）向電網(wǎng)出售電能，提高換電站經(jīng)濟(jì)收益。

在電力系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車充放電需使用汽車到電網(wǎng)（vehicle to grid，V2G）技術(shù)[9]，而這，必須車載式智能充電器，從而達(dá)到電動(dòng)汽車的智能充電[10-11]。

基于以上因素，如果以換電站為單位進(jìn)行集中管理與控制，實(shí)現(xiàn)由V2G向電池到電網(wǎng)（battery to grid，B2G）的轉(zhuǎn)變[12]，則單位電池充電費(fèi)用降低，電動(dòng)汽車使用效率增加，由無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的不確定性負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆湎鞣逄罟?、?fù)荷調(diào)平、備用電源等作用的柔性負(fù)荷。

對(duì)于電動(dòng)汽車充電產(chǎn)業(yè)而言，換電站可以向用戶收取一定的充電費(fèi)用，利用充電費(fèi)用與電網(wǎng)電價(jià)之間的差價(jià)，賺取利潤(rùn)。也可以經(jīng)用電管理部門的同意，增加與電網(wǎng)換電的功能，“低充高放”獲得利潤(rùn)。當(dāng)此利潤(rùn)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，可吸收大量市場(chǎng)資本，從而加速推動(dòng)電動(dòng)汽車換電站的進(jìn)一步推廣建設(shè)。同時(shí)，低充高放還可以用來削峰填谷，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的效果，這種獲利行為對(duì)電動(dòng)汽車換電站和電網(wǎng)是雙贏的。

2換電站負(fù)荷特性分析

電動(dòng)汽車換電站的收益主要由以下3部分組成：其一是換電站的電池租用費(fèi)用，其二是“低充高放”獲得利潤(rùn)，其三是換電價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)之間的價(jià)差。

基于以上對(duì)電動(dòng)汽車換電站盈利模式的分析，可以得到以下兩點(diǎn)結(jié)論，并以此作為對(duì)電動(dòng)汽車換電站負(fù)荷特性分析的依據(jù)。

其一，在用戶規(guī)模及售/換電價(jià)格確定的情況下，電動(dòng)汽車換電站從用戶處獲取的收入是相對(duì)固定的。在此情況下，換電站可以通過降低運(yùn)營(yíng)成本，獲取更大的凈利潤(rùn)。換電站電池充電的電費(fèi)成本是其可控運(yùn)營(yíng)成本的重要組成部分，因此，換電站須在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下進(jìn)行合理的電池充電管理，在滿足用戶換電需求的前提下，盡可能地選擇在電價(jià)較低時(shí)充電以降低電池的充電成本，方能獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益。

其二，在分時(shí)/分段電價(jià)機(jī)制下，若高低電價(jià)之間的價(jià)差達(dá)到一定的程度，換電站可以利用低（電價(jià)）充電，高（電價(jià)）放電的方式，從電網(wǎng)直接獲取利潤(rùn)。并且，這種獲利方式的前提條件是：換電站中的電池?cái)?shù)量達(dá)到一定規(guī)模，以保證換電站低（電價(jià)）充電、高（電價(jià)）放電的獲利行為不會(huì)影響用戶的正常換電需求；邊界條件是電池一次充放電的獲利大于其折舊成本。

根據(jù)以上兩點(diǎn)結(jié)論，對(duì)電動(dòng)汽車換電站的負(fù)荷特性進(jìn)行分析。

首先，電動(dòng)汽車換電站負(fù)荷是有序、可控的，并且其各時(shí)段負(fù)荷的大小主要與其電池充放電的管理策略有關(guān)，因此電動(dòng)汽車換電站負(fù)荷是一類柔性負(fù)荷。

其次，由于分時(shí)/分段電價(jià)機(jī)制下的電價(jià)一般與負(fù)荷高低呈正相關(guān)的關(guān)系，即高負(fù)荷高電價(jià)、低負(fù)荷低電價(jià)，因此電動(dòng)汽車換電站盡可能選擇在低電價(jià)時(shí)段充電，以及低（電價(jià)）充電、高（電價(jià)）放電從電網(wǎng)獲利的運(yùn)營(yíng)方式，客觀上能夠起到削峰填谷的作用，對(duì)電網(wǎng)的安全、高效運(yùn)行是有利的。

再次，以電動(dòng)汽車換電站經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)的電池儲(chǔ)能充放電管理策略，既可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)方對(duì)經(jīng)濟(jì)效益最大化的需求，又為電網(wǎng)管理人員優(yōu)化和管理換電站負(fù)荷的重要依據(jù)。

基于以上分析，本文作者在文獻(xiàn)[13]中以換電站日運(yùn)營(yíng)收益最大化為目標(biāo)，兼顧各類運(yùn)營(yíng)約束條件，建立電動(dòng)汽車換電站最優(yōu)充放電策略的線性優(yōu)化模型，這不僅是換電站運(yùn)營(yíng)方收益最大化的需要，也是電網(wǎng)管理人員分析換電站負(fù)荷特性的需要。因此，以該模型求得的換電站日負(fù)荷曲線作為分析換電站負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的依據(jù)也是合理的。

3換電站負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

根據(jù)上文的分析，負(fù)荷柔性的最重要作用之一體現(xiàn)在削峰填谷上，而削峰填谷可以改善電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[14]。電網(wǎng)運(yùn)行中的能量損耗主要來源于輸電線路上的線損和變壓器上的負(fù)載損耗。

3.1對(duì)輸電線路線損的影響

僅考慮高峰和低谷2個(gè)時(shí)段，輸電線路上的能量損耗為：

式中：V為線路端電壓；R為線路電阻；φ為功率因數(shù)角；PH和PL分別為高峰和低谷時(shí)段流經(jīng)該線路的有功功率平均值；hH和hL分別為高峰和低谷時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)。

假設(shè)高峰和低谷時(shí)段該線路上有功負(fù)荷的差為ΔP，即PH=PL+ΔP；且高峰和低谷時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)相等，即hH=hL=h。

此時(shí)，考慮負(fù)荷柔性的削峰填谷作用，且假設(shè)高峰時(shí)段線路上有kΔP（0＜k＜1）的有功負(fù)荷被轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段，則考慮負(fù)荷柔性削峰填谷作用后的線路能量損耗變?yōu)椋?/p>

那么，ΔEloss與ΔE′loss之差即為削峰填谷前后線路能量損耗的差異：

由此可見，發(fā)揮負(fù)荷柔性削峰填谷的作用，可以有效降低輸電線路能量損耗，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.2對(duì)變壓器負(fù)載損耗的影響

另一方面，變壓器功率損耗也是電網(wǎng)運(yùn)行中能量損耗的主要組成部分，以雙繞組變壓器功率損耗計(jì)算為例，說明削峰填谷對(duì)改善變壓器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。

設(shè)變壓器高峰和低谷時(shí)段的視在功率分別為SH和SL，變壓器短路損耗為Pk，額定容量為SN，則該變壓器高峰和低谷時(shí)段負(fù)載的有功損耗之和為：

同樣，假設(shè)高峰和低谷時(shí)段該變壓器上負(fù)載視在功率的差為ΔS，即SH=SL+ΔS；且高峰和低谷時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)相等，即hH=hL=h。

同樣，考慮負(fù)荷柔性的削峰填谷作用，且假設(shè)高峰時(shí)段變壓器上有kΔS（0＜k＜1）的負(fù)載被轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段，則考慮負(fù)荷柔性削峰填谷作用后的變壓器能量損耗變?yōu)椋?/p>

那么，ΔET，loss與ΔE′T，loss之差即為削峰填谷前后變壓器負(fù)載損耗的差異：

可見，發(fā)揮負(fù)荷柔性削峰填谷的作用，還可以有效降低變壓器運(yùn)行的能量損耗，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

此外，高峰時(shí)段的大負(fù)荷往往對(duì)應(yīng)更多潛在的系統(tǒng)運(yùn)行安全隱患。因此，利用換電站負(fù)荷的削峰填谷作用，還能有效提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

4算例分析

因電動(dòng)汽車換電站一般接于配電網(wǎng)中，因此以IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電測(cè)試系統(tǒng)為算例，分析電動(dòng)汽車換電站負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。系統(tǒng)接線圖見圖1，具體數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[15]，并設(shè)換電站的接入位置為節(jié)點(diǎn)5。

圖1 IEEE-33節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)接線圖Fig. 1 Diagram of IEEE 33-bus test system

基于此，以文獻(xiàn)[15]中的系統(tǒng)負(fù)荷為基準(zhǔn)，設(shè)系統(tǒng)一天24個(gè)時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷倍數(shù)如表1所示。

應(yīng)用文獻(xiàn)[13]建立的線性優(yōu)化模型求解以上電動(dòng)汽車換電站的最大日運(yùn)營(yíng)收益（各時(shí)段電動(dòng)汽車換電需求、電池參數(shù)等與文獻(xiàn)[13]取相同值），并以求得的優(yōu)化結(jié)果計(jì)算換電站有序充放電的負(fù)荷，與換電站無序充放電時(shí)的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)作比較。本文中，換電站無序充電負(fù)荷根據(jù)文獻(xiàn)[16]無序充電負(fù)荷曲線擬合，不考慮換電站向電網(wǎng)倒送電能，換電站負(fù)荷功率因數(shù)皆設(shè)為0.95。無序充電情況下，換電站負(fù)荷一天中的早晚高峰分別出現(xiàn)在11時(shí)和20時(shí)，與電網(wǎng)負(fù)荷高峰相比延遲1～2 h，這與一般的居民生活生產(chǎn)規(guī)律是一致的。

表1電網(wǎng)24 h負(fù)荷倍數(shù)Tab. 1 Load multiples in 24 hours

以電網(wǎng)總運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，分別計(jì)算一天24個(gè)時(shí)段內(nèi)電網(wǎng)的最優(yōu)潮流。其中，電網(wǎng)24小時(shí)總運(yùn)行成本函數(shù)如（7）所示。

式中：Ng為電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)數(shù)量；ai，bi，ci為發(fā)電機(jī)i的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)系數(shù)；PGi為發(fā)電機(jī)i的有功出力。

2種情況下，電網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用和電能損耗如表2所示。

由表2可見，EVBSS有序充放電情況下，無論是電網(wǎng)一天24 h內(nèi)的總運(yùn)行成本，還是總電能損耗，都要優(yōu)于EVBSS無序充放電情況。

2種情況下，換電站和電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 2種情況下?lián)Q電站日負(fù)荷曲線Fig. 2 Daily load curve of the EVBSS under two situations

圖2中，負(fù)荷功率為正表示換電站從電網(wǎng)吸收電能，負(fù)荷功率為負(fù)表示換電站向電網(wǎng)釋放電能。無序充放電情況下，換電站的負(fù)荷曲線與電網(wǎng)負(fù)荷曲線是基本一致的，而有序充放電情況下，換電站起到了削峰填谷的作用。由圖3可見，在滿足相同換電站充電負(fù)荷總需求的情況下，換電站有序充放電時(shí)的電網(wǎng)日負(fù)荷曲線比換電站無序充放電時(shí)更加平緩。

表2電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較Tab. 2 Comparison of system operation economy

圖3 2種情況下電網(wǎng)日負(fù)荷曲線Fig. 3 Daily load curve of the grid under two situations

電網(wǎng)各時(shí)段的網(wǎng)損曲線如圖4所示。

由圖4可見，由于有序充放電起到的削峰填谷作用，電網(wǎng)24 h的網(wǎng)損曲線也更加平緩，使得總的網(wǎng)損量也有所減小。

圖4 2種情況下電網(wǎng)網(wǎng)損曲線Fig. 4 Daily loss curve of the grid under two situations

在以上算例中，一天中電動(dòng)汽車換電站的用電量占電網(wǎng)總用電量的比例不足6%，隨著電動(dòng)汽車滲透率的進(jìn)一步提高，其削峰填谷、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率的作用將更加明顯。

此外，在電網(wǎng)負(fù)荷最高峰（即時(shí)段20），換電站有序充放電時(shí)節(jié)點(diǎn)5剩余的有功負(fù)載能力約為9.5 MW，而無序充電時(shí)其剩余的有功負(fù)載能力僅為1.1 MW。這說明，在有序充放電情況下可以接納更多電動(dòng)汽車進(jìn)入現(xiàn)有電網(wǎng)。

5　結(jié)語

通過換電站及電網(wǎng)管理人員對(duì)充放電行為的有序管理及優(yōu)化調(diào)度，電動(dòng)汽車電池可以成為“靈活可變”的柔性負(fù)荷，不但可以提高換電站經(jīng)濟(jì)效益，而且還能起到顯著的削峰填谷作用，改善電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

隨著電動(dòng)汽車滲透率的不斷提高，電動(dòng)汽車負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響將日益顯現(xiàn)，并成為智能電網(wǎng)需求側(cè)管理的重要組成部分，對(duì)其有序充放電行為所產(chǎn)生的管理效益也將更加明顯。

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孫偉卿（1985—），男，博士，講師，從事電力系統(tǒng)優(yōu)化、智能電網(wǎng)方面的研究；

劉通（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化。

（編輯徐花榮）

Analysis on Load Characteristic and Management Benefits of Electric Vehicle Battery Swapping Station

SUN Weiqing1，LIU Tong1，CHEN Shunfeng1，PAN Lezhen2，WU Xiaodong3
（1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. State Grid Wenzhou Electric Power Company，Wenzhou 325000，Zhejiang，China；3. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China）

ABSTRACT：The charging and discharging management of electric vehicles is an important component of the demand side management in smart grid. Based on the comparison of the three most common charging modes，this paper analyzes the advantages of battery swapping mode in load management. Then，the load characteristics and its effects on grid operation of electric vehicle battery swapping station（EVBSS）are analyzed. Finally，a fictitious EVBSS is connected to the IEEE 33-bus test system to compare the difference on grid operation between orderly and disorderly charging and discharging，so that the management benefits of EVBSS orderly charging and discharging can be shown.

KEY WORDS：electric vehicle；smart grid；load characteristics；management benefit

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-10-20。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51407117）；上海市青年科技英才“揚(yáng)帆計(jì)劃”項(xiàng)目（14YF1410100）；滬江基金（B1402/D1402）。

文章編號(hào)：1674- 3814（2016）02- 0127- 06

中圖分類號(hào)：TM714；U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A