計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)定價(jià)策略

辛苗苗 李永攀 張延遲 解 大

1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院；2.深圳供電局有限公司；3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院

1 引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也帶動(dòng)了我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前我國(guó)汽車保有量持續(xù)增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)趨勢(shì)還將持續(xù)。傳統(tǒng)燃料汽車以汽油、柴油、天然氣、乙醇汽油等化石燃料作為動(dòng)力源，不僅加劇了我國(guó)的化石燃料消耗量，而且資源利用率較低，存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)情況。燃料燃燒后的排放物造成的污染問題也日益嚴(yán)重，在人口密集、汽車保有量高的城市，汽車尾氣污染在某種程度上已經(jīng)超過了工業(yè)污染，城市空氣污染指數(shù)居高不下，霧霾天氣越來越多，范圍越來越廣，從某種程度而言，其中汽車尾氣的排放作出了一定的“貢獻(xiàn)”。

發(fā)展電動(dòng)汽車（Electric Vehicle,EV）是節(jié)能減排、消納可再生能源、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段[1,2]。電動(dòng)汽車作為“零排放”的交通工具之一，在節(jié)能減排，緩解能源危機(jī)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[3]。美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）對(duì)電動(dòng)汽車的影響進(jìn)行了一系列的研究，在節(jié)能減排方面，充電一次行駛60英里的電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的燃料汽車相比，能夠減少二氧化碳排放50%，減少汽油消耗75%，電動(dòng)汽車的節(jié)能減排效果與發(fā)電方式有關(guān)，傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電會(huì)增加碳排放量，影響電動(dòng)汽車的節(jié)能和減排效果[4,5]。

目前我國(guó)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)商一般由電網(wǎng)公司承擔(dān)，電動(dòng)汽車充放電服務(wù)費(fèi)的定價(jià)還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般都是運(yùn)營(yíng)商以回收成本獲取盈利為目的制定電動(dòng)汽車充放電服務(wù)費(fèi)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。為了盡量減少電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)造成的影響，本文以峰谷運(yùn)行為基礎(chǔ)，提出電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)的定價(jià)策略，以此引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶的充電行為，緩解其并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)的影響。

2 電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及其并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1 電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀

相比歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，但在政府的政策支持和科技工作者的不懈努力下，經(jīng)過十多年的不斷探索和努力，我國(guó)的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)，取得了驕人的成績(jī)。為了促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)家啟動(dòng)了一系列重點(diǎn)扶持措施和政策，涉及技術(shù)研發(fā)、購(gòu)車補(bǔ)貼、稅收減免等方面，旨在加速推進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在國(guó)家政策的強(qiáng)力推動(dòng)下，我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)取得了不小的進(jìn)步，電動(dòng)汽車的產(chǎn)量和銷售量實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。我國(guó)新能源汽車的產(chǎn)銷量從2011年的0.8萬輛到2017年的794 000輛、銷量777 000萬輛，完美的詮釋了我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。圖1所示為2011～2017年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量圖，2011年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量?jī)H8 000輛，占全國(guó)汽車產(chǎn)量比重不到千分之一，2017年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量達(dá)794 000輛，占全國(guó)汽車產(chǎn)量比重超過2.7%，新能源汽車的產(chǎn)銷量已連續(xù)三年位居世界第一，累計(jì)保有量達(dá)到1 800 000輛，占全球市場(chǎng)保有量50%以上，預(yù)計(jì)2018～2020年我國(guó)新能源汽車的產(chǎn)量將分別達(dá)到1 108 000輛、1 474 000輛和2 000 000輛。

圖1 2011～2017年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量圖

圖2 我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量增長(zhǎng)率

圖2為近幾年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量的增長(zhǎng)率，并預(yù)測(cè)了未來三年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量的增長(zhǎng)率。受國(guó)際原油價(jià)格暴跌的影響，2013年新能源汽車產(chǎn)量增長(zhǎng)率僅為3.85%，但是隨后兩年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量迅猛增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率一度高達(dá)300%以上，自2016年開始，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量逐漸趨于穩(wěn)定，每年的增長(zhǎng)率控制在30%～50%之間平穩(wěn)發(fā)展，發(fā)展趨勢(shì)較為合理。

2.2 電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)的影響

隨著電動(dòng)汽車的不斷普及與推廣，電動(dòng)汽車數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)。由于電動(dòng)汽車用戶充電具有隨機(jī)性，電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)的影響也逐步顯現(xiàn)。電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)的影響主要可以概括為對(duì)電源容量的影響、對(duì)負(fù)荷平衡的影響以及對(duì)電能質(zhì)量的影響。

（1）對(duì)電源容量的影響

電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)使電網(wǎng)發(fā)電側(cè)電源容量面臨挑戰(zhàn)。由于電網(wǎng)的容量有限，大規(guī)模的電動(dòng)汽車無序接入需要電網(wǎng)電源容量增加。為了盡量緩解電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)造成的影響，應(yīng)該采取一定的措施引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶錯(cuò)峰充電，同時(shí)電網(wǎng)也要不斷完善電力系統(tǒng)配置，達(dá)到滿足電動(dòng)汽車充電需求與電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的良好局面，不斷探索電動(dòng)汽車與電力系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的新方法。

（2）對(duì)負(fù)荷平衡的影響

電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)使電力負(fù)荷增大，增加了電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配電的壓力，使電網(wǎng)面臨新的挑戰(zhàn)。隨著接入電網(wǎng)進(jìn)行充電的電動(dòng)汽車數(shù)量越來越多，電網(wǎng)負(fù)荷將持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)線電壓降低，低于目前的額定電壓，這種較大的負(fù)荷變化會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電產(chǎn)生更高的要求，電力系統(tǒng)升級(jí)面臨巨大挑戰(zhàn)。此外電動(dòng)汽車局部聚集性充電或者在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段集中充電都會(huì)使電網(wǎng)負(fù)荷嚴(yán)重失衡，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）對(duì)電能質(zhì)量的影響

電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展也推動(dòng)了與之配套的電動(dòng)汽車充電設(shè)施的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電樁內(nèi)含有大量高度非線性的電力電子裝置，當(dāng)充電樁對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，直流電流在交流三相之間不停地?fù)Q相時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，從而對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，如功率損耗、電壓偏差、頻率波動(dòng)、諧波污染等。

3 計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)

通過前文的分析研究可以看出電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電會(huì)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，因此電動(dòng)汽車并入電網(wǎng)進(jìn)行充電不僅需要繳納基本的電費(fèi)，還需要繳納一部分服務(wù)費(fèi)，這部分服務(wù)費(fèi)通常包括充電樁建設(shè)費(fèi)、電網(wǎng)改建費(fèi)、電網(wǎng)網(wǎng)損費(fèi)等。采取合理的充電電價(jià)是電網(wǎng)公司鼓勵(lì)電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的必要手段，而制定合理的服務(wù)費(fèi)可以引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶的充電行為，減小電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)的影響。

3.1 電網(wǎng)峰谷分時(shí)電價(jià)

在需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制下，電價(jià)是電網(wǎng)公司給用戶的一個(gè)信號(hào)[6]，用戶在電價(jià)的引導(dǎo)下，適當(dāng)調(diào)節(jié)自身的用電行為。從圖3所示的電力供應(yīng)鏈可以看出，電力系統(tǒng)的售電電價(jià)是電源側(cè)發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)和電力輸送過程中的輸配電價(jià)兩部分的總和。

圖3 電力供應(yīng)鏈

根據(jù)需求響應(yīng)理論，電價(jià)的變化會(huì)引起用戶用電量的變化。公式（1）為用戶用電量與電價(jià)的彈性關(guān)系式，即在一定時(shí)間段內(nèi)，用電量的變化率與電價(jià)的變化率之比，又稱為電量電價(jià)彈性。

圖4 典型的用電量與價(jià)格曲線

根據(jù)電量電價(jià)彈性關(guān)系式和典型的用電量與價(jià)格曲線圖可以得出，電價(jià)的變化可以引導(dǎo)用戶用電量的變化，根據(jù)這一關(guān)系電網(wǎng)公司設(shè)計(jì)了峰、平、谷分段電價(jià)，由于用電負(fù)荷高峰時(shí)期，為了滿足用戶用電需求，電廠需要增加發(fā)電量，引起發(fā)電燃料費(fèi)增加、設(shè)備損耗費(fèi)增加，導(dǎo)致電價(jià)上升，此外，用電負(fù)荷高峰時(shí)期，電網(wǎng)供電量增加，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)潮流增加，使網(wǎng)損增大，輸電成本增加也會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷高峰時(shí)段電價(jià)上升。同理，用電負(fù)荷低谷時(shí)段發(fā)電成本和輸電成本都會(huì)降低，此時(shí)電價(jià)也會(huì)降低，基于上述分析，電網(wǎng)公司制定了峰、谷、平三個(gè)不同階段的電價(jià)。

3.2 基于峰谷分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)

對(duì)于電動(dòng)汽車而言，如果沒有充電服務(wù)費(fèi)價(jià)格的引導(dǎo)，電動(dòng)汽車用戶會(huì)在行駛結(jié)束后安排電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，一般情況下，用戶到達(dá)單位停車后或者下班回家后都將是電動(dòng)汽車的充電高峰時(shí)段，而這些充電時(shí)段常常會(huì)與電網(wǎng)的用電負(fù)荷高峰時(shí)段重疊，進(jìn)一步加劇電網(wǎng)負(fù)荷壓力，拉大電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為了能夠通過服務(wù)費(fèi)的波動(dòng)變化引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶避開用電負(fù)荷高峰時(shí)段充電行為，盡量選擇在用電負(fù)荷低谷時(shí)段充電，本文提出了一種基于計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)定價(jià)策略，具體的收費(fèi)意向如表1所示。

圖5為深圳市某區(qū)域典型的日負(fù)荷曲線，根據(jù)曲線可以看出，電網(wǎng)負(fù)荷呈明顯的峰谷波動(dòng)變化，基于負(fù)荷的這類峰谷波動(dòng)，電網(wǎng)制定了相應(yīng)的峰谷分時(shí)電價(jià)，同理根據(jù)負(fù)荷的這種峰谷變化也可以對(duì)電動(dòng)汽車充電行為征收相應(yīng)的服務(wù)費(fèi)。

表1 基于峰谷分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)征收意向

圖5 典型的日負(fù)荷曲線

根據(jù)圖5所示的典型日負(fù)荷曲線，假設(shè)正常情況下日負(fù)荷曲線的斜率為且滿足，但當(dāng)負(fù)荷驟變時(shí)會(huì)出現(xiàn)，如圖中22∶00至23∶00期間，負(fù)荷變化幅度較大，負(fù)荷曲線的斜率絕對(duì)值也相對(duì)較大，針對(duì)負(fù)荷的這一變化趨勢(shì)，提出計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)定價(jià)策略：

時(shí)：

4 仿真分析

為了驗(yàn)證計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)定價(jià)策略對(duì)引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶錯(cuò)峰充電的作用，本文選取深圳市某區(qū)域的日負(fù)荷數(shù)據(jù)（不包含電動(dòng)汽車充電日負(fù)荷數(shù)據(jù)）、電動(dòng)汽車隨機(jī)充電日負(fù)荷數(shù)據(jù)、基于峰谷分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車充電日負(fù)荷數(shù)據(jù)以及采用峰谷分時(shí)電價(jià)并征收計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的充電服務(wù)費(fèi)的電動(dòng)汽車充電日負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

其中該地區(qū)的日負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖5所示，三種不同模式下電動(dòng)汽車充電日負(fù)荷變化如圖6所示。從圖6可以看出，電動(dòng)汽車隨機(jī)充電模式下，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電負(fù)荷有名明顯的峰谷變化，其充電行為主要集中在下午和傍晚，其他時(shí)段充電負(fù)荷較??；峰谷分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車充電負(fù)荷有所變化，充電負(fù)荷有一部分由下午移到了晚間，負(fù)荷趨勢(shì)更加平緩；征收計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的充電服務(wù)費(fèi)后電動(dòng)汽車充電負(fù)荷變化趨勢(shì)更加平緩，電動(dòng)汽車用戶充電更傾向于低谷電價(jià)時(shí)段。

圖6 三種不同模式下電動(dòng)汽車充電日負(fù)荷變化圖

為了更加清晰地展現(xiàn)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷變化對(duì)電網(wǎng)的影響，分別將三種模式下的電動(dòng)汽車充電日負(fù)荷與該地區(qū)日負(fù)荷曲線疊加，觀察總負(fù)荷變化情況。圖7為電動(dòng)汽車隨機(jī)接入電網(wǎng)日負(fù)荷曲線，圖8為峰谷分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)日負(fù)荷曲線，圖9為征收峰谷分時(shí)服務(wù)費(fèi)后電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)日負(fù)荷曲線，圖中紅色曲線為電動(dòng)汽車充電日負(fù)荷曲線，黑色曲線為不包含電動(dòng)汽車的日負(fù)荷曲線，藍(lán)色曲線為電動(dòng)汽車負(fù)荷與其他負(fù)荷疊加后的總負(fù)荷曲線。

觀察圖7可以看出，電動(dòng)汽車隨機(jī)接入電網(wǎng)負(fù)荷曲線有明顯的峰谷變化，且與電網(wǎng)其他負(fù)荷曲線峰谷時(shí)段有大范圍重疊，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷高峰時(shí)段在電網(wǎng)其他負(fù)荷高峰時(shí)段范圍內(nèi)，用電高峰時(shí)段電網(wǎng)總負(fù)荷進(jìn)一步增大，明顯拉大了電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大的挑戰(zhàn)，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 電動(dòng)汽車隨機(jī)接入電網(wǎng)日負(fù)荷曲線

圖8 峰谷分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)日負(fù)荷曲線

對(duì)比圖8和圖7中的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線可以發(fā)現(xiàn)，在峰谷分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線變得較為平緩，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷峰谷差縮小，電網(wǎng)負(fù)荷用電高峰時(shí)段電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的峰值降低，且整個(gè)峰值時(shí)段趨勢(shì)較為平緩穩(wěn)定，用電高峰時(shí)段電網(wǎng)總負(fù)荷增大，但是增長(zhǎng)趨勢(shì)與圖7相比較為平緩，且電網(wǎng)總負(fù)荷峰值較圖7總負(fù)荷峰值相對(duì)較小，負(fù)荷峰谷差也相對(duì)小一些，由此可以看出峰谷分時(shí)電價(jià)可以緩解電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電拉大電網(wǎng)總負(fù)荷峰谷差的行為，在促進(jìn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行過程中起到一定的作用。

圖9 征收峰谷分時(shí)服務(wù)費(fèi)后電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)日負(fù)荷曲線

圖9 為在峰谷分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)上額外征收計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的充電服務(wù)費(fèi)后的日負(fù)荷曲線，從圖中可以看出，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷比圖7和圖8中的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線更加平緩，充電負(fù)荷均勻分布在各個(gè)時(shí)間段，沒有明顯的峰谷變化，圖9中用電負(fù)荷高峰時(shí)段電網(wǎng)總負(fù)荷增長(zhǎng)程度比圖7和圖8都要小，總負(fù)荷曲線的峰谷差也最小?？梢钥闯鲈诜骞确謺r(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上再征收計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的服務(wù)費(fèi)可以有效引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶的充電行為，可以緩解電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電增加電網(wǎng)負(fù)荷壓力，拉大電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的情況。

圖10 三種不同模式下電網(wǎng)總負(fù)荷變化圖

圖10 為電動(dòng)汽車三種不同充電模式下電網(wǎng)總負(fù)荷變化圖，從圖中可以看出電動(dòng)汽車隨機(jī)充電模式下電網(wǎng)負(fù)荷峰谷變化最明顯，負(fù)荷峰值最大；采用峰谷分時(shí)電價(jià)后，電網(wǎng)總負(fù)荷峰值降低，谷值略微上升，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差縮小；征收計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的充電服務(wù)費(fèi)后電網(wǎng)總負(fù)荷峰谷差進(jìn)一步縮小，總負(fù)荷變化更加平緩。

5 總結(jié)

隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)造成的影響也逐步顯現(xiàn)，為了緩解電動(dòng)汽車無序并網(wǎng)充電造成電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差進(jìn)一步加劇，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文提出了計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)定價(jià)策略，通過對(duì)比電動(dòng)汽車隨機(jī)充電模式、峰谷分時(shí)電價(jià)模式下以及征收計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的充電服務(wù)費(fèi)三種不同模式下電動(dòng)汽車充電負(fù)荷和電網(wǎng)總負(fù)荷變化趨勢(shì)得出以下結(jié)論：

（1）電動(dòng)汽車隨機(jī)接入電網(wǎng)充電模式下電動(dòng)汽車充電負(fù)荷峰谷變化趨勢(shì)與電網(wǎng)其他負(fù)荷峰谷變化趨勢(shì)接近，造成電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差進(jìn)一步加劇，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；

（2）峰谷分時(shí)電價(jià)模式下電動(dòng)汽車充電負(fù)荷峰值有所緩解，電網(wǎng)總負(fù)荷峰谷差有所下降，峰谷分時(shí)電價(jià)對(duì)引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶充電行為具有一定的作用；

（3）在電網(wǎng)峰谷分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上繼續(xù)征收計(jì)及電網(wǎng)峰谷運(yùn)行的充電服務(wù)費(fèi)可以進(jìn)一步引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶的充電行為，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷相對(duì)均勻地分布在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段，有效緩解了電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，進(jìn)一步減小了因電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)造成的影響。