李世春, 王 揚(yáng), 鐘 浩, 舒征宇
(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)
大規(guī)模的電動(dòng)汽車(Electric Vehicle, EV)能有效利用風(fēng)、光等可再生能源,但電動(dòng)汽車無序充電行為加劇了系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差[1],[2]?;陔妰r(jià)引導(dǎo)的有序充放電策略是削減電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的有效手段。 文獻(xiàn)[3]建立了發(fā)電側(cè)成本、線路網(wǎng)損、負(fù)荷波動(dòng)和用戶費(fèi)用最小的優(yōu)化模型,基于分時(shí)電價(jià)制度求得電動(dòng)汽車充放電調(diào)度計(jì)劃。 文獻(xiàn)[4]考慮了波動(dòng)因素的電價(jià)機(jī)制,提出一種電動(dòng)汽車集群負(fù)荷需求響應(yīng)策略,實(shí)現(xiàn)最小化用戶費(fèi)用和平抑負(fù)荷波動(dòng)的優(yōu)化目標(biāo)。 文獻(xiàn)[5]在峰谷分時(shí)電價(jià)背景下,提出了一種功率限制的電動(dòng)汽車充放電策略,減小負(fù)荷峰谷差的同時(shí)保證居民用電負(fù)荷不超過配電容量限值。 文獻(xiàn)[3]~[5]均未考慮電價(jià)對(duì)車主意愿的影響,并默認(rèn)全部電動(dòng)汽車主動(dòng)響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度控制, 放電策略缺乏客觀性。文獻(xiàn)[6]在車主自愿申請(qǐng)參與反向供電的原則下,運(yùn)營商結(jié)合車主的綜合指標(biāo),篩選每個(gè)控制時(shí)段參與反向供電的電動(dòng)汽車。 文獻(xiàn)[7]以電動(dòng)汽車快速充電站為研究背景,建立了電動(dòng)出租車司機(jī)對(duì)峰平谷充電價(jià)格差響應(yīng)模型,由此提出了基于分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)的電動(dòng)汽車有序充電策略。 文獻(xiàn)[6],[7]僅針對(duì)單一類型電動(dòng)汽車(私家車或出租車)開展相關(guān)研究,未考慮結(jié)合多類型電動(dòng)汽車來制定充放電策略。
本文以當(dāng)前主流的私家車、 出租車和公交車3 種類型電動(dòng)汽車為主體, 在深入分析三者對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷峰谷特性影響的基礎(chǔ)上, 挖掘私家車與出租車的融合調(diào)峰潛力, 提出了一種深化調(diào)峰的私家車/出租車群組合優(yōu)化充放電策略。
私家車、出租車、公交車是電動(dòng)汽車存在的主要類型, 三者在充電開始時(shí)刻和行駛里程特性分布方面均存在明顯不同[8],使無序充電模式下三者對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷峰谷特性也會(huì)形成差異化影響特征。私家車、出租車、公交車的充電開始時(shí)刻和行駛里程分布特性分別在文獻(xiàn)[9],[11]已詳細(xì)闡述,本文在此基礎(chǔ)上,采用蒙特卡洛模擬法,仿真無序充電狀態(tài)下3 種類型汽車對(duì)常規(guī)負(fù)荷特性影響情況,如圖1 所示。由圖1 可知, 私家車和出租車產(chǎn)生了明顯的負(fù)荷“峰上加峰”問題,其形成波峰時(shí)段卻存在差異, 而公交車對(duì)負(fù)荷峰谷差無明顯影響。
圖1 電動(dòng)汽車無序充電時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷曲線Fig.1 Load curve of grid for electric vehicle disorder charge
2.1.1 私家車充放電策略
私家車通常在8:00-10:00 接入工作區(qū)電網(wǎng),18:00-23:00 接入居民區(qū)電網(wǎng),??砍掷m(xù)時(shí)間為8~10 h,可以使響應(yīng)電價(jià)的私家車停靠到非峰時(shí)段再充滿電[9],[10]。 圖2 為響應(yīng)電價(jià)的私家車功率示意圖。
圖2 響應(yīng)電價(jià)私家車功率變化示意圖Fig.2 Diagram of power change of private car responded electricity price
圖 中:t1,in,t1,out,t1,pe分 別 為 私 家 車 接 入 電 網(wǎng) 時(shí) 刻、離開電網(wǎng)時(shí)刻、 ??砍掷m(xù)時(shí)間;P1,c,P1,d為私家車充電功率、放電功率。
2.1.2 出租車充放電策略
出租車每次??繒r(shí)間約為1.5 h, 時(shí)間較短,響應(yīng)電價(jià)的出租車只能以電量未滿狀態(tài)離開 電 網(wǎng) 等 待 下 次 停 靠 時(shí) 再 充 電[11],[12]。 圖3 為響 應(yīng) 電 價(jià) 的 出 租 車 功 率 示 意 圖。 圖 中t2,in,t2,out,t2,pe為出租車接入電網(wǎng)時(shí)刻、 離開電網(wǎng)時(shí)刻、停 靠 時(shí) 間;P2,c,P2,d分 別 為 出 租 車 充 電 功 率、放電功率。
圖3 響應(yīng)電價(jià)出租車功率變化示意圖Fig.3 Diagram of power change of taxi responded electricity price
考慮到車主意愿對(duì)電動(dòng)汽車功率需求影響[13],將電動(dòng)汽車細(xì)分為無序充電(V0G)、有序充電控制(V1G)、有序充放電控制(V2G)。為反映車主對(duì)充放電電價(jià)引導(dǎo)響應(yīng)程度,可定義響應(yīng)度λ 為
式中:n 為因響應(yīng)電價(jià)而改變充放電行為的電動(dòng)汽車數(shù)量;N 為電動(dòng)汽車總量。
出租車車主對(duì)電價(jià)的敏感度(線性區(qū)斜率)和響應(yīng)飽和值均小于私家車車主[14]。 考慮到車主對(duì)電價(jià)的響應(yīng)過程為分段線性函數(shù), 建立車主對(duì)放電電價(jià)響應(yīng)模型為[15]
式中:λi,dmax,ai,d,bi,d分別為電動(dòng)汽車對(duì)放電電價(jià)的響應(yīng)飽和值、死區(qū)閾值、飽和區(qū)閾值;i=1 時(shí)為私家車,i=2 時(shí)為出租車;cd為放電電價(jià),λi,d為電動(dòng)汽車對(duì)放電電價(jià)響應(yīng)度。
模型示意曲線如圖4 所示。
圖4 電動(dòng)汽車放電電價(jià)響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of electric vehicle in response to discharge price
對(duì)于充電價(jià)格,本文采用分時(shí)電價(jià),研究峰-谷、峰-平電價(jià)差對(duì)車主的引導(dǎo),車主對(duì)峰-谷和峰-平電價(jià)差響應(yīng)模型與式(2)相似,響應(yīng)曲線與圖4 形狀相同,不再贅述。
考慮到私家車與出租車不同充放電策略,以及車主對(duì)充放電電價(jià)響應(yīng)度, 可分別確定私家車與出租車的3 種類型車輛數(shù)。
對(duì)于私家車,設(shè)N1為私家車總數(shù)量,N1,V0G(j),N1,V1G(j),N1,V2G(j) 分別為私家車第j 次停靠時(shí)V0G,V1G,V2G 類型的數(shù)量,其表達(dá)式分別為
對(duì)于出租車,設(shè)N2為出租車總數(shù)量,N2,V0G(j),N2,V1G(j),N2,V2G(j) 分別為出租車第j 次??繒r(shí)V0G,V1G,V2G 類型的數(shù)量,其表達(dá)式分別為
式(3)~(8)中:λ1,d,λ1,pf,λ1,pv分別為私家車對(duì)放電電價(jià)、峰平電價(jià)差、峰谷電價(jià)差響應(yīng)度;λ2,d,λ2,pf,λ2,pv分別為出租車對(duì)放電電價(jià)、峰平電價(jià)差、峰谷電價(jià)差響應(yīng)度,均可由前述電價(jià)響應(yīng)模型確定。
根據(jù)上述電動(dòng)汽車充放電策略, 組合優(yōu)化策略流程如圖5 所示。
圖5 有序充放電控制流程Fig.5 Control flow chart of orderly charging/discharging
本文以電動(dòng)汽車充放電起止時(shí)刻為優(yōu)化變量, 以負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷方差作為評(píng)價(jià)削峰填谷效果的兩個(gè)指標(biāo), 其目標(biāo)函數(shù)最小即可實(shí)現(xiàn)削峰填谷最優(yōu)。
(1)負(fù)荷峰谷差最小化
負(fù)荷峰谷差為一日內(nèi)電網(wǎng)負(fù)荷的最大值與最小值之差, 而峰谷差最小化可以解決電網(wǎng)負(fù)荷峰值過高的問題。 該優(yōu)化目標(biāo)可表示為
式 中:f1為 負(fù) 荷 峰 谷 差;Pload(t)為t 時(shí) 刻 的 電 網(wǎng)常規(guī)負(fù)荷;Pev(t) 為電動(dòng)汽車群t 時(shí)刻的總功率;Pi,V0G(k,t),Pi,V1G(k,t),Pi,V2G(k,t)分別為V0G,V1G,V2G 類型中第k 輛EV 在t 時(shí)刻的負(fù)荷功率,充電為正,放電為負(fù);ti,V0Gcs,ti,V0Gce分別為V0G類 型EV 充 電 起 止 時(shí) 刻;ti,V1Gcs,ti,V1Gce分 別 為V1G類 型EV 充 電 起 止 時(shí) 刻;ti,V2Gcs,ti,V2Gce分 別 為V2G類 型EV 充 電 起 止 時(shí) 刻;ti,V2Gds,ti,V2Gde分 別 為V2G類型EV 放電起止時(shí)刻。
第三,傳統(tǒng)的教學(xué)模式的特點(diǎn)是以教材為中心,以灌輸知識(shí)為目的,學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的能力。課堂以講授為主,教學(xué)方法單一守舊,師生之間缺少互相交流。長期的知識(shí)搬運(yùn)和簡單課堂理論教學(xué)方式,單一化教學(xué)手段,死記硬背考核方式,阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的發(fā)揮,消磨了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,制約了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的形成和發(fā)展。
(2)負(fù)荷方差最小化
負(fù)荷方差可反映負(fù)荷曲線的平坦程度, 從負(fù)荷特性來講, 負(fù)荷方差最小化有利于降低系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)。 該優(yōu)化目標(biāo)可表示為
式中:f2為負(fù)荷方差;Pav為日平均負(fù)荷;T 為1 d時(shí)長。
(3)約束條件
①放電起止時(shí)刻約束
式中:tp,s為峰時(shí)段開始時(shí)刻。
②充放電功率約束
基于上述分析, 本文以某區(qū)域夏季典型日負(fù)荷曲線為基礎(chǔ), 首先運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法仿真計(jì)算有序充放電策略與傳統(tǒng)策略下電網(wǎng)負(fù)荷曲線及其負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷方差; 然后對(duì)兩種策略進(jìn)行分析對(duì)比,研究電價(jià)對(duì)車主使用意愿的影響[16]。
某區(qū)域內(nèi)電動(dòng)私家車有100 輛, 電動(dòng)出租車有30 輛,電動(dòng)私家車、電動(dòng)出租車參數(shù)如表1 所示[11],[17]。
表1 不同類型EV 的充電參數(shù)Table 1 The charging parameters of different types EV
分時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)[18]如表2 所示,放電電價(jià)為充電電價(jià)的ε 倍,放電系數(shù)ε=0~1[13]。
表2 分時(shí)電價(jià)參數(shù)Table 2 The price parameters of time-of-use price
當(dāng)ε=0.5 時(shí),放電電價(jià)取1.0 元/(kW·h)[19]。私家車(出租車)對(duì)放電電價(jià)、峰谷電價(jià)差、峰平電價(jià)差響應(yīng)模型的死區(qū)閾值、 飽和區(qū)閾值和響應(yīng)飽和值3 個(gè)參數(shù)如表3 所示。 EV 期望荷電狀態(tài)為在[80%,100%]均勻分布的隨機(jī)數(shù),充放電效率分別為0.92,0.93[20]。 標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的粒子個(gè)數(shù)設(shè)置為20,迭代次數(shù)設(shè)置為100,更新粒子速度和位置公式詳見文獻(xiàn)[21],公式中的學(xué)習(xí)因子c1,c2均為0.1,r1,r2為[0,1]的隨機(jī)數(shù)。
表3 響應(yīng)模型參數(shù)設(shè)置Table 3 The model parameters of response model
4.2.1 本文策略和傳統(tǒng)充放電策略比較
圖6 為電動(dòng)汽車在本文策略和傳統(tǒng)策略控制下電網(wǎng)總負(fù)荷、無序充電時(shí)電網(wǎng)總負(fù)荷與常規(guī)負(fù)荷曲 線[5],[22]。
圖6 本文策略和傳統(tǒng)策略控制下的電網(wǎng)負(fù)荷曲線Fig.6 Load curve of grid under the control of this paper proposed strategy and traditional strategy
表4 為電動(dòng)汽車在本文策略和傳統(tǒng)策略控制下的優(yōu)化結(jié)果。
表4 電動(dòng)汽車在不同策略控制下結(jié)果比較Table 4 Comparison of results of electric vehicles under different control strategies
本文策略控制更多電動(dòng)汽車負(fù)荷從上午峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到下午平時(shí)段,起到更優(yōu)的削峰作用;控制更多電動(dòng)汽車負(fù)荷從夜晚峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到谷時(shí)段,起到更優(yōu)的填谷作用。結(jié)果表明,本文策略下電網(wǎng)峰谷差由2 248 kW 減少到2 096 kW,減少了152 kW; 負(fù)荷方差由551 500 kW2減少到480 575 kW2,減少了70 925 kW2。 本文的有序充放電策略能夠更好地引導(dǎo)電動(dòng)汽車減小負(fù)荷峰谷差以及平抑負(fù)荷波動(dòng)性。
4.2.2 不同電價(jià)-響應(yīng)度對(duì)調(diào)峰效果的影響分析
電動(dòng)汽車車主對(duì)電價(jià)的響應(yīng)程度與充電價(jià)格差、放電價(jià)格高低相關(guān)。在充電分時(shí)電價(jià)取表2數(shù)據(jù),放電電價(jià)取1.0 元/(kW·h)時(shí),計(jì)算得到私家車車主對(duì)峰平電價(jià)差響應(yīng)度為47.5%, 對(duì)峰谷電價(jià)差響應(yīng)度為66.5%, 對(duì)放電電價(jià)響應(yīng)度為57%; 出租車車主對(duì)峰平電價(jià)差響應(yīng)度為25.71%,對(duì)峰谷電價(jià)差響應(yīng)度為37.14%,對(duì)放電電價(jià)響應(yīng)度為33.33%。表明依然有部分車主沒有改變使用意愿,未參與到電價(jià)需求響應(yīng)。
(1)不同分時(shí)電價(jià)-響應(yīng)度對(duì)調(diào)峰效果影響
假設(shè)充電分時(shí)電價(jià)如表5 所示。
表5 3 組充電分時(shí)電價(jià)Table 5 Three groups of charging time-of-use price
放電電價(jià)取1.0 元/(kW·h)不變,電網(wǎng)負(fù)荷曲線如圖7 所示。 優(yōu)化結(jié)果和響應(yīng)度如表6 所示。
圖7 不同分時(shí)電價(jià)下電網(wǎng)負(fù)荷曲線Fig.7 Load curve of grid in different time-of-use prices
表6 不同分時(shí)電價(jià)下優(yōu)化結(jié)果和響應(yīng)度Table 6 Optimized results and responsiveness under different time-of-use prices
由圖7 和表6 可看出,隨著分時(shí)電價(jià)差的增大,車主對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)程度越高,電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷方差越小。 表明分時(shí)電價(jià)不僅能有效地引導(dǎo)車主進(jìn)行有序充電行為,而且其價(jià)格差的增大能激勵(lì)更多車主進(jìn)行有序充電。
(2)不同放電電價(jià)-響應(yīng)度對(duì)調(diào)峰的影響
假設(shè)分時(shí)電價(jià)取表2 數(shù)據(jù),放電系數(shù)ε 分別取0.3,0.5,0.7, 即放電電價(jià)分別取0.6,1.0,1.4元/(kW·h),電網(wǎng)負(fù)荷如圖8 所示。
圖8 不同放電電價(jià)下電網(wǎng)負(fù)荷曲線Fig.8 Load curve of grid in different discharge prices
優(yōu)化結(jié)果和響應(yīng)度如表7 所示。
表7 不同放電電價(jià)下優(yōu)化結(jié)果和響應(yīng)度Table 7 Optimized results and responsiveness under different discharge prices
由圖8 和表7 可看出: 當(dāng)放電電價(jià)最小為0.6 元/(kW·h)時(shí),私家車、出租車車主對(duì)放電電價(jià)的響應(yīng)程度最小,分別為19%和6.67%,此時(shí)削峰填谷效果最差,負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷方差分別為2 246 kW,577 551 kW2; 當(dāng)放電電價(jià)最大為1.4 元/(kW·h)時(shí),私家車、出租車車主對(duì)放電電價(jià)響應(yīng)度分別為95%和60%, 此時(shí)削峰填谷效果最好, 負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷方差分別為1 920 kW,398 167 kW2。 由此可見,隨著放電電價(jià)的增大,更多車主參與放電響應(yīng),電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷效果也越好。
本文提出的電動(dòng)汽車充放電策略,旨在挖掘主流電動(dòng)汽車融合調(diào)峰潛力,對(duì)私家車和出租車進(jìn)行組合優(yōu)化。 在考慮車主意愿差異的原則下,將私家車、出租車細(xì)分別為V0G,V1G,V2G 3 種類型, 根據(jù)車主對(duì)充電價(jià)格差和放電電價(jià)的響應(yīng),計(jì)算3 種類型私家車、出租車數(shù)量。調(diào)度中心利用優(yōu)化模型合理調(diào)控3 種類型私家車/出租車充放電起、止時(shí)刻。算例分析結(jié)果表明,本文所提策略較傳統(tǒng)策略起到更好的削峰填谷作用,增加分時(shí)電價(jià)差和放電電價(jià)能更好地激勵(lì)車主參與削峰填谷響應(yīng)。