電動汽車參與電力需求響應(yīng)的成本效益分析
——以上海市為例

劉堅，熊英，金亨美，張永偉

（1.中國宏觀經(jīng)濟(jì)研究院能源研究所，北京市 西城區(qū) 100038；2.北京車百會新能源汽車科技發(fā)展研究院，北京市 海淀區(qū) 100096；3.自然資源保護(hù)協(xié)會，北京市 朝陽區(qū) 100026；4.清華大學(xué)公共管理學(xué)院，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

電動汽車可作為高度靈活的充放電資源，在調(diào)節(jié)電力負(fù)荷、消納可再生能源、改善供電質(zhì)量等方面具有巨大應(yīng)用潛力。中國是全球最大的電動汽車市場，在電動汽車與電網(wǎng)互動領(lǐng)域具有得天獨厚的條件。當(dāng)前相關(guān)研究一般基于多種電動汽車滲透率，從負(fù)荷、電網(wǎng)損耗和電壓等幾個方面分析電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響[1-3]，并根據(jù)負(fù)荷變化，提出電動汽車智能充電策略[4-5]，從而達(dá)到平穩(wěn)負(fù)荷、消納新能源、降低電能損耗和提高電壓質(zhì)量等目標(biāo)[6-8]。然而現(xiàn)有電動汽車參與電力需求響應(yīng)的研究主要集中在聚合方式、優(yōu)化策略等理論層面，結(jié)合具體案例分析實際效果和經(jīng)濟(jì)性水平的研究相對有限。考慮到近年來國內(nèi)多個城市在開展電力需求響應(yīng)的同時，嘗試將電動汽車納入試點，在車網(wǎng)互動方面做出了積極探索，基于實際試點項目論證電動汽車系統(tǒng)靈活性價值的重要性日益突出。

作為重要的負(fù)荷側(cè)新型靈活性資源，電動汽車正在通過目錄電價峰谷價差、電力需求響應(yīng)、調(diào)峰輔助服務(wù)等不同模式參與電力系統(tǒng)運行。在各需求響應(yīng)試點城市中，上海市的車網(wǎng)互動工作具有重要示范意義。一方面上海市電動汽車保有量位居全國前列，交直流及充換電模式種類多樣，另一方面上海市在2014年成為國家發(fā)展改革委指定的首個需求響應(yīng)試點城市，并在2019年開始電動汽車參與需求響應(yīng)的試點工作以探索可持續(xù)商業(yè)模式。

以往車網(wǎng)互動經(jīng)濟(jì)性分析大多從電動汽車車隊整體角度展開[9-11]，本研究根據(jù)上海市實際試點情況，著重針對私人充電樁、專用充電樁以及換電站參與需求響應(yīng)的效果進(jìn)行對比，分析車輛在不同充換電場所提供的靈活性調(diào)節(jié)效果及經(jīng)濟(jì)性。此外，本研究還評估了電動汽車參與電力系統(tǒng)多重應(yīng)用的商業(yè)化前景，相關(guān)研究成果可對后續(xù)負(fù)荷側(cè)資源參與電力市場的政策設(shè)計提供參考。結(jié)合國內(nèi)已有實踐，提出了規(guī)范電動汽車參與電網(wǎng)互動的市場準(zhǔn)入、完善車網(wǎng)互動的市場機(jī)制、加快推進(jìn)車網(wǎng)互動能力建設(shè)等推動后續(xù)電動汽車參與需求響應(yīng)工作的政策建議。

1 上海市電動汽車推廣及需求響應(yīng)開展情況

截至2019年底，上海市新能源汽車?yán)塾嬐茝V已經(jīng)達(dá)30萬輛，實際保有量26萬輛左右。當(dāng)前上海市充電樁數(shù)量超過28萬個，位居全國第一，車樁配比接近1:1，其中私人充電樁19萬個，公共樁和專用樁分別為5萬和4萬個。隨著數(shù)量規(guī)模不斷提升，電動汽車充電負(fù)荷給電網(wǎng)帶來的壓力也日益加大，主要包括：①電動汽車充電導(dǎo)致負(fù)荷增長，特別是大量電動汽車集中在負(fù)荷高峰期充電，將加劇電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，加重電力系統(tǒng)運行負(fù)擔(dān)；②由于電動汽車用戶用車行為和充電時空分布存在不確定性，電動汽車充電負(fù)荷具有較大的隨機(jī)性，電網(wǎng)優(yōu)化控制的難度不斷提升；③電動汽車充電負(fù)荷屬于非線性負(fù)荷，充電設(shè)備中的電力電子裝置將產(chǎn)生諧波，引起電能質(zhì)量問題；④大量電動汽車充電將改變電網(wǎng)，尤其是配電網(wǎng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)和特性，傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃方法可能無法適用于電動汽車大規(guī)模接入的情況。特別是考慮到上海市電動汽車保有量位居全國前列，公交、公務(wù)、環(huán)衛(wèi)和物流等領(lǐng)域電動汽車充電需求各異，交直流及充換電模式種類多樣，加之上海市外來電力占比高，本地電網(wǎng)調(diào)峰壓力大，大量電動汽車充電對上海電網(wǎng)的影響不容忽視。

原有的負(fù)荷管理工作依托電力需求響應(yīng)平臺開展，只能監(jiān)測到參與的樓宇、廠家等客戶的響應(yīng)負(fù)荷情況，而無法監(jiān)測到具體設(shè)備的負(fù)荷變化，負(fù)荷管理工作的顆粒度較粗。2019年4月，上海市經(jīng)濟(jì)信息化委員會反饋國網(wǎng)上海市電力公司《關(guān)于同意開展上海市綜合需求響應(yīng)試點工作的批復(fù)》，提出深入研究特大型城市受端電網(wǎng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，積極探索充電樁等新技術(shù)應(yīng)用示范，采用市場化手段柔性調(diào)節(jié)負(fù)荷。2019年10月，國家電網(wǎng)有限公司將國網(wǎng)上海和冀北電力列為首批虛擬電廠運營體系試點單位。虛擬電廠運營體系由營銷、交易、調(diào)度等多個專業(yè)部門、單位聯(lián)合構(gòu)建，采用多專業(yè)、多層次、市場化的運營模式。該運營體系通過虛擬電廠交易平臺、運營管理與監(jiān)控平臺等系統(tǒng)，深層連接和精準(zhǔn)接入客戶用能設(shè)備，實現(xiàn)對閑散負(fù)荷的聚合、交易和調(diào)配，達(dá)到資源聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化的目的。自國網(wǎng)上海市電力公司啟動虛擬電廠項目建設(shè)以來，共有500多個客戶接入平臺。這些客戶涵蓋了電動車充電樁、園區(qū)微電網(wǎng)、商業(yè)建筑虛擬電廠、工業(yè)自動響應(yīng)、三聯(lián)供儲能系統(tǒng)、分布式能源、冰蓄冷裝置等多種類型。

本研究基于上海市2019年6月7日凌晨2:00—5:00填谷試點、8月9日12:00—14:00削峰試點，以及12月5日9:00—11:00削峰試點共3次電動汽車需求響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析車網(wǎng)互動效果與經(jīng)濟(jì)性水平。

2 需求響應(yīng)試點設(shè)計

通過需求響應(yīng)，電動汽車?yán)碚撋峡稍陔娏κ袌霁@得電能量、容量及輔助服務(wù)方面的價值，最終實現(xiàn)保障供電安全、改善供電質(zhì)量、緩解電網(wǎng)阻塞、延緩電力投資、消納可再生能源以及提升電力系統(tǒng)運行效率等多種價值（如圖1所示）。目前上海市電動汽車主要通過削峰和填谷響應(yīng)體現(xiàn)保障供電安全和消納可再生能源兩方面作用。

上海市電動汽車參與需求響應(yīng)試點流程與要求如下。

圖1 電動汽車需求響應(yīng)市場機(jī)制與實現(xiàn)功能Fig.1 EV demand response market mechanism and functions

1）需求響應(yīng)資源注冊。所有虛擬發(fā)電資源，包括3個顆粒度—虛擬電廠總平臺（所有充電樁的合計功率與電量）、接入資源（可假設(shè)為獨立報樁的場站、有營銷戶號的對象）、以及最小顆粒度的虛擬發(fā)電機(jī)機(jī)組（如充電樁）。充電運營商的平臺需與虛擬電廠平臺對接，通信協(xié)議是Open ADR。2019年試點時期對充電運營商采用線下邀約的方式。需求響應(yīng)資源顆粒度大小沒有限制，可以到站、配電柜、樁。

2）需求響應(yīng)能力預(yù)上報。除了虛擬電廠平臺對接入平臺做負(fù)荷預(yù)測，各個運營商平臺也要具備自身負(fù)荷預(yù)測能力。充電運營商上報中遠(yuǎn)期、隔日的需求響應(yīng)曲線，以考核預(yù)測曲線與實際效果。負(fù)荷基線歷史數(shù)據(jù)采用以往的平均負(fù)荷曲線，一般工作日開展削峰活動，取前5個工作日的平均負(fù)荷；休息日開展填谷活動，取前2個休息日的平均負(fù)荷，以此來考核響應(yīng)期間負(fù)荷的變化。2019年試點時期對充電運營商沒有設(shè)置容量門檻；未單獨報裝的充電樁也納入試點活動；參與響應(yīng)的時間最短1 h。

3）實時數(shù)據(jù)上報。充電功率、電量數(shù)據(jù)以＜15 min或5 min的間隔向平臺上報。2019年試點時期，非充電狀態(tài)下如果沒有采集功率/電量數(shù)據(jù)，運營商可以申報為0。考核不要求在線接口數(shù)據(jù)，而按照運營商直接上報的數(shù)據(jù)來核算。

4）費用結(jié)算。用戶負(fù)荷基線與實際電力負(fù)荷曲線的差值即用戶的負(fù)荷削減貢獻(xiàn)，以電費抵扣方式補(bǔ)償，需要充電運營商在上海市有獨立賬號。2019年試點時期，即使響應(yīng)量很小，也認(rèn)為有效，并按照實際響應(yīng)量給予補(bǔ)償。

目前上海市響應(yīng)量的計量模型以電力用戶的關(guān)口計量為準(zhǔn)，測算負(fù)荷基線與當(dāng)天響應(yīng)時段負(fù)荷的差值，最后乘以補(bǔ)償系數(shù)。2019年度《需求側(cè)響應(yīng)年度交易單邊競價規(guī)則》分為削峰和填谷2個類型，按照政策規(guī)定，這2個類型都需要獨立申報。其中，交易補(bǔ)償價格上限（基準(zhǔn)值）削峰響應(yīng)為30元/kW，填谷響應(yīng)為12元/kW。獲取補(bǔ)貼基準(zhǔn)值的前提是單個用戶響應(yīng)的次數(shù)不超過10次/a，響應(yīng)時長不超過10 h/a。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)通知時間提前量、單次響應(yīng)量、年度響應(yīng)參與度進(jìn)一步計算補(bǔ)貼系數(shù)（表1）。補(bǔ)償資金取自歷年夏季季節(jié)性電價差值，以電費退補(bǔ)方式進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償對象為參與響應(yīng)的終端電力用戶。

2019年試點時期參與需求響應(yīng)的運營商包括國網(wǎng)電動汽車、蔚來、星星充電、普天、依威能源、小桔充電等。這些運營商充電數(shù)據(jù)采集按照中電聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，采集周期20～30 s，數(shù)據(jù)存儲周期較長，但大多數(shù)充電樁未報裝。

需要指出，目前各地電力需求響應(yīng)補(bǔ)償政策有較大差異，且山東、江蘇、浙江等省近年來已陸續(xù)開展電力需求響應(yīng)市場競價，負(fù)荷側(cè)資源參與需求響應(yīng)的價格及頻次都存在較大不確定性。目前上海市電力需求響應(yīng)補(bǔ)償價格在各試點城市中相對偏高，且試點初期上海市對電動汽車采取固定補(bǔ)償，一定程度上保障了電動汽車參與響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益?？紤]到市場機(jī)制及補(bǔ)償價格的不同，各地經(jīng)濟(jì)性評估結(jié)果可能存在較大差異。

表1 電動汽車需求響應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)Table1 EV demand response pricing standards

3 試點效果分析

從上海市電動汽車參與電力需求響應(yīng)的試點結(jié)果看，車輛在不同充換電場所提供的充電靈活性調(diào)節(jié)規(guī)模各異，實現(xiàn)的響應(yīng)效果也存在較大差別。本章選取某充換電平臺，分別針對住宅區(qū)私人充電樁、辦公地專用充電樁以及電池?fù)Q電站參與需求響應(yīng)的運行效果進(jìn)行對比分析。

3.1 私人充電樁

該平臺在上海市覆蓋約3000個私人充電樁，其中共有288個充電樁樁主報名參與2019年6月7日需求響應(yīng)，響應(yīng)日當(dāng)日實際參與響應(yīng)的充電樁數(shù)量為159個，實際響應(yīng)充電樁占平臺全部充電樁數(shù)量的比例為5.3%。可見，雖然數(shù)量規(guī)模較大，但私人充電樁的實際響應(yīng)率偏低。此外，私人充電樁分布較為分散，且有較強(qiáng)私人屬性，其參與電力需求響應(yīng)存在較高的個人隱私保護(hù)要求。

圖2為上海市私人充電樁參與需求響應(yīng)的效果對比圖[12]。相比平日充電負(fù)荷（藍(lán)色曲線），參與響應(yīng)的159個私人充電樁在響應(yīng)日的充電負(fù)荷（紅色曲線）明顯提升。尤其在填谷響應(yīng)時段（2:00～5:00）平均充電負(fù)荷達(dá)到1068 kW，是平日（6月1日）該時段充電負(fù)荷的7.8倍。此外，6月7日響應(yīng)日159個響應(yīng)充電樁平均充電量為64.5 kWh，遠(yuǎn)高于平日（6月1日）日均充電量9.35 kWh，由此判斷有相當(dāng)一部分車主將連續(xù)幾日充電電量集中在6月7日響應(yīng)時段，可見價格激勵對電動車主有較強(qiáng)引導(dǎo)效果。

圖2 私人充電樁填谷響應(yīng)與平日充電負(fù)荷對比Fig.2 Private chargers valley-filling effect

3.2 專用充電樁

該平臺某內(nèi)部充電樁群共計安裝110個專用充電樁，其參與削峰響應(yīng)的效果對比如圖3所示[12]。紅色曲線為該充電樁群響應(yīng)日（8月9日）的充電負(fù)荷，2條虛線為平日（8月1、2日）充電負(fù)荷。其中，響應(yīng)時段（12:00～14:00）平均充電功率為43 kW，相比平日該時段平均充電功率167 kW降幅達(dá)到75%，需求響應(yīng)參與度明顯高于私人充電樁。由此可見，企業(yè)內(nèi)部充電樁一方面擁有與私人充電樁相似的車輛接入時間長的優(yōu)勢，另一方面相比私人充電樁更便于開展集中充電行為管控，其參與需求響應(yīng)的可靠性也相對更高。

圖3 專用充電樁削峰響應(yīng)與平日充電負(fù)荷對比Fig.3 Dedicated chargers peak-shaving effect

3.3 換電站

圖4為該平臺9座換電站參與削峰響應(yīng)合計效果對比[12]。其中，綠色實線為換電平臺響應(yīng)日（12月5日）充電負(fù)荷，各條虛線為11月25—29日連續(xù)5個工作日充電負(fù)荷。響應(yīng)日響應(yīng)時段（10:00～11:00）合計充電功率為140 kW，相比平日平均充電功率745 kW降幅達(dá)到81.2%，響應(yīng)率為3種充電設(shè)施中最高。換電站參與需求響應(yīng)的必要前提是擁有一定換電裕度，換電服務(wù)強(qiáng)度的下降或增加換電站備用電池都可實現(xiàn)類似效果。

圖4 換電站響應(yīng)日與平日充電負(fù)荷對比Fig.4 Battery swap stations peak-shaving effect

表2對3類充電設(shè)施參與電力需求響應(yīng)的適應(yīng)性進(jìn)行對比。從上海市需求響應(yīng)試點經(jīng)驗看，雖然處于統(tǒng)一充換電平臺，但各類充換電設(shè)施參與電力需求響應(yīng)的能力迥異。電動汽車接入私人樁的時段往往在傍晚至凌晨，更加適合參與負(fù)荷填谷，而專用樁和換電站的調(diào)節(jié)靈活度較高。從試點結(jié)果看，專用樁和換電站可實現(xiàn)相對集中管理，對調(diào)度指令的響應(yīng)率也較高。需求響應(yīng)資源量方面，私人樁和專用樁的規(guī)模潛力較大，應(yīng)提前設(shè)計激勵機(jī)制，加大私人樁和專用樁的資源潛力挖掘力度。雖然目前換電站具有一定調(diào)節(jié)潛力，但隨著換電需求日益提升，其日間參與需求響應(yīng)的能力取決于換電站的綜合管控能力。

表2 試點案例3類充電設(shè)施需求響應(yīng)適應(yīng)性Table2 Demand response adaptation among three types of chargers

就參與需求響應(yīng)的市場規(guī)模來看，專用充電樁的功率規(guī)模接近180 MW，為各類充電設(shè)施中最高。從試點結(jié)果看，目前私人充電樁響應(yīng)率偏低，但由于私人充電樁數(shù)量多、車輛接入時間長，其需求響應(yīng)的挖潛空間仍然很大。換電站響應(yīng)率最高，但由于數(shù)量較少，且一定程度受換電服務(wù)強(qiáng)度的影響，響應(yīng)規(guī)模相對有限。

需要注意的是，參與需求響應(yīng)的立足點在于平日負(fù)荷基線，若電力用戶平日已針對峰谷電價進(jìn)行錯峰用電或低谷用電，其參與需求響應(yīng)的空間也可能受到影響。本次采集的各類充電設(shè)施平日基本未享受峰谷電價，因此不存在峰谷電價與需求響應(yīng)價值沖突的問題。但對于平日執(zhí)行峰谷電價的充電設(shè)施而言，參與需求響應(yīng)與錯峰充電的行為具有一定共性，所以激勵機(jī)制的設(shè)計也需進(jìn)一步完善。

此外，本案例中參與需求響應(yīng)的車輛以純電動車型為主，但也需考慮上海市插電式混合動力車型占比較高的現(xiàn)實。一方面插電式車型有限的充電需求將影響其需求響應(yīng)規(guī)模，另一方面由于里程焦慮較小，插電式車型用戶參與需求響應(yīng)的接受度可能相對較高，其參與需求響應(yīng)的綜合效果仍有待更多樣本數(shù)據(jù)驗證。

4 試點經(jīng)濟(jì)性對比

4.1 私人充電樁

一般電力需求響應(yīng)的成本包含初始技術(shù)投資、響應(yīng)者機(jī)會成本、組織者實施成本。其中初始技術(shù)投資包括測量和通信系統(tǒng)更新升級成本、電力設(shè)備及軟件成本、賬務(wù)系統(tǒng)升級成本等。響應(yīng)者機(jī)會成本包括因參與需求響應(yīng)產(chǎn)生的不便或舒適性下降、作息日程變動帶來的成本、自備電源的燃料和維護(hù)費用等。組織者實施成本包括項目管理和經(jīng)營成本、市場營銷成本、項目評估成本、用戶培訓(xùn)成本等[13]。對于電動汽車而言，充電樁都已具備基本測量和通信功能，且私家充電樁停車時間較長，用戶參與需求響應(yīng)的機(jī)會成本也較低。第三方聚合商在私家電動汽車參與需求響應(yīng)過程中扮演重要角色，其成本也相對較高。結(jié)合上海試點經(jīng)驗看，第三方聚合商的需求響應(yīng)活動的組織成本主要包括補(bǔ)償資金墊付和人工成本兩方面。由于目前上海市電力公司對參與需求響應(yīng)用戶的資金補(bǔ)償按年核算，實際支付補(bǔ)償?shù)臅r間明顯滯后，第三方聚合商往往需要向用戶提前墊付補(bǔ)償資金。此外，目前充換電設(shè)施與電力需求響應(yīng)平臺還未實現(xiàn)自動化對接，電動汽車參與需求響應(yīng)的事前事后數(shù)據(jù)由人工分析和決策，導(dǎo)致組織成本偏高?？紤]到未來需求響應(yīng)與充放電系統(tǒng)實現(xiàn)平臺化對接，需求響應(yīng)相關(guān)信息發(fā)布和用戶響應(yīng)決策可通過自動化流程實現(xiàn)，相關(guān)成本也將隨之大幅降低。

電動汽車參與需求響應(yīng)經(jīng)濟(jì)性計算過程如下。

式中：Ft,sc為參與需求響應(yīng)第t年凈現(xiàn)金流，元；Rdr為每年需求響應(yīng)收益，元；α為需求響應(yīng)組織方收益分成，假設(shè)為30%；Cdr為每年需求響應(yīng)運維成本，每年初投資2%；P為統(tǒng)一出清價格，元/kW；Q為用戶單次受邀響應(yīng)量，kW；n為需求側(cè)響應(yīng)年度發(fā)布次數(shù)；k1為響應(yīng)量系數(shù)，取1；k2為單次響應(yīng)速度系數(shù)，私人樁取0.8，專用樁取0.8，換電站取2；k3為響應(yīng)活動時長，私人樁取3，專用樁取2，換電站取1；k4為響應(yīng)參與度系數(shù)，取1。

按照目前上海需求側(cè)響應(yīng)年度交易單邊競價規(guī)則，2019年度填谷需求響應(yīng)競價交易報價上限為1.2元/kWh，對私人充電樁提前24 h通知，則補(bǔ)貼系數(shù)為0.8，若按競價交易報價上限計算，則單位填谷補(bǔ)償價格為0.96元/kWh。由于私人樁、專用樁、換電站實時響應(yīng)能力由弱到強(qiáng)，本文按照日前通知設(shè)置私人樁和專用樁響應(yīng)速度，按照提前0.5 h通知設(shè)置換電站響應(yīng)速度?？紤]到電動汽車具有較高響應(yīng)精度，本研究假設(shè)其平均響應(yīng)比例在80%～120%之間。此外，考慮到車輛在私人樁連接時間最長，其次為專用樁，換電站因換電運營強(qiáng)度約束持續(xù)響應(yīng)時間最短，本文假設(shè)3類充電設(shè)施k3值分別為3，2，1。由于試點期間電動汽車不參與需求響應(yīng)競價，3類充電設(shè)施年度響應(yīng)系數(shù)統(tǒng)一取1?；谒饺顺潆姌缎枨箜憫?yīng)成本和效益水平，本研究對電動汽車車主參與需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。對于車主而言，在需求響應(yīng)聚合商固定投資成本（500元/樁）和響應(yīng)補(bǔ)償單價確定的情況下，參與需求響應(yīng)的頻次決定了綜合經(jīng)濟(jì)性水平。當(dāng)響應(yīng)頻次較低，如3次/a情況下，單樁年均收益僅為42元（收益分成后，下同），而當(dāng)響應(yīng)頻次達(dá)到10次/a，則單樁年均收益超過140元，參與需求響應(yīng)的內(nèi)部收益率達(dá)到27%。

4.2 專用充電樁

專用充電樁群參與需求響應(yīng)的成本與私人充電樁類似，主要包括聚合商固定投資及運維成本，因此存在一定聚合商收益分成。目前上海市削峰需求響應(yīng)補(bǔ)償單價較高，補(bǔ)償為30元/kW，折算為3元/kWh。若同樣以提前24 h方式通知參與響應(yīng)，則響應(yīng)電量實際補(bǔ)償為2.4元/kWh。由于具備較高的響應(yīng)率及電價補(bǔ)償，專用充電樁群參與需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性相對較高。當(dāng)響應(yīng)頻次為3次/a時，年補(bǔ)償收益為70元，若響應(yīng)頻次提升至10次/a，則樁均年收益達(dá)到235元，內(nèi)部收益率接近50%。

4.3 換電站

換電站參與需求響應(yīng)的成本主要取決于換電服務(wù)強(qiáng)度和換電站內(nèi)備用電池裕度。該換電平臺換電站服務(wù)能力按照一天營業(yè)16 h、每站每天換電服務(wù)72次設(shè)計，則單站平均每小時換電4.5次。若每座換電站配備5塊備用電池，每塊備用電池充電功率60 kW，且換電強(qiáng)度按時間軸平均分布，則每站最多可調(diào)用約300 kW（時移1 h）靈活充電負(fù)荷?？紤]到實際運營中換電服務(wù)時間分布存在一定波動，因此該充電裕度一般僅作為換電備用，難以滿足需求響應(yīng)的額外調(diào)節(jié)需求。但由于目前該換電平臺運營強(qiáng)度還未達(dá)到飽和，平均每站實際換電頻次約3次/h，即每站約有2塊備用電池或120 kW充電功率可實現(xiàn)全天候負(fù)荷時移。雖然通過增加備用電池數(shù)量可以相應(yīng)提升充電靈活度，但單純?yōu)閰⑴c需求響應(yīng)增加備用電池近似于儲能電站的運營模式，在目前的響應(yīng)頻次及響應(yīng)補(bǔ)償水平下，經(jīng)濟(jì)性顯然不足。

鑒于換電站具有較強(qiáng)的充電時間管控能力，12月5日響應(yīng)日當(dāng)日提前通知量僅為30 min，則削峰響應(yīng)的補(bǔ)償單價可達(dá)6元/kWh，遠(yuǎn)高于私人充電樁和專用充電樁價格補(bǔ)償水平。若年均響應(yīng)次數(shù)為3次，單站年均收益就達(dá)到1500元以上；若響應(yīng)次數(shù)達(dá)到10次，單站年均收益將超過5000元。

5 分析與討論

為與需求響應(yīng)進(jìn)行對比，本文對電動汽車參與錯峰充電和調(diào)峰輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性水平進(jìn)行了測算。其中錯峰充電指電動汽車通過降低高峰電價時段充電電量降低充電成本。根據(jù)上海市新能源汽車公共數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測研究中心的統(tǒng)計[14]，電動汽車平均每次出行里程為20.1 km，若日均行駛里程為50 km，則保證一次出行所需電量的基礎(chǔ)上，每天可靈活調(diào)節(jié)的剩余充電量占全天充電量的60%左右。因此經(jīng)濟(jì)性收益計算過程為

式中：Ft,SC為錯峰充電第t年凈現(xiàn)金流，元；PTOU為充電電價峰谷差，元/kWh，私人樁采用居民峰谷電價差0.31元/kWh，專用樁及換電站采用一般工商業(yè)峰谷電價差0.583元/kWh；Eshift,SC為錯峰充電每年轉(zhuǎn)移電量，kWh；CSC為錯峰充電設(shè)備運維成本，每年初投資2%；CE為車輛行駛電耗，0.15 kWh/km；M為車輛日均行駛里程，50 km/d。

調(diào)峰輔助服務(wù)指電動汽車跟蹤電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)指令執(zhí)行有序充電的過程。目前國內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)主要由發(fā)電及電網(wǎng)企業(yè)提供，電動汽車等負(fù)荷側(cè)第三方參與調(diào)峰市場案例較少。本文采用目前華北第三方主體參與調(diào)峰市場出清價格（0.2元/kWh）為例，分析電動汽車參與調(diào)峰輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性，計算過程為

式中：Ft,AS為調(diào)峰服務(wù)第t年凈現(xiàn)金流，元；為調(diào)峰服務(wù)平均度電補(bǔ)償，0.2元/kWh；Eshift,AS為調(diào)峰服務(wù)年轉(zhuǎn)移電量，kWh；α為需求響應(yīng)組織方收益分成，假設(shè)為30%；CAS為調(diào)峰服務(wù)運維成本，每年初投資2%；CE為車輛行駛電耗，0.15 kWh/km；M為車輛日均行駛里程，50 km/d。

本文采用內(nèi)部收益率（internal rate of return,IRR）對比各充電模式參與需求響應(yīng)、峰谷價差套利及調(diào)峰輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性，即當(dāng)智能充電項目凈現(xiàn)值（NPV）為0時的IRR值：

式中：VNPV為項目凈現(xiàn)值，元；Ft為項目t年凈現(xiàn)金流，元；RIRR為項目內(nèi)部收益率；C0為項目初期投資成本，本文取每kW的成本為500元；T為項目運行周期，取12 a。

表3為3種充電方式各自參與需求響應(yīng)、錯峰充電、調(diào)峰輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性差異。盡管居民峰谷電價差相對偏低，但其經(jīng)濟(jì)性仍然最高。雖然需求響應(yīng)補(bǔ)償單價較高，但每年響應(yīng)頻次偏低，影響了其綜合收益。調(diào)峰輔助服務(wù)與錯峰充電工作頻率相近，但就目前調(diào)峰市場價格來看，單位調(diào)峰電量的經(jīng)濟(jì)性補(bǔ)償十分有限。此外，目前電動汽車參與需求響應(yīng)及調(diào)峰輔助服務(wù)2種模式仍面臨一定市場門檻，往往需要通過充電負(fù)荷聚合商等第三方主體做好具體市場銜接工作，也因此存在一部分收益分成（30%），降低了其綜合經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。

表3 內(nèi)部收益率對比結(jié)果Table3 Internal return rate comparison among three types of charger

綜合來看，目前電動汽車參與電網(wǎng)互動已具備較高經(jīng)濟(jì)性水平，但需求響應(yīng)、調(diào)峰輔助服務(wù)等市場化機(jī)制的價格吸引力相對有限。此外，上海市電動汽車參與需求響應(yīng)的補(bǔ)償直接采用競價交易報價的上限執(zhí)行，未來需求響應(yīng)及調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償價格可能因用電負(fù)荷增長、新能源接入、需求側(cè)資源增多等因素產(chǎn)生波動，這對充電負(fù)荷集成商成本控制和抗風(fēng)險能力有更高要求。因此，基于用戶側(cè)峰谷電價的錯峰充電仍是當(dāng)前電動汽車參與電網(wǎng)互動收益最為穩(wěn)定的商業(yè)運營模式。

在上海市電動汽車參與需求響應(yīng)試點實施中，為提升執(zhí)行效率、吸引用戶側(cè)參與，采取了積極措施。一是充電運營商作為中間機(jī)構(gòu)，提供用戶側(cè)需求響應(yīng)資源聚合管理支撐，并對用戶進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)，提高了執(zhí)行過程中認(rèn)購、響應(yīng)、結(jié)算等環(huán)節(jié)的效率；二是上海市用尖峰電價的增收電費設(shè)置了需求側(cè)響應(yīng)補(bǔ)貼資金，且根據(jù)響應(yīng)質(zhì)量設(shè)置了不同額度的獎勵標(biāo)準(zhǔn)；三是上海市電動汽車參與需求響應(yīng)執(zhí)行模式正在向自動化方向探索和發(fā)展，明確規(guī)定了需求響應(yīng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、通信協(xié)議等技術(shù)要求。

但是試點也反映出當(dāng)前電動汽車參與需求響應(yīng)存在的一些問題。一是自動化需求響應(yīng)的實施需要先進(jìn)的智能化終端、通信技術(shù)、需求響應(yīng)系統(tǒng)等支撐，前期投入高。充電運營商需承擔(dān)計量設(shè)備安裝維護(hù)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)的成本，而且未來需求響應(yīng)業(yè)務(wù)要求更加靈活、快速，充電運營商還將進(jìn)一步承擔(dān)設(shè)施的改造、平臺的升級成本。目前激勵僅針對參與需求響應(yīng)的用戶，但對軟硬件設(shè)施的補(bǔ)貼尚不明確[15]。二是響應(yīng)量預(yù)測技術(shù)和動態(tài)調(diào)度能力欠缺。目前許多充換電設(shè)施未報裝，響應(yīng)負(fù)荷核定存在難度。同時，電動汽車參與電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展剛起步，試點項目開展數(shù)量有限，因此缺少實測數(shù)據(jù)用于負(fù)荷響應(yīng)特性研究，難以準(zhǔn)確刻畫電動汽車響應(yīng)行為[16]，而運營商也尚未建立實時有效的動態(tài)調(diào)節(jié)能力。三是目前電動汽車參與需求響應(yīng)的試點大多依賴半行政化的有序用電系統(tǒng)配合才能夠順利開展，沒有建立起成熟的商業(yè)模式，補(bǔ)貼資金依賴財政支持，缺乏可持續(xù)性，銜接電力輔助服務(wù)的需求響應(yīng)試點也存在輔助服務(wù)成本疏導(dǎo)問題。四是電動汽車充電基線的認(rèn)定仍存在爭議，如何協(xié)調(diào)需求響應(yīng)與峰谷電價政策的關(guān)系還需機(jī)制創(chuàng)新。五是電動汽車作為負(fù)荷側(cè)資源仍單邊競價參與市場，還未實現(xiàn)與發(fā)電側(cè)資源的同臺競爭，如何構(gòu)建基于全網(wǎng)資源的電力市場體系仍面臨技術(shù)及政策挑戰(zhàn)。

6 政策建議

推動電動汽車與電網(wǎng)互動對中國交通和能源變革具有重大戰(zhàn)略意義。因此應(yīng)積極推進(jìn)電動汽車參與需求響應(yīng)的試點工作，尤其在市場準(zhǔn)入、激勵機(jī)制、能力建設(shè)方面做好政策保障。

首先，應(yīng)鼓勵實施主體多元化，豐富需求響應(yīng)業(yè)務(wù)內(nèi)容。明確電動汽車參與電力市場的準(zhǔn)入邊界條件，明確電動汽車移動儲能資源的市場身份與地位，適度降低電動汽車參與市場的容量門檻，實現(xiàn)應(yīng)用場景多樣化。建議由電網(wǎng)公司主導(dǎo)向多主體實施發(fā)展，分級能源交易中心可自主執(zhí)行補(bǔ)貼、結(jié)算。培育充電運營商調(diào)度能力，挖掘私人充電樁車網(wǎng)互動的潛力，并為需求側(cè)資源提供能源管理、設(shè)備維護(hù)、節(jié)能等增值服務(wù)，利用平臺所積累的海量數(shù)據(jù)，深度推進(jìn)智能用電業(yè)務(wù)的開展，提升電動汽車調(diào)控規(guī)模、可靠性、穩(wěn)定性。

其次，應(yīng)設(shè)計合理的激勵機(jī)制，逐步完善車網(wǎng)互動的市場機(jī)制。近中期，以政策激勵為主推動需求響應(yīng)發(fā)展，充分發(fā)揮需求響應(yīng)降低配電網(wǎng)投資的價值，以銷售電價附加征收的城市公用事業(yè)附加費、執(zhí)行差別電價增加的電費收入等作為需求響應(yīng)補(bǔ)貼資金來源，按補(bǔ)償成本和合理收益的原則，明確電網(wǎng)企業(yè)、電動汽車車主、充電運營商等各方利益分享方式，并為參與需求響應(yīng)的車主設(shè)計提供合適的電池質(zhì)保、保險產(chǎn)品。中長期，隨著電力改革不斷深化，需求響應(yīng)開展將更加市場化，應(yīng)同步完善充電運營商與電動汽車車主參與需求響應(yīng)的競價機(jī)制與考核機(jī)制。

最后，應(yīng)加快推進(jìn)車網(wǎng)互動能力建設(shè)，規(guī)范化、精細(xì)化需求響應(yīng)資源管理。建立支持電動汽車參與電力市場的軟硬件環(huán)境，以實現(xiàn)大規(guī)模需求側(cè)負(fù)荷的在線監(jiān)控和雙向交互機(jī)制，推動車網(wǎng)互動常態(tài)化、智能化、自動化開展。對于計量設(shè)備、平臺研發(fā)與建設(shè)、公共網(wǎng)絡(luò)租賃，給予財政資金支持。完善需求響應(yīng)終端、系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、安全規(guī)范等方面的標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范需求響應(yīng)各系統(tǒng)間的接口，實現(xiàn)信息交互標(biāo)準(zhǔn)化，保障設(shè)備與系統(tǒng)間的良好互操作管理。

致謝

本文基于自然資源保護(hù)協(xié)會支持的“電動汽車與電網(wǎng)互動的商業(yè)前景—上海市需求響應(yīng)試點案例”項目撰寫，中國電動汽車百人會、自然資源保護(hù)協(xié)會、國網(wǎng)上海市電力公司和蔚來汽車等機(jī)構(gòu)為本文提供了數(shù)據(jù)和信息支持，在此特別表示感謝。