基于動態(tài)分時電價需求響應(yīng)下電動汽車有序充電方法

余桂華，姚海燕，崔金棟，劉珊珊

（1.杭州凱達(dá)電力建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311199；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭分公司，浙江 杭州 310030；3.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

智能配電網(wǎng)的建設(shè)使得電網(wǎng)獲取EV車主對電價的反饋更及時，通過用戶對電價的需求響應(yīng)度，可制定合理的電價機(jī)制，利用經(jīng)濟(jì)杠桿，引導(dǎo)EV車主進(jìn)行有序充電。構(gòu)建電網(wǎng)、充電站以及用戶共同參與的有序充電機(jī)制，以緩解電力供需不平衡、電網(wǎng)負(fù)荷過高和峰谷電價差過大等問題為目的，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，同時增加EV車主自身的充電效益，鼓勵用戶積極參與電力市場的調(diào)控，增進(jìn)社會福利。

1 國內(nèi)外研究綜述

針對引導(dǎo)EV有序充電問題，國內(nèi)外學(xué)者展開大量研究，其研究成果為后續(xù)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]對用戶出行規(guī)律進(jìn)行分析，預(yù)測其充電流量，提出了一種基于微電網(wǎng)調(diào)度的EV動態(tài)分時電價制定策略，通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通過價格信號可引導(dǎo)EV有序充電。文獻(xiàn)[5]建立了峰谷分時電價下EV負(fù)荷波動模型，通過分時電價優(yōu)化EV充電控制，并利用蒙特卡洛方法對不同EV充電方式進(jìn)行模擬和數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了魔性的可行性。文獻(xiàn)[6]提出在分時電價引導(dǎo)下的EV分層調(diào)度策略，通過算例模擬證明分時電價可引導(dǎo)EV進(jìn)行需求響應(yīng)，從而降低電網(wǎng)波動程度，達(dá)到削峰填谷的目的[6]。文獻(xiàn)[7]為提高環(huán)境效益，提出基于分時電價的EV充電控制策略，通過差分法證明EV有序充電可提高環(huán)境效益，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[8]提出了一種協(xié)調(diào)定價模型，通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移來減少居民用電與EV充電站負(fù)荷之間的重疊，以降低分時電價下峰谷差[8]。文獻(xiàn)[9]為解決EV調(diào)度問題，提出一種在分時電價下的多時間調(diào)度模型，通過博弈法驗(yàn)證了模型的有效性。文獻(xiàn)[10]等人根據(jù)不同類型的用戶的負(fù)荷特點(diǎn)，與固定電價、分時電價相比分析各類用戶的響應(yīng)程度，從高峰時刻用電量、峰谷差、需求響應(yīng)度等3方面分析電網(wǎng)的運(yùn)行效率[10]。

在EV有序充電的研究中，大多基于用戶完全響應(yīng)電價策略的假設(shè)下制定EV有序充電策略，沒有充分考慮到EV用戶實(shí)際自主選擇意愿。用戶的生活方式，個人習(xí)慣，駕駛行為等對需求響應(yīng)度都有一定的影響，因此，對需求響應(yīng)的研究需要考慮用戶的不確定性，而且峰谷分時電價機(jī)制過于固定，欠缺靈活性。在智能配電網(wǎng)背景下，對于EV用戶的充電負(fù)荷能夠快速得到，所以可引入動態(tài)分時電價作為經(jīng)濟(jì)杠桿來引導(dǎo)EV有序充電。

2 大規(guī)模電動汽車無序充電產(chǎn)生的問題

隨著EV的發(fā)展與普及，我國EV保有量激增，大量EV無序接入電網(wǎng)使電網(wǎng)產(chǎn)生一系列問題，包括電力系統(tǒng)設(shè)備容量不足、配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降、配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行安全性降低等。

電力系統(tǒng)設(shè)備容量不足。充電站電力設(shè)備容量配置、運(yùn)行規(guī)劃是電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)的一部分，充電站的運(yùn)行情況及充電負(fù)荷大小影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，電動汽車無序接入電網(wǎng)所帶來的負(fù)荷增加間接地對電網(wǎng)的負(fù)荷構(gòu)架及運(yùn)行特性帶來不良影響。在這種情況下，仍沿用原有電網(wǎng)配置將無法滿足電動汽車無序充電的需求，在考量電力系統(tǒng)設(shè)備成本的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)電動汽車有序充電才是保證電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵手段。

配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。電動汽車充電系統(tǒng)由整流器、功率變換器以及濾波器共同組成，其中包含了大量的非線性電力電子元件。文獻(xiàn)[16]研究表明，大規(guī)模電動汽車充電負(fù)荷接入電網(wǎng)會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波影響，使變壓器處于過載運(yùn)行狀態(tài)，直接縮短變壓器壽命。因此，電動汽車無序充電所導(dǎo)致的諧波污染對配電網(wǎng)造成影響，配電網(wǎng)電能質(zhì)量降低，無法滿足電動汽車用戶的充電要求，還會影響正常的居民用電。

配電設(shè)備運(yùn)行安全性降低。用戶充電習(xí)慣與其出行習(xí)慣息息相關(guān)，不同用戶的充電行為具有隨機(jī)性，這種隨機(jī)性將導(dǎo)致電動汽車用戶充電行為的無序性。電動汽車充電的無序性使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制工作出現(xiàn)問題。由于電動汽車用戶多選擇下班回家后在用電高峰期充電，因此會造成用電負(fù)荷增長、變壓器長時間處于過載狀態(tài)，從而影響變壓器安全穩(wěn)定的運(yùn)行，長此以往，會給電網(wǎng)增加大量不必要的維修成本。

3 動態(tài)分時電價與電動汽車有序充電的關(guān)系及影響

3.1 動態(tài)分時電價與電動汽車用戶需求響應(yīng)關(guān)系

需求響應(yīng)，作為需求側(cè)管理的方案之一，通常使用直接給予車主補(bǔ)貼或者調(diào)整電價方式，引導(dǎo)車主從自身經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，合理安排充電時間，從而保證電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷平穩(wěn)和安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著經(jīng)濟(jì)向前發(fā)展，電力行業(yè)成為了保障民生的必不可少的一環(huán)，信息技術(shù)的不斷提高下智能配電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，這也為電網(wǎng)實(shí)行動態(tài)分時電價機(jī)制提供技術(shù)支持。相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)，智能配電網(wǎng)中的雙向信息流能夠?qū)崿F(xiàn)車主與電網(wǎng)的連接與互動，需求響應(yīng)則是調(diào)整智能電網(wǎng)中供需水平的重要機(jī)制。其中價格型需求響應(yīng)機(jī)制是針對小規(guī)模充電車主較為有效地響應(yīng)機(jī)制，其作用機(jī)理就是供給側(cè)通過調(diào)整電價的高低水平，來反映電網(wǎng)供電成本的時段差異，引導(dǎo)車主通過時段差異價格，做出經(jīng)濟(jì)效益更高的選擇。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，動態(tài)分時電價作為配電市場需求響應(yīng)的理想電價調(diào)節(jié)機(jī)制之一，正逐步應(yīng)用到實(shí)際生活中，其獨(dú)特的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)電價的能力，能夠調(diào)動車主參與到電價響應(yīng)中來。

3.2 基于負(fù)荷預(yù)測的動態(tài)分時電價對有序充電的影響

在峰谷分時電價機(jī)制下，EV車主通常會選擇在低電價時段進(jìn)行充電，由于充電負(fù)荷過于集中，所以如圖1，2021年5月15日浙江杭州余杭區(qū)居民用電負(fù)荷與電動汽車充電疊加后負(fù)荷曲線中所示，在居民用電高峰期時出現(xiàn)峰上加峰的現(xiàn)象，原本的負(fù)荷峰值上升到了新的峰值，這一現(xiàn)象給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患，長期激增的負(fù)荷給電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行帶來壓力，電網(wǎng)損耗速度加快，電能質(zhì)量隨之降低。為降低供給側(cè)高負(fù)荷，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，引導(dǎo)EV有序充電，將集中的負(fù)荷進(jìn)行分?jǐn)偲骄钱?dāng)務(wù)之急。在智能配電網(wǎng)基礎(chǔ)上，動態(tài)分時電價較峰谷分時電價更加靈活，因?yàn)榉骞确謺r電價劃分的時段以用戶用電情況劃分的，所以電價較為固定，EV車主的充電選擇與電價之間的反饋是單向的，而在動態(tài)分時電價機(jī)制下，電價通過用戶每天的用電情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過對當(dāng)天的用電負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，從而制定第二天的動態(tài)分時電價，EV用戶與電價的反饋是雙向的，所以動態(tài)分時電價下，更有利于引導(dǎo)EV車主有序充電。

圖1 居民用電負(fù)荷與電動汽車充電疊加后負(fù)荷曲線

4 動態(tài)分時電價需求響應(yīng)下電動汽車有序充電方法

4.1 電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)分時電價負(fù)荷預(yù)測機(jī)制

動態(tài)分時電價負(fù)荷預(yù)測，一般是指對未來較短時間的電力需求進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測間隔可精準(zhǔn)到小時。精準(zhǔn)的動態(tài)分時電價負(fù)荷預(yù)測影響著電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、穩(wěn)定運(yùn)行，其在制定發(fā)電站及其發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行計(jì)劃、安排鄰近系統(tǒng)的電力調(diào)度，電力系統(tǒng)應(yīng)急分析和負(fù)荷管理以及能源市場交易過程中都起著重要的作用。動態(tài)分時電價負(fù)荷預(yù)測有以下特點(diǎn)：首先，動態(tài)分時電價負(fù)荷預(yù)測具有不確定性，負(fù)荷的變化與許多不斷變化的因素有關(guān)，因此不能確定地預(yù)測未來的發(fā)展；其次，在一定時間尺度上對當(dāng)前負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，而不同時刻的負(fù)荷是波動的，因此動態(tài)分時電價負(fù)荷預(yù)測具有時間性；最后，動態(tài)分時電價負(fù)荷預(yù)測是在必要條件和假設(shè)條件下進(jìn)行預(yù)測的，必要條件是能夠預(yù)測負(fù)荷變化的基本規(guī)律，在這種條件下的得到預(yù)測結(jié)果通常是有效的，假設(shè)條件則是在一定的研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)分析得出的。通過對目標(biāo)地區(qū)每天的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，找出電動汽車充電與居民用電二者疊加的規(guī)律，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，從而制定明天的動態(tài)分時電價。

4.2 電動汽車用戶動態(tài)分時電價響應(yīng)機(jī)制

傳統(tǒng)的到站排隊(duì)，即充即走的方式在EV使用量不斷增加的今天，已經(jīng)無法滿足EV車主的充電需求。EV無序充電現(xiàn)象包括：在充電高峰期出現(xiàn)擁堵；在用電低谷期充電車輛寥寥。這種現(xiàn)象不僅給用戶和充電站造成不便，還給電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)劃帶來不利影響。因此，須通過動態(tài)分時電價來引導(dǎo)到EV有序充電，由于車主個人的生活方式、空閑時間以及經(jīng)濟(jì)能力等的不同，所以充電時間的選擇也不同。通過用戶與充電站的交互連接，充電站建立智能充電樁，與電網(wǎng)相連接，進(jìn)行電力交易及動態(tài)分時電價的獲?。怀潆娬九c用戶通過充電站App進(jìn)行互聯(lián)，充電站將充電樁的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時發(fā)送到用戶軟件用戶端，用戶通過App中心上獲得充電站動態(tài)分時電價狀況，以及充電樁空閑使用情況。通過以上信息，用戶決定是否選擇該充電站進(jìn)行充電；若該充電站在動態(tài)分時電價下無空閑充電樁，或者該區(qū)域充電站的充電電價超出用戶的期望值，用戶可通過手機(jī)GPS選擇附近其他充電站，再次獲取其他充電站動態(tài)分時電價等信息，根據(jù)所獲得的信息，EV車主增加了自主選擇充電時間的意愿。通過充電站與用戶的信息互聯(lián)，用戶可獲取更多與自身經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)的信息，通過所獲得的充電站電價信息，選擇合適的充電站進(jìn)行充電；而電網(wǎng)通過調(diào)整不同區(qū)域的充電站電價水平，通過EV車主的響應(yīng)程度，逐步降低區(qū)域用電負(fù)荷，降低峰谷負(fù)荷差。

4.3 用戶需求響應(yīng)下動態(tài)分時電價調(diào)整機(jī)制

為有效引導(dǎo)EV有序充電，提升用戶需求響應(yīng)度，最關(guān)鍵之處是對動態(tài)分時電價的調(diào)整。在EV車主的出行成本消費(fèi)觀上，影響因素也存在差異，因此EV車主對于電價的響應(yīng)度也不同。因此，電網(wǎng)需建立良好的需求響應(yīng)下動態(tài)分時電價調(diào)整機(jī)制，在以每日充電活動為周期，結(jié)合用戶充電負(fù)荷，對動態(tài)分時電價進(jìn)行調(diào)整。首先對EV車主用電需求、各時間節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等信息進(jìn)行收集，通過充電站App后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)得到充電站在當(dāng)日動態(tài)分時電價的引導(dǎo)下的用戶實(shí)際充電情況以及用戶總用電量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理；然后將當(dāng)天與動態(tài)分時電價制定有關(guān)，以及用戶對電價響應(yīng)程度等數(shù)據(jù)向電網(wǎng)進(jìn)行反饋，電網(wǎng)根據(jù)EV車主的需求響應(yīng)程度以及整體電力系統(tǒng)負(fù)荷情況調(diào)整動態(tài)分時電價水平；最后，電網(wǎng)將調(diào)整后的動態(tài)分時電價下發(fā)至各充電站，車主根據(jù)調(diào)整后電價再進(jìn)行充電時間選擇。通過電網(wǎng)-充電站-用戶三方信息交互，電動汽車動態(tài)分時電價下充電方法，電網(wǎng)能夠及時掌握充電站的負(fù)荷狀況、EV充電高峰期以及用戶響應(yīng)度，及時調(diào)整動態(tài)分時電價水平，從而不斷提高用戶需求響應(yīng)度。電價政策發(fā)布初期，EV車主不會很快的響應(yīng)電價的變化，此時，電網(wǎng)的交互系統(tǒng)更加重要，要更精準(zhǔn)的根據(jù)每日用戶的用電變化制訂下一天的動態(tài)分時電價，讓車主切實(shí)的感受電價變化所帶來的包括充電上的便利，充電成本的變化，逐步提升用戶需求響應(yīng)程度。通過動態(tài)分時電價的調(diào)整達(dá)到降低電網(wǎng)用電高峰負(fù)荷，避免出現(xiàn)“峰上加峰”的情況出現(xiàn)，同時降低峰谷差。

5 電動汽車有序充電方法應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證動態(tài)分時電價需求響應(yīng)下EV有序充電的效果，以某一區(qū)域電網(wǎng)為例，將某工作日的24 h劃分為24個間隔時段，觀察該地區(qū)EV用戶在峰谷分時電價下無序充電負(fù)荷曲線、在動態(tài)分時電價的引導(dǎo)下有序充電的負(fù)荷曲線變化。如圖2所示，EV在峰谷分時電價下的負(fù)荷曲線在18:00～22:00達(dá)到負(fù)荷高峰，這段時期同樣是居民用電高峰期，因此會導(dǎo)致配電網(wǎng)負(fù)荷過大等問題；通過動態(tài)分時電價調(diào)控后的EV有序充電負(fù)荷曲線趨于平穩(wěn)，峰谷差減小，該充電方式將減小對配電網(wǎng)設(shè)備的壓力。通過動態(tài)分時電價的引導(dǎo)，EV用戶自發(fā)響應(yīng)電價政策，動態(tài)調(diào)整該地區(qū)的電力負(fù)荷，能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)設(shè)備損耗度。

圖2 電動汽車充電負(fù)荷曲線

通過需求響應(yīng)下動態(tài)分時電價機(jī)制的應(yīng)用，分析其效果可以得出：使用所提出的動態(tài)分時電價方法，能夠保證用戶充電需求得到滿足和電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，達(dá)到削峰填谷的目的。由于電網(wǎng)所發(fā)布的動態(tài)分時電價以短期負(fù)荷預(yù)測為基礎(chǔ)，因此電網(wǎng)的各時段電價不同，EV車主只有通過App與充電站進(jìn)行互聯(lián)才能得到準(zhǔn)確地電價波動情況，再據(jù)此合理安排充電計(jì)劃。實(shí)行動態(tài)分時電價后，電力市場透明度增加，EV車主對電價制定政策有更深層次的理解，因此能夠積極地響應(yīng)電網(wǎng)的引導(dǎo)政策。EV車主根據(jù)動態(tài)分時電價的波動情況，增加自我選擇的意愿，且通過與充電站的雙向互動，能夠得到更多充電站的不同電價水平，充分發(fā)揮了價格彈性杠桿的作用，提高了EV的充電效益。隨著用戶對電價制定的理解和環(huán)保意識不斷加深，動態(tài)分時電價引導(dǎo)下的有序充電能夠有效避免電能浪費(fèi)，在用戶需求響應(yīng)度逐步提升的情況下，充電站能最大限度的保持充電，同時也對充電站運(yùn)行系統(tǒng)的更新升級提出要求。