馬英姿,馬兆興
(青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東 青島 266525)
以化石能源為基礎(chǔ)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),一定程度上造成了生態(tài)環(huán)境不可逆轉(zhuǎn)的破壞[1]。為緩解能源緊張、建設(shè)美好生態(tài)環(huán)境,以電力為能源的電動(dòng)汽車呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)[2]。然而,電動(dòng)汽車的普及給電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的用電壓力,如在充電過(guò)程中,加劇用電尖峰負(fù)荷,進(jìn)一步惡化電能質(zhì)量等[3—4]。
為解決這一難題,文獻(xiàn)[5]提出根據(jù)電池壽命、電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)、車主是否出行等調(diào)控次序指標(biāo),緩解電動(dòng)汽車充電導(dǎo)致的電力不平衡,但未考慮電價(jià)對(duì)調(diào)控的影響。文獻(xiàn)[6]提出以調(diào)峰、損失最小化和用戶利潤(rùn)最大化為目標(biāo)的電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)化,以電動(dòng)汽車為能源儲(chǔ)備緩解負(fù)荷高峰,但未考慮用戶出行計(jì)劃。文獻(xiàn)[7]考慮電動(dòng)汽車車主充電首選時(shí)區(qū),以充電時(shí)間和總系統(tǒng)功率損失最小化建立目標(biāo)函數(shù),緩解峰值,改善電壓分布,降低功率損耗。文獻(xiàn)[8]以傳輸給電動(dòng)汽車最大電能為目標(biāo),提出自動(dòng)開(kāi)斷充電模式和平滑調(diào)節(jié)充電模式,最大限度滿足用戶充電需求,但未考慮用戶充電費(fèi)用問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]提出以功率為限制的電動(dòng)汽車充電策略,可降低負(fù)荷方差,減少用戶充電消費(fèi)。文獻(xiàn)[10]綜合考慮電動(dòng)汽車、用電器負(fù)荷、其他儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源之間的能量交換,使用粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法求解用電成本最小解,但忽略了用戶的出行狀態(tài)。
上述研究均通過(guò)某一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)有序調(diào)控電動(dòng)汽車充電行為,但綜合考慮充電成本與充電完成時(shí)間對(duì)電動(dòng)汽車用戶影響的研究較少。文中為緩解電動(dòng)汽車無(wú)序充電對(duì)負(fù)荷曲線的影響,綜合考慮用戶充電費(fèi)用和充電所需時(shí)間、售電站調(diào)峰效益和售電收益,提出用戶充電時(shí)間和充電價(jià)格博弈下的電動(dòng)汽車充電優(yōu)化策略。售電站在分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)上制定電價(jià),減少電動(dòng)汽車充電引起的峰谷差。文中利用PSO算法求解最優(yōu)條件下的雙方策略,以600戶家庭的居民小區(qū)為例,模擬用戶充電行為,對(duì)所提控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證,并對(duì)售電站的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。
(1)
(2)
用戶出行時(shí)間及行駛路程概率分布規(guī)律見(jiàn)圖1。
圖1 用戶出行時(shí)間及行駛路程概率分布Fig.1 Probability distribution of user travel time and driving distance
為了應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車即到即充的用電需求,分時(shí)電價(jià)一定程度上緩解了電力高峰時(shí)刻的用電壓力,但仍無(wú)法應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車充電需求的隨機(jī)性[15]。為了緩解大規(guī)模電動(dòng)汽車同時(shí)充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊,使用斯塔克爾伯格博弈對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行優(yōu)化管理[16—17]。斯塔克爾伯格競(jìng)爭(zhēng)模型是價(jià)格領(lǐng)導(dǎo)模型,決定價(jià)格的依據(jù)是:領(lǐng)導(dǎo)者決定一個(gè)價(jià)格,追隨者可以看到這個(gè)價(jià)格,然后領(lǐng)導(dǎo)者根據(jù)追隨者的產(chǎn)量決定自己的產(chǎn)量。二者存在先后順序。值得注意的是,領(lǐng)導(dǎo)者在制定價(jià)格的同時(shí),應(yīng)該注意追隨者的行動(dòng),追隨者行為符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律反應(yīng)函數(shù)。簡(jiǎn)而言之,上層領(lǐng)導(dǎo)者給定初始電價(jià),下層電動(dòng)汽車使用者計(jì)算最優(yōu)充電策略,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電滿意度最優(yōu)。領(lǐng)導(dǎo)者可以預(yù)期自己決定的價(jià)格對(duì)追隨者的影響。正是考慮到該因素,領(lǐng)導(dǎo)者決定的價(jià)格可以實(shí)現(xiàn)以追隨者的反應(yīng)函數(shù)為約束的營(yíng)業(yè)值利潤(rùn)最大化。
以博弈的三要素,即參與人、策略、收益建立充電模型。以售電方、電動(dòng)汽車用戶兩方為博弈參與人,考慮二者的目標(biāo),制定博弈策略。
2.2.1 售電方目標(biāo)函數(shù)
在電價(jià)博弈中,售電方是領(lǐng)導(dǎo)者,其主要職責(zé)是根據(jù)負(fù)荷曲線合理制定電動(dòng)汽車充電價(jià)格,限制電動(dòng)汽車聚集充電,保證負(fù)荷曲線不超過(guò)本區(qū)域功率限制。售電方通過(guò)制定充電價(jià)格獲取電動(dòng)汽車充電利潤(rùn)并調(diào)節(jié)電網(wǎng)壓力,電動(dòng)汽車充電帶來(lái)的利潤(rùn)f1,1為:
(3)
式中:N,T分別為充電的電動(dòng)汽車總數(shù)和充電的時(shí)段數(shù);Pcharge,n為售電方電動(dòng)汽車n的充電收益;Pprice,t,n,Pstart,t,n分別為博弈后的t時(shí)段電動(dòng)汽車n充電電價(jià)和電網(wǎng)制定的分時(shí)電價(jià);Estage,t,n為t時(shí)段電動(dòng)汽車n的充電電量;t0為起始時(shí)段。
系統(tǒng)負(fù)荷曲線由居民區(qū)常規(guī)負(fù)荷曲線和電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線組成,小區(qū)引入電動(dòng)汽車后的負(fù)荷為:
P?,t=Pcommand,t+PEV,t
(4)
式中:Pcommand,t為居民小區(qū)未考慮電動(dòng)汽車時(shí)的t時(shí)段基礎(chǔ)負(fù)荷;PEV,t為t時(shí)段電動(dòng)汽車充電負(fù)荷,由在該時(shí)段內(nèi)充電的M輛電動(dòng)汽車的充電功率PEV,t,n組成,如式(5)所示。
(5)
由于方差可以度量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)均值之間的偏離程度,選取方差作為考察售電站對(duì)負(fù)荷曲線“糾偏”的貢獻(xiàn)程度,由式(6)計(jì)算電網(wǎng)獎(jiǎng)勵(lì)售電方緩解電網(wǎng)壓力做出的貢獻(xiàn),即調(diào)峰收益f1,2。
(6)
綜上,售電方的收益函數(shù)F1為:
F1=f1,1+f1,2
(7)
2.2.2 售電方約束條件
充電費(fèi)用會(huì)影響電動(dòng)汽車普通用戶的充電能力。一般來(lái)說(shuō),為保證電動(dòng)汽車用戶可更加靈活地選擇充電時(shí)間,需對(duì)各個(gè)時(shí)段的最高充電電價(jià)進(jìn)行限制。同時(shí),設(shè)定一個(gè)最低值保證售電站的總體收益。
Pmin,t≤Pprice,t≤Pmax,t
(8)
式中:Pprice,t為售電方t時(shí)段制定的充電電價(jià);Pmax,t,Pmin,t分別為售電方t時(shí)段可定制的最高、最低電價(jià)。
一般而言,居住小區(qū)建設(shè)時(shí)根據(jù)用戶住宅面積統(tǒng)一規(guī)劃,有一定的變壓器容量。為了保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行,居民日常負(fù)荷應(yīng)始終保持在變壓器的容量Plimit之下。
Pcommand,t+PEV,t (9) 2.2.3 售電方售電策略 售電方作為約束電動(dòng)汽車充電時(shí)間、保證負(fù)荷曲線穩(wěn)定在一定限度內(nèi)的重要中介,其制定的電價(jià)既要約束大批量電動(dòng)汽車同時(shí)接入充電,又要滿足所有電動(dòng)汽車的充電需求。售電站根據(jù)負(fù)荷曲線及表1中的分時(shí)電價(jià)制定電動(dòng)汽車每小時(shí)的充電電價(jià)。 表1 分時(shí)電價(jià)Table 1 Time-of-use electricity price 當(dāng)某時(shí)段負(fù)荷水平較高時(shí),售電方在分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)上抬高電價(jià),抑制充電;負(fù)荷水平較低時(shí),在分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)上降低電價(jià),鼓勵(lì)用戶充電。結(jié)合電價(jià)約束條件,可得: Pprice,t={Pmin,t,…,Pstart,t,…,Pmax,t} (10) 式中:Pstart,t為t時(shí)段電網(wǎng)制定的分時(shí)電價(jià)。 2.2.4 用戶目標(biāo)函數(shù) 為了使電動(dòng)汽車用戶獲得良好的充電滿足感,即相對(duì)便宜的充電價(jià)格和較短的充電等待時(shí)間。電動(dòng)汽車用戶的目標(biāo)函數(shù)由充電成本和充電完成效益組成。一般來(lái)說(shuō),選擇到達(dá)立即充電的用戶充電費(fèi)用較高,充電完成時(shí)間較短。選擇響應(yīng)充電策略的用戶充電成本較低,充電完成時(shí)間較長(zhǎng)。相應(yīng)地,對(duì)于大部分電動(dòng)汽車用戶來(lái)說(shuō),目標(biāo)是充電滿意度最大。電動(dòng)汽車n的充電金額f2,1,n為: (11) 式中:Plevel為充電效率,一般取0.88。 電動(dòng)汽車n的充電完成效益f2,2,n由電動(dòng)汽車接入時(shí)間tstart,n,充電結(jié)束時(shí)間tcomplete,n和接通充電樁時(shí)的剩余電量SSOC,n決定,即: (12) 綜上,電動(dòng)汽車用戶的目標(biāo)函數(shù)F2為: (13) 2.2.5 用戶約束條件 為避免電動(dòng)汽車電池極板損傷以及電池壽命縮短,需滿足: (14) (15) 式中:Eneed,n為電動(dòng)汽車n的可充電電量;Ebase,n為電動(dòng)汽車n的電池總?cè)萘俊?/p> 電動(dòng)汽車的剩余電量不能超過(guò)電池容量,即: SSOC,min,n (16) 式中:SSOC,min,n,SSOC,max,n分別為電動(dòng)汽車n電池剩余電量的最小值和最大值。 2.2.6 用戶充電策略 為了最大化用戶的充電滿意度,用戶需根據(jù)電價(jià)和充電所需時(shí)間及時(shí)調(diào)整充電策略。通過(guò)在配套的充電設(shè)施人機(jī)交互模式中添加最優(yōu)化充電和立即充電模式選項(xiàng),引導(dǎo)用戶充電。使用戶在高電價(jià)時(shí)段,一般選擇不充電或者充少量電,在合適電價(jià)下,分散進(jìn)入充電序列。電動(dòng)汽車n的充電時(shí)間tdur,n為: (17) 式中:Pch,n為電動(dòng)汽車n的充電功率。 則用戶的充電時(shí)間策略集為: tdur,n={tstart,n,tstart,n+1,tstart,n+2,…,tcomplete,n} (18) 在PSO算法中,每個(gè)粒子代表一個(gè)可行解,通過(guò)粒子個(gè)體和群體內(nèi)的信息交互,使粒子達(dá)到最佳位置[18]。將博弈雙方的策略抽象為PSO算法中的粒子,利用PSO算法的速度和位置更新公式,求解雙方的博弈策略,達(dá)到博弈均衡[19]。算法的位置和速度更新如下: (19) 式中:vi(m),xi(m)分別為粒子i在第m次迭代時(shí)的速度和位置;pbest,i(m),gbest,i(m)分別為粒子i的個(gè)體最優(yōu)值和群體最優(yōu)值;ω為慣性權(quán)重,取值區(qū)間為[0,1];c1,c2為學(xué)習(xí)因子;r1,r2為[0,1]間的隨機(jī)數(shù)。 制定電動(dòng)汽車充電策略和售電站電價(jià)是完成充電優(yōu)化的前提。電動(dòng)汽車連接充電樁后,系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)汽車所需電量,預(yù)判充電時(shí)間。PSO算法根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷,模擬選取臨近充電接入時(shí)間且電價(jià)相對(duì)較低的時(shí)段,制定充電策略,并生成新的負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線。售電方根據(jù)負(fù)荷調(diào)整電價(jià),重復(fù)進(jìn)行上一輪策略模擬,直至售電站收益和電動(dòng)汽車用戶滿意度綜合最優(yōu)。具體步驟如下: (1)對(duì)當(dāng)天的基礎(chǔ)用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè),初始化分時(shí)電價(jià)。 (2)根據(jù)居民區(qū)生活規(guī)律,導(dǎo)入電動(dòng)汽車的到達(dá)時(shí)間和所需充電電量信息。 (3)種群信息初始化。生成種群大小為K的電動(dòng)汽車用戶和售電方的初始種群,分別記為KEV,Kcharge。初始化粒子的位置和速度,以變壓器容量約束條件對(duì)電動(dòng)汽車充電量進(jìn)行限制,以售電站約束條件對(duì)充電電價(jià)進(jìn)行限制。 (4)依據(jù)式(19)對(duì)粒子的位置和速度進(jìn)行迭代更新。 (5)計(jì)算電動(dòng)汽車用戶目標(biāo)函數(shù),求解最優(yōu)值。根據(jù)每小時(shí)電價(jià)求解滿足約束條件且用戶滿意度最大化的粒子。 (6)基于博弈模型計(jì)算充電站目標(biāo)函數(shù),求解最優(yōu)值。根據(jù)用戶充電策略求解滿足約束條件的收益最大化粒子。 (7)判斷是否滿足迭代終止條件,若不滿足,轉(zhuǎn)到步驟(4)重新計(jì)算,最終得到最優(yōu)充電方案。 以深圳某住宅小區(qū)為例,模型參數(shù)為:居民用戶600戶,變壓器最大負(fù)載能力為3 529 kW;居民小區(qū)內(nèi)配有交流充電樁,充電功率恒為7 kW;電動(dòng)汽車的電池容量為45 kW·h。假設(shè):所有電動(dòng)汽車均在當(dāng)前居民小區(qū)內(nèi)完成充電;居民小區(qū)內(nèi)的電動(dòng)汽車每天充滿電后使用;居民小區(qū)內(nèi)的充電樁可以支持?jǐn)?shù)量足夠多的電動(dòng)汽車同時(shí)充電;電動(dòng)汽車駕駛員的出門時(shí)間、行駛距離、返回時(shí)間均是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量。 以1 h為間隔,對(duì)200輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷進(jìn)行仿真,驗(yàn)證文中所提有序充電優(yōu)化方法的優(yōu)越性。 在沒(méi)有博弈的情況下,電動(dòng)汽車充電的時(shí)間與人們正常生活工作的規(guī)律基本吻合?;诰用窕A(chǔ)負(fù)荷,隨機(jī)模擬電動(dòng)汽車到達(dá)時(shí)間和行駛距離,不考慮分時(shí)電價(jià),所有的電動(dòng)汽車在到達(dá)后立刻連接充電樁充電,直至充滿才斷開(kāi)連接。電動(dòng)汽車無(wú)序充電下的負(fù)荷曲線如圖2所示。 圖2 無(wú)序充電下的負(fù)荷曲線Fig.2 Load curve under disorderly charging 由圖2可知,電動(dòng)汽車充電接入時(shí)段與電網(wǎng)的晚高峰時(shí)段基本重合,在15:00左右開(kāi)始持續(xù)增長(zhǎng),18:00左右達(dá)到峰值。居民基礎(chǔ)負(fù)荷和電動(dòng)汽車充電負(fù)荷疊加,在17:00—21:00產(chǎn)生“峰上加峰”現(xiàn)象。隨著電動(dòng)汽車用戶持續(xù)增加,負(fù)荷峰值將繼續(xù)增大,容易導(dǎo)致變壓器過(guò)載,不利于配電網(wǎng)安全運(yùn)行。 電動(dòng)汽車用戶與售電站進(jìn)行多輪博弈達(dá)到博弈均衡。某用戶消費(fèi)組成如表2所示。 表2 某用戶消費(fèi)組成Table 2 A user consumption composition 表2中,總費(fèi)用為充電等待費(fèi)用與充電費(fèi)用之和。該用戶1 d的總費(fèi)用合計(jì)32.93元。用戶在17:00左右到達(dá),用戶充電時(shí)除了考慮充電費(fèi)用,還需考慮充電等待費(fèi)用如停車費(fèi)用等,表2中取1.88元/h。由23:00—24:00總費(fèi)用可知,在電價(jià)較高時(shí),充電費(fèi)用明顯大于充電等待費(fèi)用,故用戶在進(jìn)行充電決策時(shí),一般不會(huì)選擇在電費(fèi)較高的時(shí)段內(nèi)充電,而選擇電費(fèi)相對(duì)較低的時(shí)段進(jìn)行充電。該用戶的充電決策迭代過(guò)程如圖3所示。 圖3 用戶充電決策迭代Fig.3 User charging decision iteration 博弈均衡后售電站定價(jià)與分時(shí)電價(jià)對(duì)比如圖4所示。由圖4可知,售電站最終制定的電價(jià)在分時(shí)電價(jià)附近波動(dòng)。17:00—21:00,進(jìn)入充電等待的電動(dòng)汽車較多,該段時(shí)間內(nèi)電價(jià)都相對(duì)較高。相比之下,23:00—24:00電價(jià)明顯降低,為降低充電成本,大批量用戶會(huì)選擇在該段時(shí)間進(jìn)行充電。電動(dòng)汽車集中充電會(huì)導(dǎo)致這2個(gè)時(shí)間段產(chǎn)生新的用電高峰,故23:00—24:00售電站電價(jià)略高于分時(shí)電價(jià)。在01:00—06:00,售電站電價(jià)略低于分時(shí)電價(jià),可吸引大批量電動(dòng)汽車用戶在該段時(shí)間進(jìn)行充電。 圖4 分時(shí)電價(jià)與博弈均衡后售電站定價(jià)對(duì)比Fig.4 Comparison of time-of-use electricity price and game equilibrium selling power station price 以表1中的分時(shí)電價(jià)作為售電方基礎(chǔ)定價(jià),按照算法流程求得分時(shí)電價(jià)和博弈后售電站定價(jià)下的負(fù)荷曲線如圖5所示。 圖5 分時(shí)電價(jià)和博弈均衡后售電站定價(jià)下的負(fù)荷曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of load curves under time-of-use electricity price and game equilibrium selling power station price 由圖5可知,分時(shí)電價(jià)、博弈均衡后售電站定價(jià)下的負(fù)荷曲線與居民基礎(chǔ)負(fù)荷曲線相似。與圖2無(wú)序充電負(fù)荷曲線相比,二者均能在07:00前完成充電,不影響電動(dòng)汽車用戶的正常出行。分時(shí)電價(jià)雖然能在一定程度上抑制“峰上加峰”現(xiàn)象,但在居民用電高峰之后會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)汽車的充電高峰。博弈均衡后售電站定價(jià)下,第2個(gè)高峰消失,且不易超過(guò)變壓器容量限制。值得注意的是,售電站電價(jià)下的負(fù)荷高峰并未消失,這是因?yàn)榇藭r(shí)的電價(jià)水平已相對(duì)較高,且部分提早進(jìn)入充電序列的高電量用戶只有在此刻充電才能平衡充電等待花費(fèi)和充電花費(fèi)。 電動(dòng)汽車在無(wú)序、分時(shí)電價(jià)、博弈均衡后售電站定價(jià)下充電的電網(wǎng)負(fù)荷情況如表3所示。 表3 不同充電定價(jià)下的負(fù)荷對(duì)比Table 3 Load comparison under different charging prices kW 由表3可知,相比無(wú)序充電定價(jià)下的負(fù)荷方差,博弈均衡后售電站定價(jià)下的負(fù)荷方差減幅為49.68%,分時(shí)電價(jià)定價(jià)下的負(fù)荷方差減幅為39.95%。售電站在尋求最大售電利益的同時(shí)兼顧電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷,電網(wǎng)負(fù)荷水平相比無(wú)序充電下的負(fù)荷水平明顯改善。分時(shí)電價(jià)與博弈均衡后售電站實(shí)時(shí)定價(jià)的收益對(duì)比如表4所示。 表4 分時(shí)電價(jià)和博弈均衡后售電站定價(jià)下的收益對(duì)比Table 4 Income comparison under time-of-use electricity price and selling power station price 元 售電站參與電網(wǎng)調(diào)峰,減小負(fù)荷方差,獲得調(diào)峰收益4 597元,相比分時(shí)電價(jià)下的調(diào)峰收益769.8元,增幅達(dá)到83%。可見(jiàn),博弈均衡后售電站定價(jià)方式可以充分調(diào)動(dòng)售電站參與調(diào)峰的積極性,避免負(fù)荷峰值持續(xù)升高。 同時(shí),博弈均衡后售電站定價(jià)下用戶的充電成本為5 606元,分時(shí)電價(jià)下的用戶充電成本為5 518元。博弈均衡后的定價(jià)雖然在一定程度上增加了用戶的充電成本,但能緩解分時(shí)電價(jià)下產(chǎn)生的充電高峰,保證電動(dòng)汽車在07:00前完成充電,并在變壓器容量限制下充分滿足用戶出行需求。 文中通過(guò)分析居民小區(qū)的出行規(guī)律和用電習(xí)慣,考慮用戶的充電需求,建立了居民小區(qū)基本用電負(fù)荷模型,在此基礎(chǔ)上提出了基于博弈論的電動(dòng)汽車充電模型,并結(jié)合分時(shí)電價(jià)調(diào)節(jié)居民小區(qū)電動(dòng)汽車用戶充電行為。對(duì)某居民小區(qū)電動(dòng)汽車充電時(shí)的電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行仿真,結(jié)果表明:在沒(méi)有約束的情況下,電動(dòng)汽車無(wú)序充電進(jìn)一步加大了峰谷差,隨著電動(dòng)汽車數(shù)量增多,會(huì)影響配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。而基于博弈論的電動(dòng)汽車優(yōu)化充電,降低了電網(wǎng)負(fù)荷方差,轉(zhuǎn)移了負(fù)荷峰值,一定程度上改善了電壓曲線,提高了電網(wǎng)的安全性。同時(shí),所提控制策略考慮了電動(dòng)汽車用戶本身的出行、充電時(shí)長(zhǎng)需求以及充電電價(jià)對(duì)負(fù)荷的影響,有效避免了新的負(fù)荷高峰出現(xiàn)。2.3 基于PSO算法的最優(yōu)解求解
3 算例分析
3.1 仿真設(shè)置
3.2 無(wú)序充電仿真
3.3 博弈算法下的電動(dòng)汽車優(yōu)化充電仿真
3.4 算例結(jié)果比較
4 結(jié)語(yǔ)