電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)的潛力分析
——以南京市為例

馮 奕，劉 穎

(南京工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇 南京，211167)

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車可顯著減少對傳統(tǒng)資源的消耗和依賴，減少對環(huán)境產(chǎn)生的危害。因此，電動汽車成為汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向。在多項政策激勵下，我國已處于電動汽車的黃金發(fā)展階段。

由于電動汽車的充電行為通常是任意的、分散的、隨機的，大量電動汽車無序接入電網(wǎng)將對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響[1]。若有序引導(dǎo)，電動汽車可作為分散式儲能來參與電網(wǎng)輔助服務(wù)。利用電動汽車—電網(wǎng)互動技術(shù)(Vehicle to grid，V2G)，可以使電網(wǎng)和電動汽車的能源流和信息流雙向流通，為電動汽車參與電網(wǎng)輔助服務(wù)提供技術(shù)支持。

一、研究現(xiàn)狀

國家能源局2017年頒布了《完善電力輔助服務(wù)補償(市場)機制工作方案》(國能發(fā)監(jiān)管[2017]67號)，方案鼓勵擴大電力輔助服務(wù)提供主體，鼓勵儲能設(shè)備參與電網(wǎng)，允許第三方提供電力輔助服務(wù)[2]。目前已有大量學(xué)者對電動汽車參與電網(wǎng)輔助服務(wù)進(jìn)行了研究。胡澤春等學(xué)者研究證明電動汽車接入電網(wǎng)會加重電力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，影響其穩(wěn)定運行[3]。針對具體的調(diào)度策略，葛少云等學(xué)者研究了電動汽車有序充電，并為了使電網(wǎng)峰谷差最小化提出了峰谷電價時段的優(yōu)化模型與方法[4]。但以上研究均未考慮用戶響應(yīng)度問題，王博等學(xué)者分別對不考慮用戶響應(yīng)度和考慮用戶響應(yīng)度的有序充電策略進(jìn)行了建模及仿真分析[5]。Andersson S L等學(xué)者研究德國和瑞典電動汽車用戶參與調(diào)頻服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性情況，發(fā)現(xiàn)在德國電動汽車用戶可以通過參與調(diào)頻服務(wù)獲得收入，但在瑞典則沒有這份額外收益[6]。李琥等學(xué)者指出電動汽車充電對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要因素是電動汽車的普及程度、類型、充電時間、充電方式、充電特性五個方面[7]。 Haibo H等學(xué)者根據(jù)地區(qū)劃分電動汽車運營商，并且將電動汽車聚集起來，使電動汽車在電網(wǎng)需要調(diào)峰時刻快速實時調(diào)度[8]。孫強等學(xué)者提出了一種基于電動汽車的分層控制結(jié)構(gòu)來建立電動汽車有序充放電過程控制的數(shù)學(xué)模型，利用Aggregator(聚合商)作為電動汽車與電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)之間中間人的角色，實現(xiàn)了電動汽車跟蹤上層目標(biāo)的需求響應(yīng)控制[9]。占愷嶠等學(xué)者提出了一種通過合理調(diào)度配電網(wǎng)中分散的電動汽車有序充電，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)損最小化的模型與計算方法[10]。

本文在分析電動汽車參與輔助服務(wù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，將電動汽車的調(diào)度狀態(tài)進(jìn)行分類，對不同狀態(tài)的可調(diào)節(jié)容量進(jìn)行計算，以此來估算其參與輔助服務(wù)的潛力；以南京市為例，對電動汽車參與輔助服務(wù)的潛力進(jìn)行實例計算，對電動汽車更好地參與輔助服務(wù)提出建議。

二、電動汽車參與輔助調(diào)峰優(yōu)勢

1.響應(yīng)速度快

電動汽車依靠V2G技術(shù)參與輔助服務(wù)。硬件主要為電力電子器件輔以智能控制設(shè)備，具有較快的反應(yīng)速度。比起使用機械開關(guān)的傳統(tǒng)調(diào)頻機組1 s～10 s的調(diào)節(jié)速度，電動汽車輔助調(diào)頻響應(yīng)速度可達(dá)1 ms，具有明顯的速度優(yōu)勢。

2.調(diào)度靈活性強

電動汽車參與輔助服務(wù)的靈活性體現(xiàn)在兩個方面：充放電狀態(tài)的切換和參與體量的改變。與傳統(tǒng)機組相比，使用電力電子器件可以使電動汽車在充放電狀態(tài)之間靈活切換，實現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)。另外，電動汽車的個體功率較小，可實現(xiàn)充放電功率的無差調(diào)節(jié)。這兩方面使得電動汽車可靈活響應(yīng)電網(wǎng)的多種調(diào)頻需求。

3.調(diào)節(jié)成本小

電動汽車的充電站通常位于市中心，屬于負(fù)荷密集地區(qū)，當(dāng)電動汽車通過V2G技術(shù)接入電網(wǎng)進(jìn)行電力傳輸時，與傳統(tǒng)電廠輸能相比產(chǎn)生的線損更小。除此之外，電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)度不需要安裝額外的設(shè)備，還可以減少一定的備用容量投資，節(jié)約了電網(wǎng)的建設(shè)運行成本。

三、電動汽車參與輔助服務(wù)的潛力計算方法

(一)電動汽車調(diào)度狀態(tài)分類

為了保證電動汽車滿足用戶本身出行需求，電動汽車在參與調(diào)度之前需要對電動汽車進(jìn)行狀態(tài)分類，并根據(jù)實況決定是否能參與調(diào)度。根據(jù)電網(wǎng)要求，增加或減少的功率即為電動汽車可調(diào)節(jié)容量。當(dāng)電動汽車電量未達(dá)最大值時，電動汽車可以增加或可接收電網(wǎng)輸送的充電功率即為可向下調(diào)度容量，稱為可下調(diào)容量；電動汽車可減少的充電功率或可向電網(wǎng)輸送的放電功率，稱為可上調(diào)容量[11]。

為了描述電動汽車電池狀態(tài)，定義荷電狀態(tài)SOC(State of charge)表示電池剩余可用容量，以其額定容量的百分比表示，其取值范圍為0～1。根據(jù)電動汽車初始SOC值的狀態(tài)，可將其調(diào)度狀態(tài)分為四類。各調(diào)度狀態(tài)的取值邊界定義如圖1所示。

圖1 SOC狀態(tài)示意圖

(Ⅰ) 只可上調(diào)類型：車輛i處于快要滿電狀態(tài)，只允許放電調(diào)度的可調(diào)度類型。

(Ⅱ) 既可上調(diào)又可下調(diào)類型：車輛i的剩余電量處于中間，既允許放電又允許充電調(diào)度的可調(diào)度類型。

(Ⅲ) 只可下調(diào)類型：車輛i處于快要無電狀態(tài)，只允許充電調(diào)度的可調(diào)度類型。

(Ⅳ) 不可調(diào)度類型：車輛i為不可調(diào)度類型。

2.不同狀態(tài)SOC值邊界計算

根據(jù)上述SOC狀態(tài)劃分，下面將對其邊界值進(jìn)行界定。電動汽車不能參與調(diào)度的最小SOC值，即SOCmin計算公式為：

(1)

式中：SOCt表示電動汽車每天正常行駛所需荷電狀態(tài)；x、y分別表示電動汽車每天行駛路程和每千米所耗費的電量；Ci表示電動汽車電池額定存儲電量；Dmax表示電動汽車最大放電深度(為保護(hù)電池，該值取0.7)。

電動汽車既可充電又可放電調(diào)度(Ⅱ類)的SOC值范圍計算公式為：

(2)

(二)電動汽車調(diào)度容量

1.單輛電動汽車調(diào)度容量計算

(1)向上調(diào)度容量

電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)度的前提是滿足自身的出行需求，即電動汽車在進(jìn)行Δt時間段的電力調(diào)度之后，電動汽車的電量不能小于SOCmin，即SOC值不得少于30%。

由可向上調(diào)度容量的定義可知，單輛電動汽車可向上調(diào)度容量公式為：

(3)

(2)向下調(diào)度容量

單輛電動汽車可向下調(diào)度容量公式為：

(4)

2.多輛電動汽車調(diào)度容量計算

(1)多個電動汽車可向上調(diào)度容量公式

(5)

(2)多個電動汽車可向下調(diào)度容量公式

(6)

為了求得最大調(diào)度容量，本文設(shè)定處于可調(diào)度狀態(tài)的電動汽車的充放電功率為0(Pi,t=0，即既沒充電也沒放電)，電動汽車調(diào)度時長Δt為0.5 h。

四、實例分析

(一)情景設(shè)置

1.仿真參數(shù)

截至2021年底，江蘇省全省機動車保有量 2 365.92 萬輛[12]，其中，南京保有量為291.345 9萬輛，約占比13%。全省純電動汽車保有量為199 096 輛，按照南京機動車占比來估算南京電動汽車保有量為25 882輛。假定能參與調(diào)度的電動汽車為總量的50%，因此設(shè)定可參與調(diào)度的電動汽車數(shù)量為12 000輛。

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車年鑒》2021年3月數(shù)據(jù)，大約估算電動私家車為60%，電動公交汽車的數(shù)量占比為20%，電動公務(wù)車為20%。因此設(shè)定南京區(qū)域能參與調(diào)度的電動私家電動汽車有7 200輛，電動公交車2 400輛以及電動公務(wù)車2 400 輛。

2.電動汽車出行數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]對電動汽車行為特性的分析，對電動汽車的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

表1 電動汽車參數(shù)設(shè)置表

(二)電動汽車調(diào)度狀態(tài)SOC值劃分

根據(jù)式(1)和式(2)，私家車調(diào)度狀態(tài)SOC劃分計算為：

SOCmin=1-Dmax+SOCt=

1-0.7+0.2=0.5

類似地，可計算出公交車和公務(wù)車的調(diào)度狀態(tài)邊界。根據(jù)上述計算，將私家車、公交車和公務(wù)車的調(diào)度狀態(tài)邊界匯總?cè)绫?所示。

表2 各類電動汽車調(diào)度狀態(tài)劃分

由計算結(jié)果可見，電動公交車由于日行駛里程較多，在保證其工作所需電量以及考慮電池?fù)p耗的情況下，其電池是沒有可調(diào)范圍的，因此，本文不考慮電動公交車的調(diào)度容量。

(三)調(diào)度容量潛力計算

1.計算方法

根據(jù)情景設(shè)置、電動汽車調(diào)度狀態(tài)劃分以及上述容量計算方法，假定一日內(nèi)電動汽車僅參與一次電網(wǎng)調(diào)度，計算電動汽車在用電高峰期的一小時內(nèi)可調(diào)度容量，計算流程如圖2所示。

圖2 容量計算流程圖

根據(jù)調(diào)度狀態(tài)劃分，將電動汽車的起始SOC值設(shè)置為高、中、低三類，為簡便計算，三類起始SOC分別設(shè)為定值0.9、0.6和0.3。對不同SOC值狀態(tài)下電動私家車和公務(wù)車的可調(diào)度容量進(jìn)行計算。

2.高峰時期可調(diào)度容量計算

首先選取20:00～21:00用電高峰時期(兩個Δt)的可調(diào)度容量進(jìn)行計算，因為用電高峰時期電網(wǎng)負(fù)荷較高，供給小于需求，所以此時段調(diào)度容量只考慮向上調(diào)度容量。

(1)私家車調(diào)度容量計算

當(dāng)起始SOC值為0.9時，第一個Δt內(nèi)電動汽車只可向上調(diào)度，根據(jù)式(3)和式(5)，調(diào)度容量計算為：

5×7 200=36 000 kW

調(diào)度完成后，此時電動汽車SOC值計算為：

第二個Δt內(nèi)電動汽車既可向上也可向下調(diào)度，選擇向上調(diào)度，調(diào)度容量為36 000 kW。

當(dāng)起始SOC值為0.6時，第一個Δt內(nèi)電動汽車既可向上調(diào)度又可向下調(diào)度。若第一個階段選擇向上調(diào)度時，調(diào)度容量計算為36 000 kW。調(diào)度完成后，此時SOC值為0.5，此時電動汽車SOC值進(jìn)入不可調(diào)度狀態(tài)，此時第二階段調(diào)度容量為0。

當(dāng)起始SOC值為0.3時，電動汽車不可調(diào)度，因此總調(diào)度容量為0。

(2)公務(wù)車調(diào)度容量計算

當(dāng)起始SOC值為0.9時，第一個Δt內(nèi)電動汽車只可向上調(diào)度，調(diào)度容量計算為：

調(diào)度完成后，此時電動汽車SOC值計算為：

第二個調(diào)度時間Δt內(nèi)電動汽車既可向上也可向下調(diào)度，選擇向上調(diào)度，調(diào)度容量為12 000 kW。

當(dāng)起始SOC值為0.6和0.3時，公務(wù)車均處于不可調(diào)度狀態(tài)，因此調(diào)度容量為0。

3.低谷時期可調(diào)度容量計算

選取00:00～1:00用電低谷時期的可調(diào)度容量進(jìn)行計算，因為用電低谷時期電網(wǎng)負(fù)荷較小，供給大于需求，因此，此時段調(diào)度容量只考慮向下調(diào)度容量。計算過程與方法不再贅述。

綜上所述，不同類型電動汽車在不同初始SOC值的情況下在用電高峰時期和低谷時期的一小時內(nèi)可參與調(diào)度的容量計算如表3所示。

表3 調(diào)度容量結(jié)果表 kW

本例中按照現(xiàn)有電動汽車保有量的50%參與電網(wǎng)調(diào)度，可產(chǎn)生的調(diào)度容量最大達(dá)50 400 kW。而2019年，江蘇省新增儲能裝機容量為107 000 kW。相比可見，電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)的潛力是相當(dāng)可觀的。

五、思考與建議

在資源與環(huán)境的壓力下，電動汽車受政策鼓勵，成為當(dāng)前發(fā)展熱點。借助V2G技術(shù)，電動汽車可作為移動儲能設(shè)備為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行做出貢獻(xiàn)。本文針對電動汽車參與電網(wǎng)輔助服務(wù)提出以下發(fā)展建議。

從政府的角度來看，政府可對購買電動汽車的車主進(jìn)行補貼或獎勵，提升消費者購買電動汽車的意愿，增大電動汽車的總保有量；完善相關(guān)政策制度，積極引導(dǎo)電動汽車的充電行為，鼓勵電動汽車用戶積極參與電網(wǎng)調(diào)度。另外，政府可加大電動汽車通信技術(shù)的研發(fā)投入，提高V2G智能化程度，在技術(shù)上促進(jìn)電動汽車參與電網(wǎng)的輔助服務(wù)。

從電網(wǎng)的角度來看，電網(wǎng)可以按照城市電動汽車規(guī)模，增加電動汽車充電樁的數(shù)量并合理分布；在產(chǎn)生電力調(diào)度時，合理清算各類輔助服務(wù)所產(chǎn)生的成本，包括電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)所產(chǎn)生的實際成本和隱性成本，科學(xué)設(shè)定輔助服務(wù)價格補償。培育電動汽車聚合商這一中間環(huán)節(jié)，將分散用戶的資源聚合為較大規(guī)模資源，減少管理成本。

從用戶的角度來看，電動汽車用戶不妨提升自己的雙碳意識，從思想上認(rèn)識到參與輔助服務(wù)對于環(huán)保的巨大貢獻(xiàn)；通過響應(yīng)有序充放電參與輔助服務(wù)，除了可獲得經(jīng)濟(jì)上的補償之外，亦遵從了自身的環(huán)保理念，推進(jìn)自身的價值實現(xiàn)。