基于電動(dòng)汽車并網(wǎng)的一種峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化方法

渠硯青，趙 爽，黃小群，李星星

（1.廣州工商學(xué)院工學(xué)院，廣東廣州 510850；2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072）

引言

隨著國(guó)家低碳政策的提出，以清潔無污染的二次能源電能為動(dòng)力的電動(dòng)汽車受到了各國(guó)的青睞。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車在2030 年將達(dá)到6000萬輛[1]，假設(shè)每輛電動(dòng)汽車電池是60 kwh 那么總等效容量有50 億kwh，相當(dāng)于我國(guó)2019 年日平均用電量的五分之二。具有光明前景的電動(dòng)汽車市場(chǎng)所產(chǎn)生的電能可以有效緩解我國(guó)資源問題，同時(shí)也將對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車車主的行駛里程和充電習(xí)慣多變且隨機(jī)，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)成本較高、浪費(fèi)資源等不足已經(jīng)不能滿足社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[2]。通過V2G（Vehicle to Grid）的智能電網(wǎng)中電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)協(xié)作功能可以將所有接入電網(wǎng)的車輛作為可調(diào)控的分布式儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)汽車間的雙向互動(dòng)。

在20 世紀(jì)90 年代，由于電動(dòng)汽車能量?jī)?chǔ)存的可移動(dòng)性和不可預(yù)見性，人們已認(rèn)識(shí)到其儲(chǔ)能能力不同于電網(wǎng)中的其它負(fù)荷，電動(dòng)汽車V2G 技術(shù)處于萌芽階段，并未找到很好的解決方案[3]。特拉華大學(xué)的威利特肯普頓與他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)以15 輛Mini Cooper 電動(dòng)汽車作為研究對(duì)象進(jìn)行電網(wǎng)智能控制的實(shí)驗(yàn)[4]，進(jìn)一步研究證明了V2G 技術(shù)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益的可觀性與可行性[5]。2014 年，美國(guó)西南研究院于2013 年研制出第一代V2G 集中控制系統(tǒng)，通過分析電網(wǎng)負(fù)荷水平，智能控制電動(dòng)汽車的充電方法，從而自動(dòng)延緩電動(dòng)汽車的充電時(shí)間，標(biāo)志著穩(wěn)定傳輸電能的技術(shù)已經(jīng)成熟。《推廣電動(dòng)汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施指南》于2015 年發(fā)布，旨在大力倡導(dǎo)支持V2G 應(yīng)用創(chuàng)新模式[6]。日本在電動(dòng)汽車的研發(fā)上比較領(lǐng)先，近年來也在大力研究如何有效的把電動(dòng)汽車電池上的電能反饋給電網(wǎng)，這些電能將用于發(fā)生突發(fā)狀況的應(yīng)急電源、為各種電器以及商務(wù)大廈提供電力，開啟新的V2G 技術(shù)的發(fā)展。支持V2G 技術(shù)發(fā)展的多項(xiàng)政策已在日本實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用示范。本論文從電動(dòng)汽車用戶和電網(wǎng)運(yùn)行角度出發(fā)，闡述了電動(dòng)汽車和電網(wǎng)的車網(wǎng)融合互動(dòng)關(guān)系，對(duì)電動(dòng)汽車制定有序充電模式，從電網(wǎng)各個(gè)時(shí)間段用電負(fù)荷的角度和電動(dòng)汽車用戶充電需求的角度出發(fā)，制定合理的電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)政策。

1 電動(dòng)汽車充放電對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響

1.1 電動(dòng)汽車用戶的用電需求彈性

彈性是指經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中對(duì)物質(zhì)需求變化的反應(yīng)靈敏程度，是指某一物質(zhì)需求與另一物質(zhì)需求變化的百分比，彈性系數(shù)隨比值的變化而變化[7]。即：

1.2 日行駛里程

根據(jù)美國(guó)交通部對(duì)全美私人車輛的調(diào)查結(jié)果顯示，基本日常生活中14%的車輛處于閑置停駛狀態(tài)，43.5%的私家車日行駛里程在20 英里之內(nèi)，有87.3%的私家車日行駛距離不超過60 英里，得到私家車每日行駛里程數(shù)的概率分布曲線，如公式（2）所示：

1.3 私家車出行習(xí)慣

為了分析大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，對(duì)電動(dòng)汽車車主的出行行為做如下分析：

（1） 補(bǔ)貼政策，電動(dòng)汽車的私家車用戶，一方面可以獲得國(guó)家補(bǔ)貼和電池的充放電折舊費(fèi)，另一方面電動(dòng)汽車用戶可以利用在峰谷充放電的電價(jià)差獲得額外的收入，減少運(yùn)營(yíng)成本。

（3） 因要對(duì)電池進(jìn)行充放電工作，應(yīng)該考慮電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行充放電情況，將電動(dòng)汽車電池的可用荷電狀態(tài)SOC 范圍確定為10%～90%[9]。

（4） 按照電動(dòng)汽車車主一天的日常用車規(guī)律，上午電動(dòng)汽車車主到達(dá)單位上班，17:00 離開單位下班。無序充電的模式時(shí)電動(dòng)汽車每一時(shí)刻放電幾率是一樣的。

2 有序模式下峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化

2.1 峰谷電價(jià)時(shí)段

按電力部門一天24 h，常規(guī)用電負(fù)荷和接入電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，制定合理的峰谷電價(jià)政策，選擇合適的時(shí)間進(jìn)行充電服務(wù)。峰谷電價(jià)政策的數(shù)學(xué)模型公式如下：

2.2 有序模式的V2G 時(shí)刻選擇

電動(dòng)汽車用戶在有序模式下，響應(yīng)分時(shí)電價(jià)政策，其充電與放電時(shí)刻選擇按照如下兩種情況。

利用峰谷電價(jià)差選擇在用電低谷時(shí)期為電動(dòng)車充電儲(chǔ)存電量的用戶，其中開始選擇充電的時(shí)間由公式（6）表示：

利用峰谷電價(jià)差選擇在用電高峰時(shí)期將電能放電至電網(wǎng)的車主，其中開始選擇放電的時(shí)刻由公式（7）表示：

通過公式（6）和公式（7）可見，利用分時(shí)電價(jià)政策，車主可在谷（峰）電價(jià)時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)刻去充（放）電。

2.3 優(yōu)化模型

假設(shè)電動(dòng)汽車用戶都是為了自身最大利益化，降低電動(dòng)汽車的使用費(fèi)用，在峰谷電價(jià)政策的引導(dǎo)下，利用電價(jià)低谷階段，給電動(dòng)汽車充滿電量，當(dāng)電網(wǎng)用電緊張，負(fù)荷較大時(shí)，利用高峰電價(jià)向電力系統(tǒng)輸送電能以獲取經(jīng)濟(jì)利益。由此可見，峰谷電價(jià)時(shí)段的選擇對(duì)于用戶來說是非常重要的。同時(shí)，按照峰谷電價(jià)政策對(duì)電動(dòng)汽車用戶響應(yīng)度 η的高低，也影響著電動(dòng)汽車的日負(fù)荷功率曲線。因此需要考慮用戶響應(yīng)度η政策的制定的政策。其中，仍有1-η的車主不響應(yīng)峰谷電價(jià)差，則將其充放電功率不按相關(guān)有序充電模式的進(jìn)行充電。

根據(jù)某區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)用電的日負(fù)荷數(shù)據(jù)，設(shè)其負(fù)荷曲線為L(zhǎng)0，同時(shí)利用蒙特卡洛隨機(jī)模擬的方法，統(tǒng)計(jì)某地一天內(nèi)N 臺(tái)車每個(gè)時(shí)刻的充放電負(fù)荷大小，即為一天的充放電負(fù)荷曲線L1，其中，包含按照峰谷電價(jià)差政策選擇去充放電的有序負(fù)荷η·N與（1- η）·N的無序負(fù)荷。根據(jù)這些用電負(fù)荷的大小，從而可以得到某地電力系統(tǒng)的實(shí)際用電負(fù)荷曲線為L(zhǎng)（i）=L0（i）+L1（i）,1≤i≤24。

在計(jì)算統(tǒng)計(jì)的過程中，將車輛數(shù)N 與常規(guī)負(fù)荷L0一定時(shí)，電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷L 與峰谷電價(jià)時(shí)段和峰谷電價(jià)響應(yīng)度有關(guān)。例如，模擬電動(dòng)汽車總數(shù)N 為100 輛，假設(shè)電動(dòng)汽車參與有序充放電的響應(yīng)度為1.0，相同響應(yīng)度下，當(dāng)峰谷電價(jià)時(shí)段分別為[21 ：0 0 ，03 ： 0 0 ]、[1 0： 0 0， 14 ： 00]和[02 ：0 0 ，06 ： 0 0] 、[1 4： 0 0， 17： 00]時(shí)的電網(wǎng)負(fù)荷變化曲線見圖1。

圖1 不同峰谷時(shí)段的電網(wǎng)負(fù)荷曲線

以100 量電動(dòng)汽車為模擬總數(shù)N，假設(shè)電動(dòng)汽車響應(yīng)度不同，η 為1.0 和0.5 為基礎(chǔ)，峰谷電間價(jià)間段為[21 ：00 ,03 ：0 0 ]、[1 0： 0 0, 14 ： 00]，其中電網(wǎng)負(fù)荷變化曲線見圖2。

圖2 不同峰谷電價(jià)響應(yīng)度的電網(wǎng)負(fù)荷曲線

2.4 算例分析

為驗(yàn)證上述所建優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，將城市A 中私家車為參考對(duì)象，即計(jì)算電動(dòng)汽車100 輛為參考數(shù)據(jù)，以表1 中夏季與冬季日負(fù)荷曲線為例，應(yīng)用優(yōu)化模型對(duì)峰谷電價(jià)優(yōu)化時(shí)段進(jìn)行分析。

表1 A 市夏冬季典型日的負(fù)荷峰谷值

其中，根據(jù)夏季、冬季典型日用電量曲線，由于夏季天氣原因，用電需求負(fù)荷量大，故負(fù)荷曲線較陡，而冬季用電需求分布廣，負(fù)荷曲線較穩(wěn)定。根據(jù)負(fù)荷曲線的變化，得到夏季與冬季利用峰谷電價(jià)差的優(yōu)化結(jié)果見表2 和表3。

表2 夏季典型日峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化前后的峰谷差率

表3 冬季典型日峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化前后的峰谷差率

在高低響應(yīng)強(qiáng)度不同的情況下，夏季優(yōu)化前后電網(wǎng)負(fù)荷曲線變化見圖3 和冬季優(yōu)化前后電網(wǎng)負(fù)荷曲線圖4。

圖3 夏季高低響應(yīng)度負(fù)荷曲線

圖4 冬季高低響應(yīng)度負(fù)荷曲線

由表3 和表4 的計(jì)算結(jié)果與圖3 和4 的變化得出，在夏冬季中，將無序充放電的電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，拉高用電負(fù)荷峰值，是電網(wǎng)的波峰值更加增大，使電網(wǎng)運(yùn)行更不穩(wěn)定。通過峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化方法，在谷電價(jià)時(shí)段和峰電價(jià)時(shí)段，電動(dòng)汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)發(fā)揮了削峰填谷效果。若用戶參與峰谷電價(jià)差給電動(dòng)汽車充放電的響應(yīng)度 η越高，則優(yōu)化后電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差率越小，優(yōu)化后的負(fù)荷曲線越平滑，即用戶運(yùn)營(yíng)成本降低，電網(wǎng)運(yùn)行越穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本論文根據(jù)電動(dòng)汽車用戶的充電行為習(xí)慣，以電動(dòng)汽車充放電模型為基礎(chǔ)，提出峰谷電價(jià)時(shí)段的優(yōu)化模型，運(yùn)用算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)其結(jié)果顯示：當(dāng)無序充放電電動(dòng)汽車時(shí)，電網(wǎng)日常用電負(fù)荷的波峰波谷差變大，而利用電動(dòng)汽車V2G 技術(shù)中的峰谷差價(jià)，選擇合適的電價(jià)優(yōu)化充電時(shí)間，有序的充放電，不僅可以起到削峰填谷的作用，還可以降低電網(wǎng)的峰谷差率。所以根據(jù)電網(wǎng)用電負(fù)荷的實(shí)際情況，制定合理的峰谷電價(jià)時(shí)段，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)型的提高起到至關(guān)重要的作用。