考慮新能源消納的電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究綜述

劉靚雯 高傳彬 王丹陽(yáng)

西安電力高等專(zhuān)科學(xué)校 陜西省西安市 710032

1 引言

自《巴黎協(xié)定》以來(lái)，世界多國(guó)相繼提出了碳中和發(fā)展目標(biāo)。2020 年9 月，我國(guó)明確提出2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”目標(biāo)，加快能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加速能源綠色低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。

根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，自2012 年至2021 年，我國(guó)一次能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中化石能源占比從88.8%下降到79.7%，清潔能源消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的比重由14.5%上升到25.5%。總體來(lái)看，化石能源占比仍然較高，且短時(shí)間內(nèi)化石能源主體地位難以改變。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)“3060”碳達(dá)峰碳中和的發(fā)展目標(biāo)，國(guó)務(wù)院在《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》中提出要加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系。因此，提升可再生能源占比、促進(jìn)可再生能源高水平消納，成為“十四五”期間我國(guó)可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵。同時(shí)，發(fā)展新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措之一。促進(jìn)新能源汽車(chē)與可再生能源高效協(xié)同，鼓勵(lì)“綠電綠用”，能夠提升可再生能源應(yīng)用比例，降低新能源汽車(chē)用電成本，提高電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻響應(yīng)能力。

本文從電動(dòng)汽車(chē)、新能源接入電網(wǎng)的影響入手，針對(duì)提升新能源消納水平采取的主要方式以及對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的考慮形式和相應(yīng)的約束條件兩方面分析考慮新能源消納的電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究現(xiàn)狀，并對(duì)相關(guān)方向未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望。

2 電動(dòng)汽車(chē)和新能源接入對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1 電動(dòng)汽車(chē)接入對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1.1 對(duì)負(fù)荷曲線的影響

大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)充電會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)時(shí)段電網(wǎng)負(fù)荷的上升。在不對(duì)用戶(hù)充電時(shí)段進(jìn)行引導(dǎo)，即電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)后采取無(wú)序充電的情況下，大部分用戶(hù)的充電時(shí)間將會(huì)與負(fù)荷高峰時(shí)間重合，從而加劇電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差。而負(fù)荷峰谷差過(guò)大會(huì)對(duì)機(jī)組調(diào)度、電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定帶來(lái)不利影響。

2.1.2 對(duì)電能質(zhì)量的影響

電動(dòng)汽車(chē)在充電模式下屬于大功率、非線性的用電負(fù)荷。非線性用電負(fù)荷接入電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電壓波形的畸變，給電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染。同時(shí)，還會(huì)帶來(lái)電壓降的增大，導(dǎo)致系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓降低甚至越限的情況發(fā)生。

2.1.3 對(duì)電能損耗的影響

電動(dòng)汽車(chē)在充電過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生包括變壓器損耗、電纜線路損耗以及電壓模塊的轉(zhuǎn)換損耗在內(nèi)的電能損耗。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，這個(gè)損耗的數(shù)值將會(huì)非常巨大，不利于電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2 新能源接入對(duì)電網(wǎng)的影響

2.2.1 對(duì)調(diào)峰調(diào)頻的影響

新能源發(fā)電普遍存在隨機(jī)性、間歇性強(qiáng)的特點(diǎn)。以風(fēng)電為例，其波動(dòng)性強(qiáng)且存在反調(diào)峰特性，也就是說(shuō)，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較小的時(shí)段，如夜間，風(fēng)電的出力往往較高，而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較大時(shí)，風(fēng)電的出力相對(duì)較低。因此，當(dāng)風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，電網(wǎng)的等效峰谷差會(huì)增加，從而導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰難度增加，當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)的情況。同時(shí)，新能源出力的不確定性，會(huì)使得系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)變得困難，進(jìn)而帶來(lái)系統(tǒng)頻率的波動(dòng)及調(diào)頻難度的增加。

2.2.2 對(duì)電能質(zhì)量的影響

新能源發(fā)電站發(fā)出的功率隨著新能源的波動(dòng)而變化，而發(fā)電站發(fā)出功率的變化將會(huì)直接導(dǎo)致電壓出現(xiàn)波動(dòng)。此外，新能源發(fā)電系統(tǒng)中存在大量電力電子裝置，這些裝置在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)帶來(lái)一定的諧波分量，進(jìn)而引起電網(wǎng)電壓波形的畸變。同時(shí)，當(dāng)新能源發(fā)電并網(wǎng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。

除上述兩點(diǎn)外，新能源接入還會(huì)影響到電網(wǎng)穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)潮流分布、短路電流以及繼電保護(hù)等。

3 考慮新能源消納的電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究現(xiàn)狀

3.1 提升新能源消納水平的方式

在利用電動(dòng)汽車(chē)有序充電消納新能源的相關(guān)研究中，為了提升系統(tǒng)內(nèi)新能源消納水平，通常采取利用目標(biāo)函數(shù)直接提升和通過(guò)調(diào)整分時(shí)電價(jià)間接提升兩種方式。

3.1.1 利用目標(biāo)函數(shù)直接提升新能源消納水平

利用目標(biāo)函數(shù)提升新能源消納水平，也就是將新能源消納需求納入目標(biāo)函數(shù)中。具體優(yōu)化時(shí)，為了盡可能提升新能源消納率，通常采取以下兩種途徑：1）對(duì)各類(lèi)機(jī)組完成優(yōu)化調(diào)度后剩余新能源發(fā)電量按棄風(fēng)棄光處理，將棄風(fēng)棄光量最小納入目標(biāo)函數(shù)[1-2]或?qū)夛L(fēng)棄光量以棄風(fēng)棄光懲罰成本的形式納入目標(biāo)函數(shù)[3-5]；2）將新能源消納量最大納入目標(biāo)函數(shù)[6]。

3.1.2 調(diào)整分時(shí)電價(jià)間接提升新能源消納水平

在傳統(tǒng)分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，將新能源發(fā)電情況納入分時(shí)電價(jià)定價(jià)規(guī)則，建立能夠體現(xiàn)電價(jià)與新能源發(fā)電量關(guān)聯(lián)性的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)。具體定價(jià)時(shí)，可以采取的方式有：

（1）單獨(dú)考慮新能源發(fā)電情況定價(jià)，例如，以當(dāng)日新能源出力的平均值為基準(zhǔn)，當(dāng)某一時(shí)段新能源出力高于平均值一定比例時(shí)設(shè)為高電價(jià)，當(dāng)某一時(shí)段新能源出力低于平均值一定比例時(shí)設(shè)為低電價(jià)，其余時(shí)段設(shè)為平電價(jià)[7]；

（2）綜合考慮新能源出力與負(fù)荷情況，協(xié)同定價(jià)[1，8]，例如，利用計(jì)及新能源出力后的等效負(fù)荷及其平均值、峰谷差對(duì)分時(shí)電價(jià)的峰、平、谷時(shí)段進(jìn)行規(guī)劃安排，對(duì)各時(shí)段分別定價(jià)[8]。

3.2 對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的考慮形式

在針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)有序充電的研究當(dāng)中，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，較早的研究主要以可平移負(fù)荷的形式對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃。隨著電動(dòng)汽車(chē)V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的研究當(dāng)中更多的將電動(dòng)汽車(chē)以移動(dòng)儲(chǔ)能單元的形式納入系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃。

3.2.1 將電動(dòng)汽車(chē)視為可平移負(fù)荷

將電動(dòng)汽車(chē)視為可平移負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)僅作為充電負(fù)荷從電網(wǎng)吸收功率，不對(duì)電網(wǎng)反向放電。主要是通過(guò)將電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷由新能源出力較低、基本用電負(fù)荷較高的時(shí)段平移至新能源發(fā)電較高、基本用電負(fù)荷較低的時(shí)段，從而達(dá)到消納新能源出力的目的。在此場(chǎng)景下，通?？紤]的電動(dòng)汽車(chē)約束條件包括：

A.荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）約束

SOC 約束主要包括充電過(guò)程當(dāng)中的SOC約束以及電動(dòng)汽車(chē)離開(kāi)充電站時(shí)的SOC 約束兩方面。

（a）電動(dòng)汽車(chē)任意時(shí)刻的荷電狀態(tài)應(yīng)滿(mǎn)足其荷電狀態(tài)上下限約束[2]：

式中，SOCi，min為電動(dòng)汽車(chē)i荷電狀態(tài)下限，SOCi，t為電動(dòng)汽車(chē)i在t時(shí)段的荷電狀態(tài)，SOCi，min為電動(dòng)汽車(chē)i荷電狀態(tài)上限。

（b）電動(dòng)汽車(chē)在離開(kāi)充電站時(shí)的荷電狀態(tài)應(yīng)至少達(dá)到用戶(hù)期望的荷電狀態(tài)[7]：

式中，SOCi，desire為電動(dòng)汽車(chē)i用戶(hù)期望的荷電狀態(tài)，SOCi，end為電動(dòng)汽車(chē)i離開(kāi)充電站時(shí)的荷電狀態(tài)。

B.充電功率約束[7]

式中，PEV，i，min為電動(dòng)汽車(chē)i允許的最小充電功率，PEV，i，t為電動(dòng)汽車(chē)i在t時(shí)段的充電功率，PEV，i，max為電動(dòng)汽車(chē)i允許的最大充電功率。

C.充電時(shí)長(zhǎng)約束[9]

式中，ti，start為電動(dòng)汽車(chē)i到達(dá)充電站的時(shí)間，ti，end電動(dòng)汽車(chē)i計(jì)劃離開(kāi)充電站的時(shí)間。

D.有序充電調(diào)節(jié)前后充電負(fù)荷平衡約束

（a）用整個(gè)充電過(guò)程中的總負(fù)荷量表示[6，9]；

（b）用參與調(diào)節(jié)的充電負(fù)荷變化量表示[4]：

式中，ΔPEV，i，t，in為電動(dòng)汽車(chē)i轉(zhuǎn)入t時(shí)段的充電負(fù)荷，PEV，i，t，out為電動(dòng)汽車(chē)i從t時(shí)段轉(zhuǎn)出的充電負(fù)荷。

此外，為防止用戶(hù)過(guò)度響應(yīng)，還可以對(duì)每個(gè)調(diào)度時(shí)段內(nèi)可調(diào)節(jié)的充電負(fù)荷上限進(jìn)行約束[5]。

3.2.2 將電動(dòng)汽車(chē)視為移動(dòng)儲(chǔ)能單元

將電動(dòng)汽車(chē)視為移動(dòng)儲(chǔ)能單元納入系統(tǒng)參與協(xié)同調(diào)度，也就是在充電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮應(yīng)用V2G 技術(shù)，使電動(dòng)汽車(chē)可以向電網(wǎng)反送電。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)高時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)可以向電網(wǎng)饋電；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)可以通過(guò)充電存儲(chǔ)過(guò)剩的電量。在此場(chǎng)景下，除了考慮式（1）（2）荷電狀態(tài)約束、式（4）充電時(shí)長(zhǎng)約束外，還要進(jìn)一步考慮：

A.充放電功率約束[3，10]

式 中，PEV，i，ch，min、PEV，i，t，dis、PEV，i，dis，max分別表示電動(dòng)汽車(chē)i充電功率下限、t時(shí)刻充電功率以及充電功率上限；PEV，i，dis，min、PEV，i，t，dis、PEV，i，dis，max分別表示電動(dòng)汽車(chē)i放電功率下限、t時(shí)刻放電功率以及放電功率上限；uEV，i，t，ch表示電動(dòng)汽車(chē)i在t時(shí)刻的充電狀態(tài)，充電取1，否則取0；uEV，i，t，dis表示電動(dòng)汽車(chē)i在t時(shí)刻的放電狀態(tài)，放電取1，否則取0。

B.充放電狀態(tài)約束[3，10]

考慮到電動(dòng)汽車(chē)頻繁充放電會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生的損耗，還可以進(jìn)一步限制電動(dòng)汽車(chē)在整個(gè)充電過(guò)程中的充放電轉(zhuǎn)換次數(shù)[8]。

在考慮以上約束條件的有序充電優(yōu)化策略中，通常默認(rèn)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)全部愿意參與有序充電的優(yōu)化過(guò)程。然而，實(shí)際當(dāng)中用戶(hù)的意愿往往存在更多的隨機(jī)性，采用統(tǒng)一的、群體化的方式對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)進(jìn)行描述和歸類(lèi)，其優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際情況可能存在一定的偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)積極推動(dòng)風(fēng)電和光伏發(fā)電分布式開(kāi)發(fā)、促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)與新能源發(fā)電高效協(xié)同的當(dāng)下，“新能源發(fā)電+電動(dòng)汽車(chē)”構(gòu)成的微電網(wǎng)模式有望迎來(lái)快速發(fā)展，因此未來(lái)對(duì)于考慮新能源消納的電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略的研究會(huì)成為一個(gè)必不可少的熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)含新能源發(fā)電的微電網(wǎng)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)充放電情況的合理安排，不但可以為電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主帶來(lái)實(shí)惠，同時(shí)也可以為充電樁、微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和電網(wǎng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益。從服務(wù)用戶(hù)的角度出發(fā)，以提升用戶(hù)滿(mǎn)意度為目標(biāo)，未來(lái)可以進(jìn)一步關(guān)注以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）可以通過(guò)在充電樁服務(wù)界面或通過(guò)智能手機(jī)APP 終端為車(chē)主提供可視化服務(wù)窗口的方式進(jìn)行充電意愿選擇，包括但不限于可充電時(shí)長(zhǎng)、是否接受V2G 形式、傾向于快充還是慢充等，并將選擇結(jié)果納入算法程序；

（2）結(jié)合車(chē)主充電意愿，在車(chē)主慣用充電方式的基礎(chǔ)上，可額外提供1-2 種更優(yōu)的充電方案及價(jià)格，通過(guò)價(jià)格對(duì)比，直觀的展現(xiàn)參與有序充電能給車(chē)主帶來(lái)的收益，提高車(chē)主參與有序充電的積極性。