電動(dòng)汽車(chē)集群參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的充電調(diào)控策略

高 爽，戴如鑫

（智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072）

0 引言

儲(chǔ)能裝置是增強(qiáng)配電網(wǎng)可再生能源消納能力的重要保障，電動(dòng)汽車(chē)（electric vehicle，EV）作為一種綠色交通，在節(jié)能減排方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前電池儲(chǔ)能的價(jià)格較高，而電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)可作為移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備提供與電池儲(chǔ)能類(lèi)似的雙向調(diào)控能力，考慮到配電網(wǎng)中的電動(dòng)汽車(chē)充電可調(diào)節(jié)能力，可作為分布式儲(chǔ)能資源參與電力市場(chǎng)的日前能量調(diào)度和調(diào)頻等輔助服務(wù)，一方面為電動(dòng)汽車(chē)集群（electric vehicle aggregation，EVA）充電管理帶來(lái)更多收益，另一方面可以為電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供支撐，兩者協(xié)調(diào)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效。

隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)擁有量逐年上升，可以作為移動(dòng)備用電源靈活使用，通過(guò)適當(dāng)?shù)牟呗詫?duì)其加以控制可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率［1］。因?yàn)槠淇焖夙憫?yīng)能力，電動(dòng)汽車(chē)可以作為重要的調(diào)頻資源［2-5］。文獻(xiàn)［6］利用實(shí)時(shí)電價(jià)引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)有序充電，構(gòu)造了一個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充放電收益最大化模型，該模型較好地表示電動(dòng)汽車(chē)充放電決策。文獻(xiàn)［7］提出一種集中式算法，使得電動(dòng)汽車(chē)在保證電網(wǎng)穩(wěn)定的前提下最大化充電速率，結(jié)果表明，有序充電下能量利用率和負(fù)荷曲線均有改善。文獻(xiàn)［8］提出了電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)頻率一次調(diào)整的方法，通過(guò)利用頻率下垂特性的控制方法來(lái)完成系統(tǒng)調(diào)頻的要求。文獻(xiàn)［9］考慮了電動(dòng)汽車(chē)參與電網(wǎng)調(diào)頻的電池限制、運(yùn)行成本以及電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的使用習(xí)慣等，得到了電動(dòng)汽車(chē)參與調(diào)頻的最優(yōu)充放電策略。但上述算法未將電動(dòng)汽車(chē)的調(diào)頻和充電需求分別考慮，忽略了電動(dòng)汽車(chē)參與調(diào)頻時(shí)由于充電需求和調(diào)頻需求同時(shí)存在帶來(lái)的充電/調(diào)頻耦合問(wèn)題，且缺少在充電控制情況下對(duì)調(diào)頻能力的量化計(jì)算，難以綜合優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的充電成本和調(diào)頻收益。

大量電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)充電，由電動(dòng)汽車(chē)聚合商作為代理，集EVA 充電和調(diào)頻為一體參與電力市場(chǎng)交易，可實(shí)現(xiàn)在日前能量市場(chǎng)和調(diào)頻等輔助服務(wù)市場(chǎng)盈利［10］。在目前各國(guó)的研究和實(shí)踐中，日前能量市場(chǎng)提供的分時(shí)電價(jià)可以作為激勵(lì)信號(hào)，引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)根據(jù)不同時(shí)段電價(jià)錯(cuò)峰充電，通過(guò)日前優(yōu)化調(diào)度降低充電成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)削峰填谷［11］。而參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的交易分為日前階段確定分時(shí)段的備用容量、實(shí)時(shí)階段響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)頻信號(hào)，以及最后根據(jù)實(shí)際功率輸出和調(diào)頻效果進(jìn)行收益結(jié)算等多個(gè)階段［12-13］。面向調(diào)頻的電力市場(chǎng)機(jī)制在收益結(jié)算方面實(shí)際要求比較復(fù)雜，現(xiàn)有輔助服務(wù)市場(chǎng)給出的收益計(jì)算方法多包括容量收益、能量收益、里程收益等多個(gè)方面，并加入了對(duì)調(diào)頻效果的考核［14］。一些研究基于調(diào)頻性能得分和調(diào)頻里程計(jì)算設(shè)計(jì)了EVA 參與調(diào)頻的分布式控制方法，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)不同的充電行為實(shí)施調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的頻率調(diào)節(jié)信號(hào)響應(yīng)以及更高的調(diào)頻收益［15-19］。但上述方法缺乏對(duì)涉及日前能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)交易機(jī)制的綜合應(yīng)用，未充分考慮參與不同電力市場(chǎng)交易的時(shí)序性，難以解決分別進(jìn)行日前調(diào)頻容量確定和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率收益結(jié)算情況下的電動(dòng)汽車(chē)充電調(diào)控問(wèn)題。

針對(duì)電力市場(chǎng)環(huán)境下EVA 充電提供輔助服務(wù)的問(wèn)題，本文提出基于電動(dòng)汽車(chē)聚合商的EVA 的調(diào)控策略和市場(chǎng)收益評(píng)估模型，不同于以往的研究，本文考慮了：1）多階段的收益評(píng)估，在日前階段，市場(chǎng)根據(jù)預(yù)期的調(diào)頻里程進(jìn)行出清，但實(shí)際調(diào)頻需要根據(jù)實(shí)時(shí)階段的狀態(tài)進(jìn)行確定，不同階段之間會(huì)互相影響，所以本文提出了考慮日前市場(chǎng)優(yōu)化和實(shí)時(shí)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）響應(yīng)的多階段收益評(píng)估；2）實(shí)際調(diào)頻效果對(duì)收益的影響，市場(chǎng)為了提升調(diào)頻質(zhì)量，會(huì)對(duì)調(diào)頻資源調(diào)頻效果進(jìn)行考核，根據(jù)考核結(jié)果支付調(diào)頻收益，所以本文考慮調(diào)頻效果對(duì)收益的影響。本文研究了聚合商聚集電動(dòng)汽車(chē)的充電控制并實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化交易，體現(xiàn)了EVA 充電控制為電網(wǎng)帶來(lái)的價(jià)值和效益。

1 EVA 參與多品種市場(chǎng)的收益結(jié)算

隨著新能源的大量接入，電力系統(tǒng)的慣性越來(lái)越小，對(duì)調(diào)頻儲(chǔ)備的需求越來(lái)越大。研究表明，若沒(méi)有新的頻率儲(chǔ)備技術(shù)應(yīng)用，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，到2022 年，新建調(diào)頻備用的成本會(huì)增加到2.5 億元［20］。電動(dòng)汽車(chē)擁有靈活和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，可以作為優(yōu)良的調(diào)頻儲(chǔ)備。

為應(yīng)對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，需要電動(dòng)汽車(chē)聚合商開(kāi)發(fā)充電設(shè)施的群控策略以應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)的不良影響并為電網(wǎng)運(yùn)行提供支持，通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施采取合適的集群控制策略，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施在現(xiàn)階段電力市場(chǎng)壞境下的優(yōu)化調(diào)度，例如，參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)。日前能量市場(chǎng)的分時(shí)電價(jià)可作為價(jià)格激勵(lì)信號(hào)對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，輔助服務(wù)市場(chǎng)的調(diào)頻收益是電網(wǎng)獲取備用資源實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率波動(dòng)控制的輔助調(diào)節(jié)方式。電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的群控策略可實(shí)現(xiàn)充電負(fù)荷參與日前能量市場(chǎng)和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)的優(yōu)化配置和對(duì)調(diào)頻指示信號(hào)的快速響應(yīng)，并為電動(dòng)汽車(chē)聚合商帶來(lái)市場(chǎng)收益。

美國(guó)PJM（Pennsylvania-New Jersey-Maryland）市場(chǎng)中會(huì)提供兩種調(diào)頻指示信號(hào)，兩種調(diào)頻指示信號(hào)針對(duì)不同響應(yīng)時(shí)間的調(diào)頻資源，分別為RegA 和RegD。RegA 針對(duì)響應(yīng)時(shí)間較慢的調(diào)頻資源，例如傳統(tǒng)的汽輪機(jī)等；RegD 針對(duì)響應(yīng)時(shí)間較快的調(diào)頻資源，例如EVA 和電池等［21］。

1.1 日前能量市場(chǎng)的結(jié)算

日前能量市場(chǎng)是在實(shí)時(shí)調(diào)度前一天開(kāi)展的市場(chǎng)，在日前能量市場(chǎng)，電動(dòng)汽車(chē)聚合商會(huì)在日前能量?jī)r(jià)格引導(dǎo)下制定電動(dòng)汽車(chē)第二天的充電計(jì)劃［22］，此階段電動(dòng)汽車(chē)聚合商以充電花賈最少為目標(biāo)，充電花賈由下式計(jì)算：

式中：FChr為EVA 充電花賈；rChr(t)為t時(shí)段的日前價(jià)格；pChr(t)為t時(shí)段的充電功率；T為總調(diào)度時(shí)段。在能量?jī)r(jià)格的引導(dǎo)下，電動(dòng)汽車(chē)充分發(fā)揮負(fù)荷特性，達(dá)到削峰填谷的效果。

1.2 實(shí)時(shí)市場(chǎng)的結(jié)算

實(shí)時(shí)市場(chǎng)是在實(shí)際生產(chǎn)前幾十分鐘到幾小時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電與負(fù)荷情況為平衡能量而組織的電力交易市場(chǎng)。在實(shí)時(shí)運(yùn)行階段，電動(dòng)汽車(chē)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的過(guò)程如圖1 所示。

圖1 基于電動(dòng)汽車(chē)的調(diào)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of frequency regulation system based on EVs

整個(gè)過(guò)程可以描述為：

1）獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統(tǒng)獲取電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量信息（頻率、電壓等）。通過(guò)SCADA 系統(tǒng)計(jì)算區(qū)域控制誤差（area control error，ACE），并將其作為濾波器的輸入，ACE 通過(guò)濾波器后，得到調(diào)頻信號(hào)。

2）負(fù)荷服務(wù)商接收獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的調(diào)頻信號(hào)，根據(jù)其管理的調(diào)頻資源上報(bào)的調(diào)頻容量響應(yīng)調(diào)頻信號(hào)，并將調(diào)頻功率下發(fā)給電動(dòng)汽車(chē)聚合商以及其管理的其他調(diào)頻機(jī)組［23］。

3）電動(dòng)汽車(chē)聚合商接收負(fù)荷服務(wù)商下發(fā)的調(diào)頻功率信號(hào)，并通過(guò)控制其管理的充電樁控制單元輸送給電力電子變換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)下發(fā)調(diào)頻功率。

4）充電樁接收電動(dòng)汽車(chē)聚合商的充電功率分配控制信號(hào)，并控制接在充電樁上的電動(dòng)汽車(chē)的充電功率，最終達(dá)到充電和調(diào)頻的目的。

實(shí)時(shí)市場(chǎng)中電動(dòng)汽車(chē)聚合商因參與系統(tǒng)調(diào)頻會(huì)帶來(lái)充電功率的變化，變化的部分可獲得的能量收益為：

式中：FRP為EVA 調(diào)頻功率帶來(lái)的花賈；rRT(t)為t時(shí)段的實(shí)時(shí)市場(chǎng)的價(jià)格；pRD(t)和pRU(t)分別為向下、向上調(diào)頻功率。

1.3 調(diào)頻市場(chǎng)的結(jié)算

為維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證電能質(zhì)量，發(fā)電企業(yè)和電力用戶(hù)可以提供除正常生產(chǎn)電能以外的服務(wù)，包括：調(diào)頻、備用、無(wú)功調(diào)節(jié)和黑啟動(dòng)。本文研究電動(dòng)汽車(chē)聚合商提供調(diào)頻服務(wù)，電動(dòng)汽車(chē)聚合商在日前充電計(jì)劃的基礎(chǔ)上，對(duì)剩余的容量進(jìn)行投標(biāo)，作為調(diào)頻容量參與調(diào)頻市場(chǎng)。PJM 市場(chǎng)中的調(diào)頻容量為上下對(duì)稱(chēng)容量，即向上調(diào)頻的容量和向下調(diào)頻的容量相等。

如圖2 所示，電力系統(tǒng)在實(shí)時(shí)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生ACE。當(dāng)ACE 小于0 時(shí)，獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)出正的調(diào)頻信號(hào)，指導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)在計(jì)劃充電功率基礎(chǔ)上降低充電功率，填補(bǔ)功率缺額；當(dāng)ACE 大于0 時(shí)，獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)出負(fù)的調(diào)頻信號(hào)，指導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)在計(jì)劃充電功率基礎(chǔ)上增加充電功率，消耗功率。在PJM 市場(chǎng)中，每2 s 下發(fā)一次調(diào)頻信號(hào)，對(duì)中標(biāo)的資源進(jìn)行調(diào)度，完成頻率調(diào)節(jié)。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)對(duì)調(diào)頻信號(hào)的響應(yīng)Fig.2 Response of EV to frequency regulation signal

調(diào)頻儲(chǔ)備被調(diào)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生里程賈用。調(diào)頻里程的定義為調(diào)頻資源參與調(diào)頻時(shí)“走過(guò)的路程之和”［24］，等于給定時(shí)間段內(nèi)調(diào)頻資源實(shí)際調(diào)頻出力相鄰兩點(diǎn)差值的絕對(duì)值M1，M2，…，M5的疊加。

電動(dòng)汽車(chē)聚合商在調(diào)頻市場(chǎng)的收益包括容量收益和里程收益，計(jì)算如下［25］：

式中：FRC和FRM分別為EVA 容量收益和里程收益；rC(t)和rM(t)分別為t時(shí)段的容量?jī)r(jià)格和里程價(jià)格；pRC(t)和pRM(t)分別為t時(shí)段EVA 提供的容量和調(diào)頻里程；M(t)為調(diào)頻里程數(shù)；n′為該調(diào)度時(shí)段內(nèi)調(diào)頻信號(hào)的個(gè)數(shù)；AReg，t(i)為t時(shí)段市場(chǎng)給出的調(diào)頻指示信號(hào)；λEVA為EVA 的性能得分。

2 優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

電動(dòng)汽車(chē)聚合商通過(guò)聚合電動(dòng)汽車(chē)對(duì)其進(jìn)行集中調(diào)控，利用規(guī)模效應(yīng)獲取收益?？紤]到電動(dòng)汽車(chē)聚合商在不同市場(chǎng)的決策不是獨(dú)立的，電動(dòng)汽車(chē)聚合商在日前市場(chǎng)預(yù)留出調(diào)頻容量，這部分功率便不能再參與能量市場(chǎng)，并且電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)時(shí)運(yùn)行階段的調(diào)頻效果會(huì)影響調(diào)頻收益?？紤]到上述因素，本文采用協(xié)同優(yōu)化對(duì)EVA 的充電與調(diào)頻行為進(jìn)行決策，使得電動(dòng)汽車(chē)聚合商收益最大化。具體的電動(dòng)汽車(chē)聚合商參與多市場(chǎng)交易架構(gòu)見(jiàn)附錄A。

設(shè)定電動(dòng)汽車(chē)聚合商包含N個(gè)集群，并用上標(biāo)n表示第n個(gè)集群的量，則以花賈最小為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為：

2.2 EVA 模型

EVA 作為調(diào)頻資源，不同于傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能，需要考慮電動(dòng)汽車(chē)行為的不確定性，即電動(dòng)汽車(chē)的接入時(shí)間、離開(kāi)時(shí)間和初始的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）等。此外，電動(dòng)汽車(chē)聚合商在控制電動(dòng)汽車(chē)參與調(diào)頻時(shí)，同時(shí)要滿足電動(dòng)汽車(chē)的充電需求。

EVA 的充電功率由下式得到：

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)在通勤時(shí)的不確定駕駛和停車(chē)行為，根據(jù)美國(guó)交通部對(duì)全美車(chē)輛出行的調(diào)查結(jié)果得到汽車(chē)用戶(hù)的離家時(shí)間和到家時(shí)間符合截?cái)嗾龖B(tài)分布規(guī)律［26-27］，電動(dòng)汽車(chē)的接入時(shí)間、離開(kāi)時(shí)間和初始SOC 由截?cái)喔咚狗植寄M，如下式所示：

電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)會(huì)參與電網(wǎng)調(diào)頻，其充電的需求（demand of charging，DOC）通過(guò)下式計(jì)算：

EVA 凈充電功率由下式得到：

2.3 約束條件

EVA 充電首先要滿足用戶(hù)的充電需求，這要求電動(dòng)汽車(chē)聚合商在日前市場(chǎng)確定充電計(jì)劃和實(shí)時(shí)市場(chǎng)實(shí)際充電時(shí)都要將電動(dòng)汽車(chē)的DOC 控制在用戶(hù)要求的值：

電動(dòng)汽車(chē)聚合商在日前充電計(jì)劃的基礎(chǔ)上將剩余的容量進(jìn)行報(bào)價(jià)，因此，日前充電計(jì)劃與提供的容量之和不應(yīng)超過(guò)當(dāng)前時(shí)刻電動(dòng)汽車(chē)聚合商的最大充電功率。此外，本文采用EVA 與電網(wǎng)之間能量的單向傳輸模式，所以引出下式約束：

電動(dòng)汽車(chē)聚合商參與調(diào)頻市場(chǎng)、提供調(diào)頻容量后，在市場(chǎng)對(duì)此部分容量進(jìn)行調(diào)用時(shí)，最大調(diào)用量不應(yīng)超過(guò)電動(dòng)汽車(chē)聚合商提供的容量：

考慮到每個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)頻率是一個(gè)確定的值，即每個(gè)時(shí)刻只能有向上調(diào)頻和向下調(diào)頻中的一個(gè)需求，因此，需要對(duì)其每個(gè)時(shí)刻的調(diào)頻狀態(tài)進(jìn)行約束，采用大M法構(gòu)造約束如下式：

3 仿真模型

在日前階段，電動(dòng)汽車(chē)聚合商通過(guò)評(píng)估自身用電靈活性，在市場(chǎng)能量?jī)r(jià)格的引導(dǎo)下進(jìn)行計(jì)劃充電功率和調(diào)頻容量上報(bào)，并將作為功率基線，以此為基準(zhǔn)在實(shí)時(shí)階段響應(yīng)調(diào)頻，每個(gè)都將維持特定時(shí)間（例如1 h），集群n響應(yīng)于系統(tǒng)給定調(diào)頻信號(hào)的調(diào)節(jié)功率不能超過(guò)調(diào)頻容量的限制，即

在PJM 市場(chǎng)中，根據(jù)FERC order755 法案的規(guī)定，其采用按性能進(jìn)行支付（pay for performance），PJM 根據(jù)實(shí)際調(diào)頻效果對(duì)調(diào)頻資源的性能進(jìn)行考核，性能得分表示調(diào)頻資源對(duì)調(diào)頻信號(hào)的跟蹤效果并影響調(diào)頻收益的結(jié)算，得分高的資源獲得的收益就高。本章旨在設(shè)計(jì)出電動(dòng)汽車(chē)聚合商的AGC 模型，聚合商通過(guò)所設(shè)計(jì)的模型對(duì)整個(gè)集群進(jìn)行快速調(diào)控，實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，提高性能得分。

當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，僅依靠調(diào)速器即一次調(diào)頻的作用無(wú)法消除頻率偏差，這時(shí)需要系統(tǒng)的二次調(diào)頻。單區(qū)域電力系統(tǒng)中，積差調(diào)節(jié)法是根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差的積累值進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)的。調(diào)頻機(jī)組的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則如下式所示：

式中：ΔPr為調(diào)頻機(jī)組的出力變化量；Δf為系統(tǒng)的頻率偏差；C為調(diào)頻功率比例系數(shù)。

在Simulink 中搭建EVA 參與系統(tǒng)二次調(diào)頻的模型［28］，模型的框圖見(jiàn)附錄B 圖B1。模型中充分考慮了電動(dòng)汽車(chē)的充電需求，以及電動(dòng)汽車(chē)聚合商中標(biāo)的容量對(duì)調(diào)頻功率的約束，更加貼合電動(dòng)汽車(chē)參與二次調(diào)頻的實(shí)際情況?？蓪⒅甘拘盘?hào)加在系統(tǒng)中，觀察電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)調(diào)頻的效果。對(duì)于參與電網(wǎng)調(diào)頻的電動(dòng)汽車(chē)，其具體的過(guò)程見(jiàn)附錄B圖B2。

在電動(dòng)汽車(chē)控制問(wèn)題中，信息的傳遞往往通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)引起的通信延時(shí)不可避免，從信號(hào)發(fā)出到電動(dòng)汽車(chē)接收，中間經(jīng)過(guò)各級(jí)調(diào)度中心，通信延時(shí)分為傳播延時(shí)、交換延時(shí)和排隊(duì)延時(shí)。為了充分貼近電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際的充電調(diào)度，在模型中加入延時(shí)環(huán)節(jié)，通信延遲時(shí)間為τ。

圖3 EVA 模型Fig.3 EVA model

EVA 總儲(chǔ)能模型如圖3（b）所示，電動(dòng)汽車(chē)聚合商的首要任務(wù)是控制電動(dòng)汽車(chē)充電，滿足用戶(hù)出行需求。在日前調(diào)峰市場(chǎng)通過(guò)能量?jī)r(jià)格的引導(dǎo)，以受益最大化為目標(biāo)優(yōu)化得到充電計(jì)劃功率。在實(shí)時(shí)調(diào)頻市場(chǎng)，EVA 以為基準(zhǔn)響應(yīng)調(diào)頻信號(hào)，提供調(diào)頻功率。所以，電動(dòng)汽車(chē)充電凈功率由和兩部分組成，即

在建立EVA 的充電模型時(shí)，注入EVA 的能量累積包括2 個(gè)部分：電動(dòng)汽車(chē)接入時(shí)自身已有的初始能量和電動(dòng)汽車(chē)的充電能量。

當(dāng)集群內(nèi)各臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)接入充電站的時(shí)間和初始電量確定時(shí)，就能得到，剩下兩部分能量的計(jì)算如下式：

可得EVA 各時(shí)段的能量Dn(t)為：

綜上所述，可以得到如圖3（b）所示的EVA 總儲(chǔ)能模型。

4 算例分析

由于本文采用的EVA 規(guī)模較小，不足以影響市場(chǎng)價(jià)格，故將電動(dòng)汽車(chē)聚合商作為價(jià)格的接受者。本文采用的市場(chǎng)數(shù)據(jù)為美國(guó)PJM 市場(chǎng)2020 年1 月25 日的RegD 調(diào)頻指示信號(hào)和市場(chǎng)的價(jià)格數(shù)據(jù)［29］，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄C。

本文設(shè)定的電動(dòng)汽車(chē)聚合商擁有兩個(gè)集群，分別為在07：00—17：00 提供調(diào)頻容量的辦公區(qū)集群和19：00 到第二天05：00 提供調(diào)頻容量的家庭區(qū)集群。集群內(nèi)部的參數(shù)如表1 所示。將電動(dòng)汽車(chē)等同于電池儲(chǔ)能，并根據(jù)電池儲(chǔ)能的性能得分［30］確定EVA 的性能得分為0.95。

表1 EVA 參數(shù)Table 1 Parameters of EVAs

為充分對(duì)比電動(dòng)汽車(chē)參與電力市場(chǎng)發(fā)揮負(fù)荷調(diào)頻特性帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，本文設(shè)置3 個(gè)算例分別為：1）電動(dòng)汽車(chē)直接充電，即不接受電動(dòng)汽車(chē)聚合商的管理，不考慮當(dāng)前系統(tǒng)整體頻率；2）電動(dòng)汽車(chē)僅參與日前能量市場(chǎng)，即接受電動(dòng)汽車(chē)聚合商的管理，參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰；3）電動(dòng)汽車(chē)參與日前能量市場(chǎng)和調(diào)頻市場(chǎng)，即接受電動(dòng)汽車(chē)聚合商的管理，同時(shí)參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰與調(diào)頻。

仿真得到的結(jié)果如圖4 所示。圖4（a）為3 個(gè)算例的充電功率，在價(jià)格的影響下，充電功率曲線差別很大。算例1 中電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)并持續(xù)以最大功率進(jìn)行充電，直到滿足充電需求。算例2 和算例3在價(jià)格引導(dǎo)下會(huì)優(yōu)化各時(shí)刻充電功率，因?yàn)樗憷?同時(shí)考慮調(diào)峰和調(diào)頻，所以和只考慮調(diào)峰的算例2的充電功率差別較大。最終3 種充電方式都會(huì)滿足充電要求（即DOC），如圖4（b）所示。圖4（c）為算例3 下的充電功率優(yōu)化結(jié)果，價(jià)格對(duì)充電功率的影響很大，例如，15：00—16：00，隨著價(jià)格變高，EVA提供上調(diào)功率，充電功率下調(diào)；隨著價(jià)格變低，EVA提供下調(diào)功率，充電功率上調(diào)。

圖4 不同算例的優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Optimal results of different cases

本算例中，設(shè)定07：00—17：00 和19：00 到第二天05：00 有EVA 參與電網(wǎng)調(diào)頻，其他時(shí)間無(wú)EVA參與電網(wǎng)調(diào)頻。電動(dòng)汽車(chē)因其具有快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)頻效果比傳統(tǒng)火電機(jī)組好。圖5 顯示了EVA實(shí)際調(diào)頻效果。由圖5（a）可見(jiàn)，在有EVA 參與調(diào)頻的時(shí)段比無(wú)EVA 參與調(diào)頻的時(shí)段對(duì)頻率波動(dòng)的抑制效果好，系統(tǒng)頻率基本不會(huì)產(chǎn)生很大的正偏差。本文采用的是單向傳輸模式，電動(dòng)汽車(chē)不能向電網(wǎng)饋電。因此，在系統(tǒng)頻率出現(xiàn)負(fù)偏差時(shí)，主要由傳統(tǒng)機(jī)組承擔(dān)向上調(diào)頻的任務(wù)，但是由圖可見(jiàn)，調(diào)頻之后系統(tǒng)頻率的負(fù)偏差還是很大，不像正偏差那樣幾乎可以降到0。所以，沒(méi)有EVA 參與調(diào)節(jié)的電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的正偏差和負(fù)偏差都很大；有EVA 參與的電網(wǎng)，正偏差可以降為0。圖5（b）為調(diào)頻效果部分放大圖，可以得知電動(dòng)汽車(chē)對(duì)頻率信號(hào)響應(yīng)的超調(diào)量比較小，調(diào)頻效果好。

圖5 有無(wú)電動(dòng)汽車(chē)參與調(diào)頻的系統(tǒng)頻率偏差Fig.5 System frequency deviation with/without EVs participating in frequency regulation

不同算例的充電方式花賈也不同，如表2 和表3所示，算例1 花賈最多，算例3 花賈最少。當(dāng)EVA 僅僅參與能量市場(chǎng)（算例2）時(shí)，表2 顯示充電花賈為977.8 美元；當(dāng)EVA 參與能量市場(chǎng)和調(diào)頻市場(chǎng)（算例3）時(shí)，表3 顯示充電花賈為998.9 美元，即EVA 參與多品種電力市場(chǎng)交易時(shí)預(yù)留調(diào)頻容量會(huì)造成在能量市場(chǎng)充電花賈上增加21.1 美元。但市場(chǎng)會(huì)對(duì)EVA進(jìn)行容量補(bǔ)償和里程補(bǔ)償，因此，從整體來(lái)看，算例3 的花賈還是會(huì)比算例2 少，體現(xiàn)了EVA 參與調(diào)頻市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

表2 不同算例的費(fèi)用Table 2 Cost of different cases

表3 算例3 的費(fèi)用Table 3 Cost of case 3

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種EVA 參與多品種電力市場(chǎng)交易的充電調(diào)控和市場(chǎng)收益評(píng)估方法，分析了EVA 作為儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻效果。應(yīng)用PJM 調(diào)頻市場(chǎng)機(jī)制對(duì)參與日前調(diào)度和調(diào)頻輔助服務(wù)的EVA 進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，在考慮性能得分的情況下考慮了容量收入和里程收入。本文的研究成果可以提升EVA 充電的經(jīng)濟(jì)性和參與電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)的靈活性，實(shí)現(xiàn)EVA 作為移動(dòng)儲(chǔ)能與電網(wǎng)的友好互動(dòng)。中國(guó)電力市場(chǎng)正處于改革期，雖然大多仿照國(guó)外市場(chǎng)機(jī)制，但在收益結(jié)算、性能考核等方面還與國(guó)外有較大差別。因此，在接下來(lái)的研究中會(huì)著眼于國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)，建立適用于中國(guó)電力市場(chǎng)的模型。

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