考慮電動(dòng)汽車(chē)用戶決策行為的電價(jià)型需求響應(yīng)模型*

羅 敏，楊景旭，周尚禮，賴雨辰，向 睿，郭楊運(yùn)

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司新型電力系統(tǒng)數(shù)字技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣州 510300）

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，我國(guó)提出了碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，能源電力的碳減排成為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicle，EV）因其良好環(huán)保特性和負(fù)荷可調(diào)控特性在節(jié)能減排和需求響應(yīng)（Demand Response，DR）方面顯示出較大優(yōu)勢(shì)［1-3］，倍受關(guān)注。為進(jìn)一步挖掘電動(dòng)汽車(chē)的需求響應(yīng)潛力，本文從電價(jià)策略和用戶行為決策的角度開(kāi)展研究。

EV有序充電可以視作一種靈活的需求響應(yīng)資源，是解決EV負(fù)荷接入造成配電饋線重過(guò)載等問(wèn)題的重要手段［4］。在有序充電中，根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)控需求，以電網(wǎng)、充換電站或者用戶的利益為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮變壓器容量約束、充電設(shè)施容量和調(diào)控性能約束、電池充電性能約束以及用戶充電和出行需求約束，優(yōu)化EV充電安排，控制變量一般為單EV或集群EV的充電時(shí)間或充電功率［5-6］。在這過(guò)程中，電網(wǎng)公司或充電站通過(guò)分時(shí)電價(jià)等手段，引導(dǎo)EV用戶選擇在電價(jià)較低的平谷時(shí)段充電。此外，部分EV用戶通過(guò)與電網(wǎng)公司或充電站簽合同的方式參與電網(wǎng)的需求響應(yīng)，轉(zhuǎn)移或中斷在響應(yīng)時(shí)段內(nèi)的充電活動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)全網(wǎng)充電負(fù)荷的調(diào)控能力。

此外，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)參與的電價(jià)型DR，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了較多的研究。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)參與的價(jià)格型DR，文獻(xiàn)［7-8］通過(guò)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)用戶轉(zhuǎn)移到平谷時(shí)段充電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，同時(shí)在低電價(jià)時(shí)段充電減小成本，但用戶可以自愿選擇是否參與DR，導(dǎo)致實(shí)際響應(yīng)結(jié)果的不確定性增大；文獻(xiàn)［9］提出一種基于分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車(chē)混合型需求響應(yīng)策略，可以降低電網(wǎng)投資成本和負(fù)荷峰谷差，并考慮用戶響應(yīng)的不確定性；文獻(xiàn)［10］建立的價(jià)格型DR策略，以實(shí)現(xiàn)最小化用戶費(fèi)用和平抑負(fù)荷波動(dòng)為目的?？偟膩?lái)說(shuō)，價(jià)格型DR 通過(guò)電價(jià)策略改變用戶充電行為，需滿足用戶出行需求等約束。同時(shí)在價(jià)格型DR 中，用戶可自愿選擇是否參與，可通過(guò)轉(zhuǎn)移充電時(shí)間或中斷充電活動(dòng)等方式參與，較為靈活，同時(shí)也具有較大的不確定性［11-12］。上述研究中，對(duì)用戶通過(guò)調(diào)整充電時(shí)段的方式參與需求響應(yīng)的研究較多［13-14］，對(duì)用戶調(diào)整充電時(shí)長(zhǎng)的研究較少，同時(shí)對(duì)峰谷電價(jià)的設(shè)置沒(méi)有以谷時(shí)段電價(jià)作為基準(zhǔn)，設(shè)置電價(jià)方案數(shù)量較少，分析效果有限，有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

基于此，本文提出考慮電動(dòng)汽車(chē)用戶決策行為的電價(jià)型需求響應(yīng)模型。首先，分析用戶參與電價(jià)型需求響應(yīng)決策行為，用戶在電價(jià)的引導(dǎo)下可以通過(guò)轉(zhuǎn)移充電時(shí)段、調(diào)整充電時(shí)長(zhǎng)等方式參與響應(yīng)。其次，基于用戶的消費(fèi)者心理建立用戶充電時(shí)間轉(zhuǎn)移概率模型。然后，提出用戶可調(diào)節(jié)充電時(shí)長(zhǎng)的概念，建立用戶充電時(shí)長(zhǎng)調(diào)整概率模型。最后，通過(guò)仿真算例分析不同電價(jià)場(chǎng)景下充電站負(fù)荷的變化情況，研究用戶對(duì)電價(jià)的敏感性。

1 用戶電價(jià)型需求響應(yīng)模型

在電價(jià)型需求響應(yīng)中，充電用戶可以采用兩種手段參與，一種是通過(guò)轉(zhuǎn)移充電時(shí)段，另一種是調(diào)節(jié)充電時(shí)長(zhǎng)。在受到分時(shí)電價(jià)的價(jià)格信號(hào)的刺激和電價(jià)差的影響下，用戶可以結(jié)合兩種調(diào)節(jié)方式，一方面改變其充電時(shí)段，另一方面在不影響出行的前提條件下，調(diào)整充電時(shí)長(zhǎng)，以節(jié)省充電成本。

1.1 用戶參與電價(jià)型需求響應(yīng)決策行為分析

在本文中，用戶通過(guò)轉(zhuǎn)移充電時(shí)段和調(diào)節(jié)充電時(shí)長(zhǎng)兩種方式參與到需求響應(yīng)中。作為電力消費(fèi)者，用戶在接收到電網(wǎng)給出的電價(jià)水平的刺激時(shí)會(huì)結(jié)合自身情況做出合適的充電行為決策。決定用戶充電成本的因素有：充電時(shí)段的電價(jià)及用戶充電時(shí)長(zhǎng)，因此用戶可通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)變量以改變自己的充電策略，達(dá)到節(jié)約充電成本的目的，同時(shí)為充電站及電網(wǎng)負(fù)荷的調(diào)節(jié)提供幫助。

因此，用戶參與需求響應(yīng)的策略。（1）轉(zhuǎn)移充電時(shí)段。受到不同時(shí)段的價(jià)差影響，用戶在價(jià)差刺激下選擇改變自己的充電時(shí)段。（2）調(diào)整充電時(shí)長(zhǎng)。受到當(dāng)前充電時(shí)段的充電價(jià)格影響，在某充電價(jià)格下，選擇較為合理的充電時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行充電。一般情況下，用戶對(duì)充電時(shí)長(zhǎng)的最低充電時(shí)長(zhǎng)要求為：用戶當(dāng)天初始荷電狀態(tài)（SOC）與充電所得的SOC之和要能在滿足當(dāng)天用電需求的前提下，留有20%的電量。（3）綜合策略：在轉(zhuǎn)移充電時(shí)段的基礎(chǔ)上調(diào)整充電時(shí)長(zhǎng)。

具體地，用戶將在日前上報(bào)自己的出行計(jì)劃，包括出行距離、開(kāi)始出行時(shí)間、初始SOC、計(jì)劃開(kāi)始充電時(shí)段、充電站點(diǎn)選擇及充電方式（快充／慢充）等，通過(guò)這些信息可計(jì)算得到用戶按照充滿電計(jì)劃所需的充電時(shí)長(zhǎng)。若用戶調(diào)整其充電時(shí)段，當(dāng)兩個(gè)時(shí)段存在價(jià)差時(shí)，用戶的充電成本將發(fā)生變化，因此，價(jià)差水平會(huì)影響用戶充電開(kāi)始時(shí)段轉(zhuǎn)移的決策，而其充電時(shí)段的電價(jià)水平會(huì)直接影響到用戶的充電時(shí)長(zhǎng)決策。另一方面，由于不同用戶對(duì)電價(jià)敏感性不同，用戶考慮電價(jià)水平影響時(shí)，用戶的充電時(shí)長(zhǎng)決策具有一定的概率性，而不考慮電價(jià)水平時(shí)，默認(rèn)用戶以各自的最大調(diào)節(jié)能力去進(jìn)行充電時(shí)長(zhǎng)的決策。電價(jià)敏感性研究的是在考慮和不考慮電價(jià)兩種情景下，用戶的充電行為及充電特征。比較兩種情景下響應(yīng)前后的用戶充電負(fù)荷曲線，則能夠看出，用戶受電價(jià)影響的行為變化情況。

1.2 用戶充電時(shí)間轉(zhuǎn)移概率模型

對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，每一種商品都存在一個(gè)合理范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格。電力價(jià)格也不例外。電力消費(fèi)者對(duì)于電價(jià)型需求側(cè)響應(yīng)程度可以描述為3 個(gè)階段。第一階段，峰谷分時(shí)電價(jià)差較小，用戶因價(jià)格因素選擇響應(yīng)需求側(cè)策略的電動(dòng)汽車(chē)用戶很少。第二階段，當(dāng)峰谷分時(shí)電價(jià)差增大到一定區(qū)域內(nèi)，隨電價(jià)差的增加，選擇參與響應(yīng)的用戶越來(lái)越多。第三階段，當(dāng)峰谷分時(shí)電價(jià)差大到一定程度后，參與響應(yīng)的用戶數(shù)量會(huì)達(dá)到飽和，不再增加。

電動(dòng)汽車(chē)用戶的響應(yīng)行為受到電動(dòng)汽車(chē)充電聚合商設(shè)置的充電價(jià)的影響，電動(dòng)汽車(chē)用戶會(huì)根據(jù)聚合商的充電價(jià)的調(diào)整，改變自己的充電行為，以參與需求響應(yīng)。EV用戶進(jìn)行充電時(shí)段轉(zhuǎn)移，主要受各時(shí)段電價(jià)差的激勵(lì)。用戶參與需求響應(yīng)時(shí)，充電時(shí)間從時(shí)段t1到時(shí)段t2的充電價(jià)差為：

用戶充電時(shí)間從時(shí)段t1到時(shí)段t2的轉(zhuǎn)移概率為：

式中：pp（t2，t1）為時(shí)段轉(zhuǎn)移概率；Δc1為價(jià)差死區(qū)閾值，一般取0.1 元／kWh；Δc2為價(jià)差飽和區(qū)閾值，一般取1元／kWh；Δc為充電時(shí)間時(shí)段t1～t2的充電價(jià)差；kp為價(jià)差轉(zhuǎn)移率的線性區(qū)斜率。

1.3 用戶充電時(shí)長(zhǎng)調(diào)整概率模型

用戶的充電時(shí)長(zhǎng)需要至少能夠保證用戶全天的里程需求，則用戶的最短充電Tc，min與用戶的里程Lu呈線性關(guān)系：

式中：ηc為充電效率，一般取0.9；Pc為充電功率，kW；W100為每100 km的耗電量，kW·h／100 km。

若不考慮里程影響，則用戶的充電時(shí)長(zhǎng)為：

式中：Sc0為用戶起始荷電狀態(tài)；α為期望充電完成后的荷電狀態(tài)，此處考慮充滿的情況，取1。

式中：ΔTc為可調(diào)節(jié)充電時(shí)長(zhǎng)。

標(biāo)幺化處理后：

用戶充電時(shí)長(zhǎng)調(diào)整的決策是隨機(jī)的，采用正態(tài)分布描述：

1.4 充電站響應(yīng)后負(fù)荷模型

根據(jù)用戶的充電時(shí)間轉(zhuǎn)移概率和充電時(shí)長(zhǎng)調(diào)整概率，采用蒙特卡洛抽樣生成各個(gè)用戶的充電轉(zhuǎn)移時(shí)間與充電時(shí)長(zhǎng)調(diào)整決策，即可確定用戶經(jīng)過(guò)引導(dǎo)后的充電開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間，進(jìn)一步確定用戶的充電負(fù)荷。

已知用戶的充電開(kāi)始時(shí)間ts及充電時(shí)長(zhǎng)Δt，則用戶的充電結(jié)束時(shí)間為：tf＝ts＋Δt，在時(shí)段［ts，tf］內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)用戶的充電狀態(tài)為“在充電中”，記為1，反之記為0。

對(duì)充電站用戶通過(guò)蒙特卡洛抽樣生成其充電狀態(tài)，則充電站t時(shí)刻在充電的充電樁數(shù)量為：

式中：Nu（t）為時(shí)刻t 在使用中的對(duì)應(yīng)類(lèi)型的充電樁的個(gè)數(shù)。

該類(lèi)充電樁在時(shí)刻t的充電功率為：

式中：Pch0為該類(lèi)充電樁的基礎(chǔ)充電功率的大小，為恒定值。

2 算例分析

本文仿真以廣州某條饋線作為仿真饋線。本文仿真對(duì)象為以快充為主的充電站，充電站參數(shù)設(shè)置如表1 所示，電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。

表1 充電站參數(shù)設(shè)置

電網(wǎng)基準(zhǔn)電價(jià)cb設(shè)為0.38 元／kWh，通過(guò)表2 中分時(shí)電價(jià)系數(shù)的設(shè)置得到不同場(chǎng)景下的電價(jià)如表3 所示。其中，ki（i ＝1，2，3）為分時(shí)電價(jià)系數(shù)。

表2 電價(jià)場(chǎng)景設(shè)置

表3 仿真中分時(shí)電價(jià)系數(shù)取值

峰平谷時(shí)段劃分如表4 所示。

表4 峰平谷時(shí)段劃分

本節(jié)研究的是在不同的電價(jià)場(chǎng)景下，用戶綜合采用兩種響應(yīng)方式的行為特征及充電站的響應(yīng)情況。不同場(chǎng)景下充電站參與響應(yīng)前后的日負(fù)荷情況如圖1 所示。

圖1 不同場(chǎng)景下充電站負(fù)荷變化情況

圖2 ～7 中的圖（a）給出了某一電價(jià)場(chǎng)景下，響應(yīng)前后充電站負(fù)荷的變化情況。圖2 ～7 的圖（b）給出了充電站的響應(yīng)后負(fù)荷的上下限，及實(shí)際響應(yīng)后的充電站負(fù)荷情況，其中負(fù)荷的上限是：在此電價(jià)下，僅考慮充電時(shí)間的轉(zhuǎn)移，不調(diào)整用戶的充電時(shí)長(zhǎng)，響應(yīng)后的充電站負(fù)荷；負(fù)荷的下限是：在此電價(jià)下，考慮了充電時(shí)間的轉(zhuǎn)移，并要求用戶按照“SOC 恰好滿足當(dāng)天行程需求”這一條件進(jìn)行充電，此時(shí)用戶的可調(diào)整充電時(shí)長(zhǎng)為各自的上限，由此而得響應(yīng)后的充電站負(fù)荷。圖2 ～7 的圖（c）給出了用戶在綜合響應(yīng)策略下的時(shí)長(zhǎng)調(diào)節(jié)，可以看到，此時(shí)用戶結(jié)合自身的出行需求及當(dāng)前的充電價(jià)格，進(jìn)行了較為合理的充電時(shí)長(zhǎng)的調(diào)整。較之響應(yīng)前的充電時(shí)長(zhǎng)稍有變化，但是沒(méi)有特別極端的調(diào)整情況，如將充電時(shí)長(zhǎng)調(diào)整為0。圖2 ～7 的圖（d）給出了用戶開(kāi)始充電時(shí)間的轉(zhuǎn)移情況，其中縱軸的負(fù)值代表充電時(shí)間前移，正值代表充電時(shí)間后移。圖8 給出了各場(chǎng)景下響應(yīng)前后各時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)充電數(shù)量的變化。表5 為各場(chǎng)景下充電站的削峰效果。

圖2 場(chǎng)景1（4∶3∶1）時(shí)充電站負(fù)荷變化情況

圖3 場(chǎng)景2（4∶3∶2）時(shí)充電站負(fù)荷變化情況

圖4 場(chǎng)景3（4∶2∶1）時(shí)充電站負(fù)荷變化情況

圖5 場(chǎng)景4（3∶2∶1）時(shí)充電站負(fù)荷變化情況

圖6 場(chǎng)景5（3∶3∶2）時(shí)充電站負(fù)荷變化情況

圖7 場(chǎng)景6（2∶2∶1）時(shí)充電站負(fù)荷變化情況

圖8 不同電價(jià)場(chǎng)景下各時(shí)段在充電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量

表5 不同場(chǎng)景下充電站的響應(yīng)效果

由圖2 ～8 可知，各時(shí)段的價(jià)差大小對(duì)用戶充電時(shí)段的轉(zhuǎn)移行為有著極為明顯的影響，價(jià)差越大，產(chǎn)生時(shí)段轉(zhuǎn)移的用戶越多，導(dǎo)致谷時(shí)充電的用戶越多，而不設(shè)置分時(shí)電價(jià)時(shí)，考慮到其出行的方便性，用戶傾向于在非上班時(shí)段進(jìn)行充電，導(dǎo)致白天的負(fù)荷增多，但是總體上有起到削峰的作用。用戶能夠結(jié)合自身出行需求以及充電價(jià)的情況合理調(diào)整自己的充電時(shí)長(zhǎng)，且具有較大的調(diào)節(jié)潛力。相比于采用調(diào)整充電時(shí)段或充電時(shí)長(zhǎng)單個(gè)手段，同時(shí)采用兩種手段的負(fù)荷調(diào)控效果更佳?；诖?，可根據(jù)用戶對(duì)充電價(jià)的敏感性充分挖掘用戶的響應(yīng)潛力。

表5給出了各場(chǎng)景下削峰率的大小，場(chǎng)景2（4∶3∶2）、5（3∶3∶2）的削峰效果較好，此時(shí)峰平谷各時(shí)段的電價(jià)相差不是特別嚴(yán)重，沒(méi)有出現(xiàn)電價(jià)兩極分化的情況。當(dāng)峰平谷時(shí)段的價(jià)差較大，尤其是峰谷價(jià)差較大時(shí)，充電站的峰值負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)段由響應(yīng)前的電價(jià)峰值時(shí)段轉(zhuǎn)移為響應(yīng)后的電價(jià)低谷時(shí)段，即充電站的峰值時(shí)段與電價(jià)峰值時(shí)段呈逆向分布。當(dāng)峰谷差電價(jià)過(guò)大時(shí)，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)移充電時(shí)段的用戶過(guò)多，從而在谷時(shí)段形成新的充電高峰。因此峰谷電價(jià)差設(shè)置不宜過(guò)大。

具體地，由圖8 的（a）～（f）可知，當(dāng)峰平谷價(jià)差較大時(shí)，用戶傾向于在電價(jià)較低的時(shí)段充電，并避開(kāi)峰時(shí)，受到用戶作息習(xí)慣的影響，充電時(shí)段多集中在上午6—8 時(shí)的上班前的時(shí)段；當(dāng)峰平谷價(jià)差不大時(shí)，用戶在各個(gè)時(shí)間段的充電情況大致較為均勻，但是由于峰谷價(jià)差仍然存在，因此選擇上午6—8 時(shí)的用戶仍有許多。

3 結(jié)束語(yǔ)

為進(jìn)一步挖掘電動(dòng)汽車(chē)的需求響應(yīng)潛力，本文提出考慮電動(dòng)汽車(chē)用戶決策行為的電價(jià)型需求響應(yīng)模型。由仿真結(jié)果可知，用戶能夠結(jié)合自身出行需求以及充電價(jià)的情況合理調(diào)整自己的充電時(shí)段和充電時(shí)長(zhǎng)，且具有較大的調(diào)節(jié)潛力。同時(shí)，用戶的充電行為對(duì)充電價(jià)較為敏感，在一定的峰谷電價(jià)差下能夠很好地引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰充電，但是當(dāng)峰谷電價(jià)差過(guò)大時(shí)，容易在谷時(shí)段形成新的充電高峰，進(jìn)而導(dǎo)致充電設(shè)施緊缺。因此，電網(wǎng)側(cè)可根據(jù)用戶對(duì)充電價(jià)的敏感性設(shè)置合理的電價(jià)來(lái)充分挖掘用戶的響應(yīng)潛力。