電動(dòng)汽車和能量云在家庭微網(wǎng)中的協(xié)同調(diào)度研究

江晨,楊俊杰, 鄧正臣

(上海電力大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院,上海 200090)

0 引 言

在智能電網(wǎng)的背景下,居民用戶不再是單純的電能消費(fèi)者,而是轉(zhuǎn)變成電能的生產(chǎn)消費(fèi)者[1]。利用智能電網(wǎng)雙向的信息流和能量流,用戶還可以在家庭能源管理系統(tǒng)(home energy management system, HEMS)[2]的調(diào)控下參與需求響應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置并推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

而在能源互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)中,儲(chǔ)能一直都是至關(guān)重要的一環(huán)。然而傳統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備也存在缺陷,容量的不可調(diào)難以適應(yīng)可再生能源的季節(jié)性變化和用戶用電行為的不確定性[3]。所以能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要用戶側(cè)靈活可調(diào)的儲(chǔ)能來(lái)提高其運(yùn)行的靈活性與可靠性。

研究表明,電動(dòng)汽車(EV)的動(dòng)力電池內(nèi)存在大量閑置的儲(chǔ)能資源。近年來(lái),隨著EV的快速發(fā)展,EV分布式儲(chǔ)能的特性廣泛受到關(guān)注和重視。通過(guò)車輛到電網(wǎng)(vehicle to grid, V2G)、車輛到家庭(vehicle to home, V2H)等技術(shù),EV可以作為靈活可調(diào)的儲(chǔ)能單元與間接出力的分布式發(fā)電協(xié)調(diào)互補(bǔ),滿足用戶存儲(chǔ)、使用過(guò)剩電能的需求。為了減少EV入網(wǎng)的不利影響,充分發(fā)揮EV接入的優(yōu)勢(shì),最大化電網(wǎng)與用戶的效益,對(duì)EV充放電行為優(yōu)化控制的研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[4]。

近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)EV的控制策略展開(kāi)了一系列研究。文獻(xiàn)[5]基于分時(shí)電價(jià)和EV入網(wǎng)的情況,以用戶成本和電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)為目標(biāo)函數(shù)建立了優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[6]所提出的策略兼顧了用戶出行的便利度和用電成本的經(jīng)濟(jì)性,算例仿真驗(yàn)證了策略的有效性。文獻(xiàn)[7]建立了EV無(wú)序充電和有序充放電的負(fù)荷模型,結(jié)果表明有序入網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性更好。文獻(xiàn)[8]考慮了不同時(shí)空電價(jià)的差異,采用雙環(huán)化優(yōu)化模型對(duì)EV的容量配置和經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。結(jié)果表明,該方法可以降低MG和用戶的成本。由于EV用戶的個(gè)性化需求會(huì)增加管理難度和成本,文獻(xiàn)[9-11]在EV和用戶之間引入代理商,整合充放電能量,參與電網(wǎng)互動(dòng)。文獻(xiàn)[9]對(duì)EV聚合商的各種策略和技術(shù)條件進(jìn)行了評(píng)估,力求將保有量快速增長(zhǎng)的EV有效地整合到能源市場(chǎng)中。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了EV參與削峰填谷的市場(chǎng)機(jī)制,考慮了市場(chǎng)電價(jià)的不確定性,建立了多目標(biāo)區(qū)間的聚合商調(diào)度模型。文獻(xiàn)[11]提出了電動(dòng)汽車分布式儲(chǔ)能的概念,將EV分為充電車群和放電車群,動(dòng)態(tài)管理與電網(wǎng)的能量雙向交換。以上文獻(xiàn)雖然對(duì)EV聚集參與電力市場(chǎng)展開(kāi)了探索,但少有涉及用戶之間的能量交互。

與傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備不同,EV的首要任務(wù)始終是滿足車主的出行需求。因此,EV并不具備傳統(tǒng)儲(chǔ)能單元所固有的穩(wěn)定性和持續(xù)性,EV參與電能調(diào)度時(shí)仍需與傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備相配合。但是目前儲(chǔ)能設(shè)備成本依然較高,限制了分布式儲(chǔ)能的廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[12-13]的研究創(chuàng)新地提出了共享儲(chǔ)能的新概念—能量云,并用來(lái)代替微網(wǎng)中的傳統(tǒng)儲(chǔ)能單元。能量云是一種基于云的共享式儲(chǔ)能技術(shù),用戶可以隨時(shí)按需使用運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)的集中式儲(chǔ)能資源,并能與其他用戶進(jìn)行電能交易。運(yùn)營(yíng)商根據(jù)用戶使用情況收取費(fèi)用獲得盈利。

針對(duì)上述提出的問(wèn)題,為了優(yōu)化家庭微網(wǎng)的能源管理并實(shí)現(xiàn)用戶之間的能量交互,文中提出一種EV和能量云協(xié)同參與電能調(diào)度的策略。能量云運(yùn)營(yíng)商既是共享儲(chǔ)能設(shè)備的提供商,也是EV聚合參與電能調(diào)度的代理商。EV集群將容量相對(duì)較小且分散的移動(dòng)儲(chǔ)能單元轉(zhuǎn)化為社區(qū)內(nèi)較大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng),并成為能量云集中式儲(chǔ)能的重要補(bǔ)充,有助于減少運(yùn)營(yíng)商的儲(chǔ)能初始投資和維護(hù)成本。同時(shí),該策略充分利用了EV內(nèi)豐富的閑置儲(chǔ)能資源,并通過(guò)統(tǒng)一管理實(shí)現(xiàn)了EV的有序充放電,有效抑制了EV無(wú)序放電對(duì)電網(wǎng)的不利影響,使EV與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 家庭微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

家庭微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,主體包括電網(wǎng)、用戶和運(yùn)營(yíng)商。運(yùn)營(yíng)商主要負(fù)責(zé)提供兩方面的服務(wù):共享儲(chǔ)能代理和EV代理。與文獻(xiàn)[12-13]相同,共享儲(chǔ)能代理負(fù)責(zé)投資、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)集中式的儲(chǔ)能設(shè)施,所有家庭微網(wǎng)用戶都可以按需參與共享儲(chǔ)能服務(wù)。

圖1 家庭微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

而EV代理負(fù)責(zé)在社區(qū)公共停車場(chǎng)內(nèi)裝備和建設(shè)能滿足用戶需求的智能充電樁和智能充放電控制系統(tǒng)。EV代理聚合所有用戶的EV,有序安排充放電計(jì)劃,整合所有能量參與系統(tǒng)的能量互動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)汽車結(jié)束最后一次行程并接入電網(wǎng)后,用戶需通過(guò)電池管理系統(tǒng)將入網(wǎng)時(shí)間、預(yù)計(jì)離網(wǎng)時(shí)間、電池當(dāng)前電量、離網(wǎng)時(shí)期望電量、是否需要參與V2G和電能交易等信息上傳至EV控制中心。EV控制中心以不影響用戶的出行行程為前提,根據(jù)分時(shí)電價(jià)和電網(wǎng)狀況安排電動(dòng)汽車的有序充電計(jì)劃,并將計(jì)劃發(fā)送給停車場(chǎng)內(nèi)的智能充電樁以執(zhí)行充電計(jì)劃。對(duì)于有意EV通過(guò)V2G功能參與電能調(diào)度的用戶,EV控制中心將根據(jù)用戶的負(fù)荷用電和能量云儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy cloud energy storage system, ECESS)的充放電情況安排EV先在電價(jià)峰值時(shí)段作為能量云的后備儲(chǔ)能有序放電,然后在電價(jià)谷值階段有序充電。

EV代理作為電動(dòng)汽車充放電服務(wù)的提供商,其運(yùn)營(yíng)成本主要是按分時(shí)電價(jià)向電網(wǎng)公司支付電費(fèi),其主要收入來(lái)源于向用戶收取的充電費(fèi)用和停車費(fèi)用。

用戶還可以通過(guò)能量云這個(gè)中間方與其他用戶之間進(jìn)行電能交易。用戶將交易請(qǐng)求發(fā)送給能量云控制中心,控制中心收到請(qǐng)求后會(huì)將之與其他用戶的請(qǐng)求進(jìn)行匹配,判斷是否可以交易。用戶的ECESS和EV動(dòng)力電池的盈余電能都可以參與交易,賣方提高了可再生能源的利用率并獲得了經(jīng)濟(jì)收益,而買方則獲得了相對(duì)較便宜的電能,減少了用電成本。在完成交易后,能量云運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)代為收取買方的買電費(fèi)用并結(jié)算給賣電的用戶。在交易過(guò)程中,能量云僅起到統(tǒng)籌交易的第三方和電能中轉(zhuǎn)樞紐的作用,用戶從交易中購(gòu)買的電能全部都來(lái)自于其他用戶。

能量云社區(qū)電能交易平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:1)運(yùn)營(yíng)商充分利用了規(guī)模效應(yīng)和用戶用電行為之間的互補(bǔ)性,實(shí)現(xiàn)了可再生能源更好的消納。2)運(yùn)營(yíng)商作為交易服務(wù)的中間人,顯著減少了直接交易對(duì)交易時(shí)間和能力的限制。3)新的能量云共享儲(chǔ)能機(jī)制,將用戶的電動(dòng)汽車聚集,使之作為能量云集中儲(chǔ)能設(shè)施的后備儲(chǔ)能,參與到電網(wǎng)互動(dòng)中,進(jìn)一步提高了用戶參與共享儲(chǔ)能服務(wù)的積極性。

2 家庭微網(wǎng)基本模型

2.1 PV模型

文中的分布式可再生能源主要考慮光伏發(fā)電,PV單元的發(fā)電能力與氣象、溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱有關(guān),其輸出功率的表達(dá)式如下所示[14]:

(1)

式中PSTC和GSTC分別是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的最大測(cè)試功率和光照強(qiáng)度;GAC為太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的實(shí)際值;k為功率溫度系數(shù),取值為-0.0047/℃;Tr為參考溫度,取值為25℃;Tc為PV面板的工作溫度。

2.2 用電設(shè)備模型

在家庭微網(wǎng)中,智能用電設(shè)備通常根據(jù)時(shí)間靈活性可分為剛性負(fù)荷和柔性負(fù)荷。剛性負(fù)荷,如電視機(jī)、照明設(shè)備等,不參與電能調(diào)度,必須即時(shí)根據(jù)用戶的意愿滿足用電需求。柔性負(fù)荷具有時(shí)間彈性,根據(jù)在使用過(guò)程中能否中斷分為可中斷負(fù)荷和不可中斷負(fù)荷。文中假設(shè)用戶n共有M個(gè)柔性負(fù)荷,m∈{1,2,…,M},且所有設(shè)備均以額定功率Pm運(yùn)行。將一個(gè)調(diào)度周期一天分為H個(gè)時(shí)間段,h∈Γ={1,2,…,H},每個(gè)時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)為Δh。用電設(shè)備m允許的工作時(shí)間段為[αm,βm],工作時(shí)長(zhǎng)為dm。二進(jìn)制變量Sa(h)用來(lái)表征用電設(shè)備a的工作狀態(tài),其值為1時(shí)表示工作,為0時(shí)閑置。柔性負(fù)荷在工作時(shí)需滿足如下約束條件:

(2)

不可中斷負(fù)荷,如電飯煲、洗衣機(jī)等,還需滿足如下約束條件。該條件約束了不可中斷負(fù)荷能在dm個(gè)時(shí)段內(nèi)保持連續(xù)工作狀態(tài)。

(3)

2.3 能量云共享儲(chǔ)能模型

能量云是一個(gè)涵蓋儲(chǔ)能服務(wù)、能量交易于一體的能量樞紐。能量云系統(tǒng)由用戶、能量云運(yùn)營(yíng)商和集中配置運(yùn)營(yíng)的儲(chǔ)能資源構(gòu)成。任何時(shí)段h∈Γ,用戶租用的電池空間滿足如下能量守恒關(guān)系式:

EEC(h)=EEC(h-1)+[Pch,EC(h)λch,EC-

(4)

式中EEC(h)為儲(chǔ)能空間h時(shí)刻內(nèi)的電能;Pch,EC(h)和Pdch,EC(h)分別為儲(chǔ)能空間h時(shí)刻充放電功率;λch,EC和λdch,EC分別為儲(chǔ)能空間h時(shí)刻充放電效率;Esell,EC(h)為用戶h時(shí)刻出售的電能。

當(dāng)用戶使用共享儲(chǔ)能或參與電能交易時(shí),整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的傳輸功率和能量必須滿足以下安全約束:

0≤Pch,EC(h)≤Pch,EC,max(h),?h∈Γ

(5)

0≤Pdch,EC(h)≤Pdch,EC,max(h),?h∈Γ

(6)

0≤EEC(h)≤Erent,?h∈Γ

(7)

Esell,EC,max(h)=Erent(SEC(h)-Sb,min),?h∈Γ

(8)

0≤Esell,EC(h)≤Esell,EC,max(h),?h∈Γ

(9)

式中Pch,EC,max(h)、Pdch,EC,max(h)為儲(chǔ)能空間的最大充放電功率;Erent為用戶租用儲(chǔ)能空間的容量;Esell,EC,max(h)為用戶h時(shí)刻出售電能的最大值;SEC(h)為用戶儲(chǔ)能空間h時(shí)刻的荷電狀態(tài);Sb,min為荷電狀態(tài)的下限值。

運(yùn)營(yíng)商通過(guò)向用戶收取儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)獲得利潤(rùn)。能量云的儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)根據(jù)云電池在使用過(guò)程中的損耗程度計(jì)算[15-16]。文中還設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能空間利用率過(guò)低的處罰費(fèi)用來(lái)引導(dǎo)用戶提高儲(chǔ)能的利用率。用戶需要支付的服務(wù)費(fèi)的計(jì)算公式如下:

(10)

(11)

(12)

Crent,EC=ηEloss,EC+Cp,EC

(13)

式中xsoc為蓄電池的荷電狀態(tài);fw(xsoc)為相應(yīng)荷電狀態(tài)下儲(chǔ)能空間對(duì)應(yīng)的壽命權(quán)重因子;Eloss,EC為儲(chǔ)能空間的累計(jì)吞吐量;Cp,EC為用戶的儲(chǔ)能空間低利用率的懲罰費(fèi);w為懲罰系數(shù);Crent,EC為用戶的儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi);η為損耗系數(shù),與儲(chǔ)能空間總吞吐量有關(guān)。

2.4 EV模型

2.4.1 EV時(shí)空特性

目前,電動(dòng)汽車常用的充電方式包括常規(guī)充電、快速充電和電池租賃。為了獲得較長(zhǎng)的可調(diào)度時(shí)間和減小動(dòng)力電池?fù)p耗,文中僅考慮常規(guī)充電方式。且文中主要考慮家用電動(dòng)車參與電能調(diào)度,在光伏出力不足和高負(fù)載的時(shí)段給負(fù)載供電,提高整個(gè)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

與傳統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)能不同,電動(dòng)汽車的首要任務(wù)是滿足車主的出行需求。因此,電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能參與電能調(diào)度時(shí),無(wú)論在時(shí)間上還是空間上都具有很強(qiáng)的不確定性。分析用戶的出行習(xí)慣是將電動(dòng)汽車在入網(wǎng)后看作可調(diào)度的儲(chǔ)能資源的必要前提。采用電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車并不會(huì)影響用戶的出行計(jì)劃,因此文中采用傳統(tǒng)汽車用戶的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析電動(dòng)汽車的時(shí)空特性。文中根據(jù)2017年NHTS報(bào)告中汽車出行的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。車輛的最后一次返程時(shí)間ta近似為正態(tài)分布,概率密度函數(shù)為:

(14)

日行駛里程d近似為對(duì)數(shù)正態(tài)分布,概率密度函數(shù)為:

(15)

2.4.2 EV充放電模型

EV接入電網(wǎng)各個(gè)時(shí)段h∈Γ必須滿足如下能量守恒關(guān)系式:

Δh-Esell,EV(h)

(16)

式中EEV(h)為EV電池h時(shí)刻內(nèi)的電能;Pch,EV(h)和Pdch,EV(h)分別為儲(chǔ)能空間的充放電功率;λch,EC和λdch,EC分別為EV電池h時(shí)刻充放電效率;Esell,EV(h)為用戶h時(shí)刻EV電池出售的電能。

式(17)限制了EV在任何時(shí)段都不能同時(shí)充放電。為了避免影響動(dòng)力電池的循環(huán)壽命,式(18)限制了EV動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)保持在一定范圍內(nèi)。公式(19)限制了EV離網(wǎng)時(shí)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)需達(dá)到用戶的期望值。式(20)～式(21)限制了EV的充放電功率不超過(guò)額定功率。

Sch,EV(h)-Sdch,EV(h)≤1,?h∈Γ

(17)

Smin,EV≤SEV(h)≤Smax,EV,?h∈Γ

(18)

Std,EV(h)≥Se,EV(h),?h∈Γ

(19)

0≤Pch.EV(h)≤Pch,EV,max(h),?h∈Γ

(20)

0≤Pdch,EV(h)≤Pdch,EV,max(h),?h∈Γ

(21)

式中Sch,EV(h)表征電動(dòng)汽車在第h個(gè)時(shí)段的充電狀態(tài),其值為1表示充電,為0表示不充電;Sdch,EV(h)表征電動(dòng)汽車在第h個(gè)時(shí)段的放電狀態(tài),其值為-1表示放電, 為0表示不放電;SEV(h)為EVh時(shí)刻的荷電狀態(tài);Smin,EV和Smax,EV分別為EV荷電狀態(tài)的上下限值;Std,EV(h)為EV離網(wǎng)時(shí)刻的荷電狀態(tài);Se,EV(h)為用戶EV荷電狀態(tài)的期望值;Pch,EV,max(h)和Pdch,EV,max(h)分別為儲(chǔ)能空間的最大充放電功率;Sb,min為荷電狀態(tài)的下限值。

2.4.3 EV折舊成本模型

同其他儲(chǔ)能一樣,電動(dòng)汽車在參與電能調(diào)度時(shí)不可避免地會(huì)對(duì)電池造成損耗。為了進(jìn)可能減小電池折損,文中假設(shè)EV在一天48個(gè)時(shí)段內(nèi)只進(jìn)行一次連續(xù)充電和一次連續(xù)放電。根據(jù)分時(shí)電價(jià)和私家車用戶的出行習(xí)慣,有序安排電動(dòng)汽車在凌晨谷時(shí)電價(jià)時(shí)段充電,在傍晚最后一次行程結(jié)束入網(wǎng)后放電,不僅可以滿足用戶的出行需求,還可以提高經(jīng)濟(jì)性。

電池的循環(huán)壽命與放電深度息息相關(guān),放電深度越小,循環(huán)壽命越大。文中采用等效吞吐量的方法來(lái)計(jì)算電動(dòng)汽車在充放電過(guò)程中的電池?fù)p耗程度,且僅考慮電動(dòng)汽車在入網(wǎng)后放電的損耗,出行階段的電池?fù)p耗不予考慮。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的折舊成本為[17]:

(22)

式中Cd,EV為折舊成本;DDOD為放電深度;Lc為在某放電深度下的電池循環(huán)壽命;Ci為EV動(dòng)力電池的購(gòu)買成本。EEV為EV電池容量;Eloss,EV(h)為EV電池h時(shí)刻的吞吐量。

2.5 能量交易模型

由第2節(jié)的內(nèi)容可知,用戶的ECESS和EV可以在運(yùn)營(yíng)商的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下按需買賣電能。在能量云的交易運(yùn)行機(jī)制下,用戶ECESS間的電能交易沒(méi)有不同用戶云端電池物理上的充放電過(guò)程,只涉及到買賣的這部分電能在能量云電池控制系統(tǒng)中歸屬方的改變,避免了電能在直接交易充放電過(guò)程中的損耗。而EV當(dāng)受到放電命令后,電能直接通過(guò)停車場(chǎng)內(nèi)的智能充放電控制系統(tǒng)向其他用戶的負(fù)荷供電。用戶每日參與能源交易中的費(fèi)用為:

(23)

式中Ctrade為用戶的電能交易費(fèi)用;Etrade,EC(h)為用戶儲(chǔ)能空間內(nèi)交易的電能;Etrade,EV(h)為用戶EV電池內(nèi)交易的電能;Vtrade為交易電價(jià)。

3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型

文中考慮的調(diào)度目標(biāo)是已知電網(wǎng)電價(jià)和社區(qū)內(nèi)能源交易價(jià)格時(shí),在不影響用戶出行計(jì)劃的前提下,求解EV利用V2G功能作為ECESS的后備儲(chǔ)能與ECESS協(xié)同調(diào)度時(shí)用戶最佳的儲(chǔ)能和交易決策,最大可能地降低用戶的用電成本。目標(biāo)函數(shù)可以表示為:

Ctrade,EC+Cch,EV+Cd,EV

(24)

式中Pbuy,g(h)是用戶h時(shí)段向電網(wǎng)購(gòu)電的功率;Vbuy,g(h)為電網(wǎng)h時(shí)段的電價(jià);Cch,EV為用戶EV的充電費(fèi)用。

能量云控制中心求解過(guò)程的流程圖如圖2所示。儲(chǔ)能控制中心首先收集用戶數(shù)據(jù)(包括發(fā)電量、負(fù)荷用電量、ECESS狀態(tài)和電價(jià)等),利用求解器求解,為用戶制定最優(yōu)儲(chǔ)能決策,確保用戶從中受益。然后將該方案在實(shí)際儲(chǔ)能控制中執(zhí)行并處理匹配用戶在實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的電能交易請(qǐng)求。EV控制中心根據(jù)用戶每日EV離網(wǎng)、入網(wǎng)時(shí)間分別執(zhí)行有序充電、放電計(jì)劃。在電價(jià)谷值階段,確保EV離網(wǎng)前的SOC達(dá)到用戶期望水平。當(dāng)用戶的停車時(shí)長(zhǎng)小于其充電所需時(shí)長(zhǎng)時(shí),EV在其停車時(shí)段內(nèi)將一直處于充電狀態(tài)。而當(dāng)用戶結(jié)束最后一次行程入網(wǎng)后,控制中心根據(jù)用戶意愿和ECESS的放電狀態(tài),有序安排EV作為ECESS后備儲(chǔ)能的放電計(jì)劃并匹配用戶潛在的交易請(qǐng)求。

圖2 控制中心服務(wù)決策流程圖

電能調(diào)度過(guò)程中的變量包括每個(gè)用戶柔性負(fù)荷每時(shí)段的工作狀態(tài)、ECESS的充放電功率,EV的充放電功率以及電能交易買賣的電能功率。求每個(gè)用戶用電成本最優(yōu)解的問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題,這類問(wèn)題可通過(guò)高度集成的求解器軟件LINGO、CPLEX等求解。

4 案例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

文中基于一個(gè)主要由家庭用戶組成的社區(qū)進(jìn)行研究,用戶之間的距離較近。調(diào)度周期為24小時(shí),共分為48個(gè)時(shí)間段。隨機(jī)選取了上海地區(qū)6個(gè)家庭用戶的實(shí)際負(fù)荷和發(fā)電數(shù)據(jù)參與模擬。用戶1的柔性負(fù)荷的信息如表1所示,剛性負(fù)荷的用電量如圖3所示。各類電價(jià)如表2所示。所有用戶均配備5 kW容量的光伏發(fā)電系統(tǒng),初始投資費(fèi)用約為50 000元,使用壽命為20年。選用該地區(qū)7月份的平均發(fā)電量作為典型日的發(fā)電數(shù)據(jù)。

表1 柔性負(fù)荷參數(shù)

表2 系統(tǒng)內(nèi)電價(jià)

圖3 用戶1剛性負(fù)荷用電量

假設(shè)所有用戶的EV規(guī)格相同,EV參數(shù)參考常用EV型號(hào)比亞迪E3,具體參數(shù)如表3所示。能量云儲(chǔ)能的參數(shù)如表4所示。用戶EV的入網(wǎng)/預(yù)計(jì)離網(wǎng)時(shí)間、入網(wǎng)SOC等信息如表5所示。

表3 EV參數(shù)

表4 ECESS參數(shù)

表5 用戶EV信息

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,現(xiàn)做出如下假設(shè)。1)首先,與文獻(xiàn)[12-13]不同,由于EV參與調(diào)度后能實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源更好的消納,整個(gè)能量云系統(tǒng)不再向電網(wǎng)出售多余電能。2)能量云電池和分布式儲(chǔ)能具有相同的充放電效率和充放電約束,能量云電池的充放電特性是線性的,與電池的內(nèi)部特性無(wú)關(guān)。電池內(nèi)的初始可用能量都為零。3)運(yùn)營(yíng)商儲(chǔ)能總?cè)萘磕軡M足所有用戶的儲(chǔ)能需求。4)電能在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的損耗忽略不計(jì)。

為了驗(yàn)證EV和能量云儲(chǔ)能協(xié)同調(diào)度策略的經(jīng)濟(jì)性,在相同的用電量和發(fā)電量下,分別對(duì)以下4種情景的電能調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析。

情景1(S1):用戶自主投資使用分布式儲(chǔ)能設(shè)備,容量為25 kW·h,最大充放電功率為6 kW,電動(dòng)汽車不參與放電計(jì)劃,只作為柔性負(fù)荷有序充電。用戶與其他用戶之間沒(méi)有電能交易。EV初始SOC為0.2。

情景2(S2):用戶租用能量云的共享儲(chǔ)能空間代替分布式儲(chǔ)能,為了方便比較,容量和最大充放電功率與S1相同。EV不參與放電,且用戶不參與交易。

情景3(S3):相比于S2,EV通過(guò)V2G功能有序放電參與電能調(diào)度,但仍不參與交易。EV入網(wǎng)時(shí)刻的SOC為0.802。

情景4(S4):相比于S3,用戶積極參與能量云運(yùn)營(yíng)商提供的能源交易服務(wù),ECESS和EV內(nèi)的盈余電能都可以參與交易,進(jìn)一步減少用電成本。

4.2 調(diào)度結(jié)果與分析

典型用戶1在以上四種情景下的電能調(diào)度的結(jié)果如表6所示。表6顯示了不同情景下的用電成本構(gòu)成,可見(jiàn)用戶的用電策略對(duì)用電成本有很大影響。

表6 用戶1電能調(diào)度結(jié)果

S1選用分布式儲(chǔ)能,用戶需要承擔(dān)高昂的一次儲(chǔ)能投資費(fèi)用和潛在的維修費(fèi),投資成本為四種情景最高。用戶還需承擔(dān)電池在充放電過(guò)程中的折舊費(fèi)15.214元。EV有序充電直至期望SOC的充電費(fèi)用為10.595元。

不同于S1,S2情景下的用戶租用能量云共享的儲(chǔ)能空間滿足自身的儲(chǔ)能需求。用戶節(jié)省投資費(fèi)用的同時(shí)省去了后續(xù)維護(hù)的麻煩。用戶可根據(jù)儲(chǔ)能需求的變化定期更改訂閱的儲(chǔ)能容量。存儲(chǔ)費(fèi)用由電池折舊費(fèi)和低利用率懲罰費(fèi)構(gòu)成,共計(jì)18.474元。相比于S1,S2向電網(wǎng)購(gòu)買的電能更少,經(jīng)濟(jì)性更高,總成本減少了11.28%。

S3情景下,用戶不僅訂閱了能量云儲(chǔ)能服務(wù),而且EV通過(guò)V2G功能參與電能調(diào)度,在高負(fù)荷、電價(jià)高的時(shí)段作為ECESS的后備儲(chǔ)能向負(fù)荷放電。如圖5(b)所示,EV完成充電計(jì)劃后在15時(shí)段離網(wǎng),在37時(shí)段結(jié)束最后的行程入網(wǎng)放電。在整個(gè)調(diào)度周期結(jié)束后,該用戶EV的SOC從入網(wǎng)時(shí)刻的0.802下降到0.429。因此,相比于圖4(a),圖5(a)中在TOU峰值時(shí)段,用戶向電網(wǎng)購(gòu)買的電能顯著減少,用戶的購(gòu)電成本降低了15.47元,顯著提高了用戶的經(jīng)濟(jì)性。但用戶需要承擔(dān)因放電過(guò)程增加的EV動(dòng)力電池的折舊費(fèi)用。相比于僅有充電過(guò)程的S1和S2,EV動(dòng)力電池的折舊費(fèi)從5.469元增加到8.383元。用戶當(dāng)天的用戶成本相比于S2下降了18.03%。EV作為儲(chǔ)能放電,雖然會(huì)增加下一個(gè)調(diào)度周期的充電成本,

圖4 S2用戶1的調(diào)度結(jié)果

圖5 S3用戶1的調(diào)度結(jié)果

但由于EV均統(tǒng)一安排至電價(jià)最低的TOU谷時(shí)時(shí)段有序充電,所以總體來(lái)看用戶的經(jīng)濟(jì)性仍然獲得大幅度提高。

而S4,用戶積極通過(guò)能量云運(yùn)營(yíng)商提供的能量交易平臺(tái)在儲(chǔ)能能源不足/盈余時(shí)與其他用戶進(jìn)行交易,在獲得經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)提高整個(gè)社區(qū)能源的利用率。不同于S1～S3,S4中儲(chǔ)能和EV充放電的決策方式從用戶完全自主變成能量云和用戶合作共贏。能量云運(yùn)營(yíng)商能通過(guò)信息優(yōu)勢(shì)為每位用戶安排最優(yōu)的充放電計(jì)劃并統(tǒng)籌安排所有用戶的交易請(qǐng)求,規(guī)模效應(yīng)能確保運(yùn)營(yíng)商獲得收益。而用戶仍然能保留自主權(quán)按照意愿選擇是否執(zhí)行安排的計(jì)劃。

能量云的交易服務(wù)確保了用戶在自身儲(chǔ)能能源不足的時(shí)刻,可以向能量云購(gòu)電從而避免向電網(wǎng)購(gòu)買峰值電價(jià)的電能。通過(guò)比較圖5(a)和圖6(a),可以發(fā)現(xiàn)用戶1在EV未入網(wǎng)的34—37時(shí)段通過(guò)購(gòu)買其他用戶的電能減少了部分向電網(wǎng)購(gòu)買的電能。電網(wǎng)購(gòu)電成本從S3的19.626元下降到17.569元。圖6(b)和圖6(c)給出了用戶1的能源交易情況,ECESS和EV都通過(guò)放電帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)收益。在整個(gè)調(diào)度周期結(jié)束后,EV的SOC從S3的0.429變成0.326,用戶1當(dāng)天從能源交易中獲利8.515元,作為代價(jià),EV動(dòng)力電池的折舊費(fèi)從S3的8.383元增加到9.246元。S4用戶的總成本為45.932元,相比于S3下降了19.53%。 從表7可知,所有用戶S4的用電成本相對(duì)于S3都有所下降,表明S4能量云的儲(chǔ)能和EV協(xié)同調(diào)度策略的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。其中用戶1由于接入電網(wǎng)時(shí)刻EV的SOC較高,因此作為能源交易市場(chǎng)主要的賣方獲得了最大的經(jīng)濟(jì)受益。用戶2、3和5作為主要的購(gòu)買方,因購(gòu)買到能量云系統(tǒng)內(nèi)較為便宜的電能,總成本也獲得了不同程度的下降。

表7 所有用戶S4的電能交易成本

圖6 S4用戶1的調(diào)度結(jié)果

綜上所述,文中所提出的策略能有效降低用戶的用電成本,既避免了使用DES時(shí)遇到的一次投資過(guò)高、利用率低、容量不可調(diào)等問(wèn)題,又充分利用了EV中的閑置儲(chǔ)能資源。能量云的交易服務(wù)進(jìn)一步協(xié)調(diào)分配社區(qū)內(nèi)的能源,提高能源利用率的同時(shí)確保所有參與的用戶和運(yùn)營(yíng)商同時(shí)受益。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)文中以家庭微電網(wǎng)為背景,提出了EV和共享儲(chǔ)能協(xié)同運(yùn)作的電力調(diào)度體系。能量云運(yùn)營(yíng)商既是共享儲(chǔ)能設(shè)備的提供商,也是EV聚合參與電能調(diào)度的代理商。兩種儲(chǔ)能形式配合運(yùn)作,在不影響用戶出行需求的前提下能滿足用戶的儲(chǔ)能需求。

2) 案例研究表明,在4種場(chǎng)景中,S4用戶的用電成本最小,驗(yàn)證了該策略的經(jīng)濟(jì)性和適用性。能量云的交易服務(wù)使所有參與的用戶獲利,實(shí)現(xiàn)了能量的優(yōu)化配置。