計及電網峰谷運行的電動汽車充電服務費定價策略

辛苗苗 李永攀 張延遲 解 大

1.上海電機學院電氣學院；2.深圳供電局有限公司；3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院

1 引言

國民經濟發展的同時也帶動了我國汽車產業的發展。目前我國汽車保有量持續增長，且增長趨勢還將持續。傳統燃料汽車以汽油、柴油、天然氣、乙醇汽油等化石燃料作為動力源，不僅加劇了我國的化石燃料消耗量，而且資源利用率較低，存在嚴重的資源浪費情況。燃料燃燒后的排放物造成的污染問題也日益嚴重，在人口密集、汽車保有量高的城市，汽車尾氣污染在某種程度上已經超過了工業污染，城市空氣污染指數居高不下，霧霾天氣越來越多，范圍越來越廣，從某種程度而言，其中汽車尾氣的排放作出了一定的“貢獻”。

發展電動汽車（Electric Vehicle,EV）是節能減排、消納可再生能源、發展低碳經濟的重要手段[1,2]。電動汽車作為“零排放”的交通工具之一，在節能減排，緩解能源危機方面具有顯著優勢[3]。美國電力科學研究院（EPRI）對電動汽車的影響進行了一系列的研究，在節能減排方面，充電一次行駛60英里的電動汽車與傳統的燃料汽車相比，能夠減少二氧化碳排放50%，減少汽油消耗75%，電動汽車的節能減排效果與發電方式有關，傳統的燃煤發電會增加碳排放量，影響電動汽車的節能和減排效果[4,5]。

目前我國的電動汽車充電設施運營商一般由電網公司承擔，電動汽車充放電服務費的定價還沒有統一標準，一般都是運營商以回收成本獲取盈利為目的制定電動汽車充放電服務費的收費標準。為了盡量減少電動汽車并網充電對電網造成的影響，本文以峰谷運行為基礎，提出電動汽車充電服務費的定價策略，以此引導電動汽車用戶的充電行為，緩解其并網充電對電網的影響。

2 電動汽車發展現狀及其并網充電對電網的影響

2.1 電動汽車發展現狀

相比歐美等發達國家，我國電動汽車產業起步相對較晚，但在政府的政策支持和科技工作者的不懈努力下，經過十多年的不斷探索和努力，我國的電動汽車產業突飛猛進，取得了驕人的成績。為了促進電動汽車產業的迅速發展，國家啟動了一系列重點扶持措施和政策，涉及技術研發、購車補貼、稅收減免等方面，旨在加速推進我國電動汽車產業的發展。

在國家政策的強力推動下，我國電動汽車產業取得了不小的進步，電動汽車的產量和銷售量實現了巨大的飛躍。我國新能源汽車的產銷量從2011年的0.8萬輛到2017年的794 000輛、銷量777 000萬輛，完美的詮釋了我國電動汽車產業的飛速發展。圖1所示為2011～2017年我國新能源汽車產銷量圖，2011年我國新能源汽車產量僅8 000輛，占全國汽車產量比重不到千分之一，2017年我國新能源汽車產量達794 000輛，占全國汽車產量比重超過2.7%，新能源汽車的產銷量已連續三年位居世界第一，累計保有量達到1 800 000輛，占全球市場保有量50%以上，預計2018～2020年我國新能源汽車的產量將分別達到1 108 000輛、1 474 000輛和2 000 000輛。

圖1 2011～2017年我國新能源汽車產銷量圖

圖2 我國新能源汽車產量增長率

圖2為近幾年我國新能源汽車產量的增長率，并預測了未來三年我國新能源汽車產量的增長率。受國際原油價格暴跌的影響，2013年新能源汽車產量增長率僅為3.85%，但是隨后兩年我國新能源汽車產量迅猛增長，增長率一度高達300%以上，自2016年開始，我國新能源汽車產量逐漸趨于穩定，每年的增長率控制在30%～50%之間平穩發展，發展趨勢較為合理。

2.2 電動汽車并網充電對電網的影響

隨著電動汽車的不斷普及與推廣，電動汽車數量持續增長。由于電動汽車用戶充電具有隨機性，電動汽車并網充電對電網的影響也逐步顯現。電動汽車并網充電對電網的影響主要可以概括為對電源容量的影響、對負荷平衡的影響以及對電能質量的影響。

（1）對電源容量的影響

電動汽車大規模接入電網會使電網發電側電源容量面臨挑戰。由于電網的容量有限，大規模的電動汽車無序接入需要電網電源容量增加。為了盡量緩解電動汽車大規模接入電網充電對電網造成的影響，應該采取一定的措施引導電動汽車用戶錯峰充電，同時電網也要不斷完善電力系統配置，達到滿足電動汽車充電需求與電網穩定運行的良好局面，不斷探索電動汽車與電力系統協同發展的新方法。

（2）對負荷平衡的影響

電動汽車大規模接入電網會使電力負荷增大，增加了電力系統發、輸、配電的壓力，使電網面臨新的挑戰。隨著接入電網進行充電的電動汽車數量越來越多，電網負荷將持續增長，導致電力系統線電壓降低，低于目前的額定電壓，這種較大的負荷變化會對電力系統的發電、輸電、配電產生更高的要求，電力系統升級面臨巨大挑戰。此外電動汽車局部聚集性充電或者在電網負荷高峰時段集中充電都會使電網負荷嚴重失衡，影響電網的安全穩定運行。

（3）對電能質量的影響

電動汽車產業的迅速發展也推動了與之配套的電動汽車充電設施的發展，電動汽車充電樁內含有大量高度非線性的電力電子裝置，當充電樁對電動汽車進行充電時，直流電流在交流三相之間不停地換相時會產生諧波，從而對電網的電能質量產生影響，如功率損耗、電壓偏差、頻率波動、諧波污染等。

3 計及電網峰谷運行的電動汽車充電服務費

通過前文的分析研究可以看出電動汽車并網充電會給電網的安全穩定運行造成影響，因此電動汽車并入電網進行充電不僅需要繳納基本的電費，還需要繳納一部分服務費，這部分服務費通常包括充電樁建設費、電網改建費、電網網損費等。采取合理的充電電價是電網公司鼓勵電動汽車行業發展的必要手段，而制定合理的服務費可以引導電動汽車用戶的充電行為，減小電動汽車并網充電對電網的影響。

3.1 電網峰谷分時電價

在需求側響應機制下，電價是電網公司給用戶的一個信號[6]，用戶在電價的引導下，適當調節自身的用電行為。從圖3所示的電力供應鏈可以看出，電力系統的售電電價是電源側發電機組的上網電價和電力輸送過程中的輸配電價兩部分的總和。

圖3 電力供應鏈

根據需求響應理論，電價的變化會引起用戶用電量的變化。公式（1）為用戶用電量與電價的彈性關系式，即在一定時間段內，用電量的變化率與電價的變化率之比，又稱為電量電價彈性。

圖4 典型的用電量與價格曲線

根據電量電價彈性關系式和典型的用電量與價格曲線圖可以得出，電價的變化可以引導用戶用電量的變化，根據這一關系電網公司設計了峰、平、谷分段電價，由于用電負荷高峰時期，為了滿足用戶用電需求，電廠需要增加發電量，引起發電燃料費增加、設備損耗費增加，導致電價上升，此外，用電負荷高峰時期，電網供電量增加，會導致電網潮流增加，使網損增大，輸電成本增加也會導致負荷高峰時段電價上升。同理，用電負荷低谷時段發電成本和輸電成本都會降低，此時電價也會降低，基于上述分析，電網公司制定了峰、谷、平三個不同階段的電價。

3.2 基于峰谷分時電價的電動汽車充電服務費

對于電動汽車而言，如果沒有充電服務費價格的引導，電動汽車用戶會在行駛結束后安排電動汽車進行充電，一般情況下，用戶到達單位停車后或者下班回家后都將是電動汽車的充電高峰時段，而這些充電時段常常會與電網的用電負荷高峰時段重疊，進一步加劇電網負荷壓力，拉大電網負荷峰谷差，造成不必要的經濟損失。為了能夠通過服務費的波動變化引導電動汽車用戶避開用電負荷高峰時段充電行為，盡量選擇在用電負荷低谷時段充電，本文提出了一種基于計及電網峰谷運行的電動汽車充電服務費定價策略，具體的收費意向如表1所示。

圖5為深圳市某區域典型的日負荷曲線，根據曲線可以看出，電網負荷呈明顯的峰谷波動變化，基于負荷的這類峰谷波動，電網制定了相應的峰谷分時電價，同理根據負荷的這種峰谷變化也可以對電動汽車充電行為征收相應的服務費。

表1 基于峰谷分時電價的電動汽車充電服務費征收意向

圖5 典型的日負荷曲線

根據圖5所示的典型日負荷曲線，假設正常情況下日負荷曲線的斜率為且滿足，但當負荷驟變時會出現，如圖中22∶00至23∶00期間，負荷變化幅度較大，負荷曲線的斜率絕對值也相對較大，針對負荷的這一變化趨勢，提出計及電網峰谷運行的電動汽車充電服務費定價策略：

時：

4 仿真分析

為了驗證計及電網峰谷運行的電動汽車充電服務費定價策略對引導電動汽車用戶錯峰充電的作用，本文選取深圳市某區域的日負荷數據（不包含電動汽車充電日負荷數據）、電動汽車隨機充電日負荷數據、基于峰谷分時電價的電動汽車充電日負荷數據以及采用峰谷分時電價并征收計及電網峰谷運行的充電服務費的電動汽車充電日負荷數據進行對比分析。

其中該地區的日負荷數據如圖5所示，三種不同模式下電動汽車充電日負荷變化如圖6所示。從圖6可以看出，電動汽車隨機充電模式下，電動汽車接入電網充電負荷有名明顯的峰谷變化，其充電行為主要集中在下午和傍晚，其他時段充電負荷較小；峰谷分時電價下電動汽車充電負荷有所變化，充電負荷有一部分由下午移到了晚間，負荷趨勢更加平緩；征收計及電網峰谷運行的充電服務費后電動汽車充電負荷變化趨勢更加平緩，電動汽車用戶充電更傾向于低谷電價時段。

圖6 三種不同模式下電動汽車充電日負荷變化圖

為了更加清晰地展現電動汽車充電負荷變化對電網的影響，分別將三種模式下的電動汽車充電日負荷與該地區日負荷曲線疊加，觀察總負荷變化情況。圖7為電動汽車隨機接入電網日負荷曲線，圖8為峰谷分時電價下電動汽車接入電網日負荷曲線，圖9為征收峰谷分時服務費后電動汽車接入電網日負荷曲線，圖中紅色曲線為電動汽車充電日負荷曲線，黑色曲線為不包含電動汽車的日負荷曲線，藍色曲線為電動汽車負荷與其他負荷疊加后的總負荷曲線。

觀察圖7可以看出，電動汽車隨機接入電網負荷曲線有明顯的峰谷變化，且與電網其他負荷曲線峰谷時段有大范圍重疊，電動汽車充電負荷高峰時段在電網其他負荷高峰時段范圍內，用電高峰時段電網總負荷進一步增大，明顯拉大了電網負荷峰谷差，對電網的安全穩定運行帶來巨大的挑戰，不利于電網的安全穩定運行。

圖7 電動汽車隨機接入電網日負荷曲線

圖8 峰谷分時電價下電動汽車接入電網日負荷曲線

對比圖8和圖7中的電動汽車充電負荷曲線可以發現，在峰谷分時電價下電動汽車充電負荷曲線變得較為平緩，電動汽車充電負荷峰谷差縮小，電網負荷用電高峰時段電動汽車充電負荷的峰值降低，且整個峰值時段趨勢較為平緩穩定，用電高峰時段電網總負荷增大，但是增長趨勢與圖7相比較為平緩，且電網總負荷峰值較圖7總負荷峰值相對較小，負荷峰谷差也相對小一些，由此可以看出峰谷分時電價可以緩解電動汽車并網充電拉大電網總負荷峰谷差的行為，在促進電網安全穩定運行過程中起到一定的作用。

圖9 征收峰谷分時服務費后電動汽車接入電網日負荷曲線

圖9 為在峰谷分時電價基礎上額外征收計及電網峰谷運行的充電服務費后的日負荷曲線，從圖中可以看出，電動汽車充電負荷比圖7和圖8中的電動汽車充電負荷曲線更加平緩，充電負荷均勻分布在各個時間段，沒有明顯的峰谷變化，圖9中用電負荷高峰時段電網總負荷增長程度比圖7和圖8都要小，總負荷曲線的峰谷差也最小。可以看出在峰谷分時電價的基礎上再征收計及電網峰谷運行的服務費可以有效引導電動汽車用戶的充電行為，可以緩解電動汽車并網充電增加電網負荷壓力，拉大電網負荷峰谷差的情況。

圖10 三種不同模式下電網總負荷變化圖

圖10 為電動汽車三種不同充電模式下電網總負荷變化圖，從圖中可以看出電動汽車隨機充電模式下電網負荷峰谷變化最明顯，負荷峰值最大；采用峰谷分時電價后，電網總負荷峰值降低，谷值略微上升，電網負荷峰谷差縮小；征收計及電網峰谷運行的充電服務費后電網總負荷峰谷差進一步縮小，總負荷變化更加平緩。

5 總結

隨著電動汽車數量的不斷增長，電動汽車并網充電對電網造成的影響也逐步顯現，為了緩解電動汽車無序并網充電造成電網負荷峰谷差進一步加劇，影響電網的安全穩定運行，本文提出了計及電網峰谷運行的電動汽車充電服務費定價策略，通過對比電動汽車隨機充電模式、峰谷分時電價模式下以及征收計及電網峰谷運行的充電服務費三種不同模式下電動汽車充電負荷和電網總負荷變化趨勢得出以下結論：

（1）電動汽車隨機接入電網充電模式下電動汽車充電負荷峰谷變化趨勢與電網其他負荷峰谷變化趨勢接近，造成電網負荷峰谷差進一步加劇，影響電網安全穩定運行；

（2）峰谷分時電價模式下電動汽車充電負荷峰值有所緩解，電網總負荷峰谷差有所下降，峰谷分時電價對引導電動汽車用戶充電行為具有一定的作用；

（3）在電網峰谷分時電價的基礎上繼續征收計及電網峰谷運行的充電服務費可以進一步引導電動汽車用戶的充電行為，電動汽車充電負荷相對均勻地分布在電網負荷低谷時段，有效緩解了電網負荷峰谷差，進一步減小了因電動汽車并網充電對電網造成的影響。