基于電動汽車充電價格機制的配電網(wǎng)調(diào)峰方法

陳姝敏，張秀釗，李勁松

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設研究中心，昆明 650011；2.昆明供電局計量中心，昆明 650011）

0 前言

配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)聯(lián)系用戶的關鍵環(huán)節(jié)，事關用戶供電的安全可靠性和供電質(zhì)量，也是直接體現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化水平和環(huán)保效益的環(huán)節(jié)。大量電動汽車接入電網(wǎng)充電，將會帶來用電負荷的快速增長，增加配電網(wǎng)的投資與運行成本，也可能進一步加劇用電負荷峰谷差。與此同時，電動汽車的可控負荷和移動儲能特性使得其成為負荷側(cè)核心可調(diào)資源，這些資源的有效利用可為電網(wǎng)的建設與運行優(yōu)化提供強有力的支撐，從而促進電動汽車與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，伴隨電動汽車充放電技術(shù)的成熟發(fā)展，可以將電動汽車作為一種靈活的充電負荷及儲能裝置，為電力系統(tǒng)提供削峰平谷等服務，最大限度實現(xiàn)電力的平衡，逐步參與到電網(wǎng)調(diào)峰、備用、緊急電源供應等供電服務中來。

針對云南現(xiàn)有充電樁的負荷特性，分析電動汽車充電對改線路負荷特性的影響，給出系列基于電動汽車充電價格機制的配電網(wǎng)調(diào)峰方法。經(jīng)仿真驗證，該調(diào)峰方法切實有效地改善了大量電動汽車充電時的負荷特性，值得在充電樁實際運營中試用。

1 昆明現(xiàn)有充電負荷特性分析

從圖中負荷分析來看，公交車因為有特有的運營時間，一般在下午14:00至16:00之間充電。經(jīng)詢問得知，考慮到夜間充電需要花費額外的人工費用等，且充電費用占公交運營費用較少，因此，這個公交車場的充電時間主要是依據(jù)車輛使用和人員作息時間來安排的。

出租車和私家車的充電特性都相對離散，隨機性較強，特別是并未利用電網(wǎng)的低谷時段進行充電，導致充電負荷所在專有變負荷波動增大。

圖1 霖雨路公交車場5月平均充電負荷特性曲線

圖2 昆明中北交通旅游（集團）有限責任公司專有變（含出租車充電）2017年12月17日負荷曲線

圖3 昆明錦江大酒店專有變（含私家車充電）2017年12月17日負荷曲線

2 蒙特卡洛法模擬電動汽車充電特性

由上節(jié)分析可知公共服務用車具有固定用途、固定停放場所和固定行駛特性的特點，其充電需求也可看作是相對穩(wěn)定的集中負荷。而私人出行用車情況一般只受用戶的個人意志和電池容量的限制，這使得私人用車的充電需求具有很大的自由度和不確定性。

2.1 私人充電特性理論分析

電動汽車的充電特性主要是受充電功率、充電開始時間和充電持續(xù)時間的影響。因為沒有搜集到中國的汽車使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國汽車使用習慣統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以借鑒十多年前美國的使用習慣，因此本文用美國數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)2001年美國交通部（National Household Travel Survey, NHTS）對全美家用車輛的調(diào)查結(jié)果顯示電動汽車在常規(guī)充電方式下，其充電功率較小，充電時間較長，因此充電頻率不會很高，可以假設私人電動汽車在常規(guī)充電方式下一天內(nèi)只充一次電。而且在白天電動汽車常常用于出行，常規(guī)充電的時間又比較長，因此在研究時可以假設電動汽車用戶在一天內(nèi)最后一次返回停駐地即開始充電。

圖4 結(jié)束最后一次出行的時間概率

私人出行車輛用戶最后一次返回停駐地的時刻具有明顯的規(guī)律性。私人車輛返回停駐地的時間主要集中在14:00至22:00之間，并在17:00達到高峰。按照之前的假設，用戶最后一次返回停駐地即開始對電動汽車進行充電。為了得到電動汽車在任意時刻開始充電的概率分布情況，利用極大似然的估計方法對上述柱狀圖進行擬合，從而得到連續(xù)的電動汽車開始充電時間概率密度曲線。通過擬合方法可知，充電開始時刻的概率密度函數(shù)為：

其中，TSC表示充電開始時刻，結(jié)束最后一次出行的時間概率如圖4所示。

(2)擴大貸款范圍，建立誠信檔案，開發(fā)旅游金融產(chǎn)品。銀行要落實優(yōu)惠政策，加大優(yōu)惠力度，推進普惠金融，積極響應政府號召，建立專門的旅游業(yè)貸款途徑，提升金融服務水平。完善企業(yè)的信用檔案，加強誠信建設，對信用良好的貸款主體給予貸款額、期限等多方面的優(yōu)惠，銀行貸款的抵押擔保政策針對不同的企業(yè)可以適當浮動，以保證盡可能多的支持。積極開發(fā)旅游金融產(chǎn)品。開發(fā)旅游金融產(chǎn)品，推出如景區(qū)門票收益權(quán)質(zhì)押貸、景區(qū)股權(quán)質(zhì)押貸等特色產(chǎn)品，滿足不同客戶的金融需要。

電動汽車的充電持續(xù)時間與電動汽車電池的荷電狀態(tài)有直接的關系。按照上述的假設，用戶最后一次返回停駐地即開始充電，并且采用恒功率的充電方式，則電動汽車的持續(xù)充電時間與電動汽車的日行駛里程唯一相關。電動汽車的日行駛里程主要分布在30 km至100 km之間，超過260 km的很少。若電動汽車的百千米耗電量W是恒定的，且電動汽車的充電功率是一個定值，考慮充電機的充電效率，則電動汽車的持續(xù)充電時間可由公式(2)計算得出：

式中，Tc表示充電持續(xù)時間，Lev表示電動汽車電池容量區(qū)間水平，Pcm表示充電功率，kx表示充電系數(shù)，利用上式分析電動汽車用戶在無序充電狀態(tài)下的開始充電時刻和充電持續(xù)時間的概率分布特性，利用蒙特卡洛模擬法即可得到一天內(nèi)一輛電動汽車的充電期望值。

1）以概率密度函數(shù)fTsc(x)和fTc(x)為樣本，構(gòu)建兩個容量為N的數(shù)組Tsc和Tc，分別表示電動汽車開始充電時間和充電持續(xù)時間，并且使得數(shù)組中的N個數(shù)隨機排列。

2）構(gòu)建一個容量為24*N的二維數(shù)組T，記錄一天以內(nèi)24小時電動汽車的充電狀態(tài)。并判斷在tk時刻電動汽車j的充電狀態(tài)，如果處于充電狀態(tài)，則記tk(j)=1。

3）統(tǒng)計樣本中tk(j)=1的個數(shù)n，那么n/N表示電動汽車的充電概率，因此電動汽車在tk時刻充電的功率期望值為：

4）按照步驟3中提出的計算方法，計算一天內(nèi)24個時刻的電動汽車充電功率的期望值，得到單臺電動汽車一天內(nèi)的充電負荷。

得到電動汽車的充電負荷特性，也就得到了電動汽車充電樁的充電負荷特性。取樣本容量N=10000，重復操作100次求得平均值，得到電動汽車充電站一天內(nèi)的充電負荷期望值。

2.2 私人充電特性在昆明某區(qū)域的模擬

選定昆明某區(qū)域，利用上述方法進行分析，假設選定區(qū)域存在100輛車，有充電樁3個慢速充電樁和3個快速充電樁。再根據(jù)昆明市交通流量信息：昆明市中心城區(qū)交通時辰分布，全天呈現(xiàn)兩個高峰，機動車早高峰出現(xiàn)在8-9點，高峰系數(shù)為9.4%（高峰小時系數(shù)是指一日內(nèi)客流集中的某一個小時的流量占該處全日客流量的比重）；晚高峰出現(xiàn)在17-18點，高峰系數(shù)為9.2%，得到區(qū)域的充電需求熱點圖，如圖5。

圖5 區(qū)域內(nèi)充電需求熱點圖

圖6 電動汽車充電功率特性曲線

圖7 選取區(qū)域10 kV某線路負荷數(shù)據(jù)圖（該線路為一個全為電炊用戶的小區(qū)供電）

圖8 疊加電動汽車充電后負荷特性曲線

若對充電行為不加入任何干擾，用戶一般都會選擇在行車行為結(jié)束后，立刻進行充電，通過模擬分析，得到如圖6所示的負荷。

從上圖可以看出，由于沒有響應政策的引導機制，電動汽車充電行為相對散亂，導致整個區(qū)域充電負荷隨機波動較強，晚高峰時段形成的沖擊負荷也較多。由于電網(wǎng)沒有加以引導，用戶在完成行車后，立刻選擇充電，導致整個充電行為隨機性很強，進一步加大負荷波動特性，不利于“削峰填谷”效果的實現(xiàn)。

從圖8來看，電動汽車的充電負荷的波動特性明顯反映在綜合特性曲線中，并且在峰值時刻造成峰上加峰，此區(qū)域配電網(wǎng)峰負荷增加約12%，不利于區(qū)域電網(wǎng)的運行調(diào)度。

3 基于充電價格機制配電網(wǎng)調(diào)峰法

對于私人充電客戶來說，雖然現(xiàn)在電網(wǎng)運營企業(yè)普遍給出了豐、平、谷電價的優(yōu)惠政策。但是由于電動汽車車主的作息需要，不能按照電網(wǎng)預期在深夜出門充電。本文提出一種利用充電樁內(nèi)置裝置，搜集客戶充電需求及電網(wǎng)負荷特性，并根據(jù)需要自動充電的配網(wǎng)調(diào)峰方法，適用于電動車用戶自己停車位邊的充電樁，可以長時間占用，且充電電流較小的應用場景。該方法的優(yōu)勢在于，充電裝置積極搜集充電客戶的需求，且根據(jù)配電網(wǎng)負荷特性自動生成滿足客戶充電需求且花費最小的充電方案。該充電樁內(nèi)置算法控制充電樁盡量在充電費用低的時段充電，盡量避開充電費用高時段充電。且此控制裝置具備根據(jù)最優(yōu)充電方案使充電樁具備自動充電和斷開的功能。按照充電裝置的自動定時充電，既可以為客戶節(jié)省充電成本，也為配電網(wǎng)就地調(diào)峰提供了可能。具體如下：

由電網(wǎng)運營部門根據(jù)充電樁所在配電線路的負荷特性，確定用電高峰時段、平期時段和低谷時段，并給出不同時段的充電費用，寫入充電樁控制裝置；

由充電客戶連接好電動汽車和充電樁后，輸入待充電電動車的允許充電時段（什么時候可以充電，比如從當天17:00至第二天早上6:00均可充電）和大概的需要充電時長（例如5 h）；

充電樁內(nèi)置裝置，判斷允許充電時段滿足時間關系，根據(jù)需要充電時長及滿足時間關系的允許充電時段生成最優(yōu)定時充電方案，即滿足客戶需求的，最省錢充電方案。如上例，在當天24:00至次日凌晨5:00定時充電，為當條線路的負荷谷時期，充電價格最便宜，電網(wǎng)負荷也最輕，也能滿足客戶出行要求。

根據(jù)最優(yōu)充電方案、用電時段和預設價格方案生成預充電花費，顯示給充電客戶看，并由充電客戶確認充電。

按照上述步驟，假設選定區(qū)域內(nèi)的充電電價為峰谷時段電價，采用電價誘導方式再次模擬分析。考慮該區(qū)域按照峰谷電價進行充電引導，例如：電價策略按照充電價格調(diào)整為峰時(1.0044元/度)、平時(0.6950元/度)、谷時(0.3946元/度)三類，充電服務費收費標準為0.8元/度。

圖9 電價引導后的充電負荷特性曲線圖

由于充電樁內(nèi)部裝置可以實現(xiàn)知道當?shù)鼐€路的負荷特性，又能根據(jù)充電客戶需求自動安排電動汽車在可能的負荷谷時段、平時段進行充電，大大改善了配電線路的充電負荷特性，有利于配電網(wǎng)就地調(diào)峰。

圖10 電價引導前后的充電負荷特性曲線對比圖

可知在現(xiàn)階段電動汽車整體數(shù)量較少的前提下，配電網(wǎng)峰負荷增加較少（約6%），但是填谷效果很明顯。當電動汽車進一步發(fā)展后，基于電價引導策略的充電樁配電網(wǎng)調(diào)峰方法優(yōu)勢會進一步提升。

4 結(jié)束語

1）若不進行政策引導，模擬昆明某3×4 km區(qū)域內(nèi)大量電動汽車（100輛）充電時，配電網(wǎng)峰負荷可增加約12%。

2）根據(jù)充電樁內(nèi)置人機交互控制裝置。該裝置搜集客戶充電需求，并在滿足充電需求的情況下，控制充電樁自動充電（斷開），使充電盡量在樁所在的配電網(wǎng)線路負荷低谷（平期）時段，使客戶充電費用最低。

3）經(jīng)仿真計算，應用上述充電樁自動控制裝置，在較大區(qū)域內(nèi)仿真，可見在電動汽車數(shù)量為100輛的情況下，區(qū)域內(nèi)負荷高峰增長較少（約6%），但填谷效果明顯。

4）在電動汽車負荷高速增長的情況下，若充電服務費和電價政策不能支持調(diào)峰引導措施，為電網(wǎng)安全及投資效益考慮，可根據(jù)充電線路負荷特性，對充電負荷進行本地控制，同樣可以達到配電網(wǎng)調(diào)峰的效果。

綜上所述，電動汽車充電樁內(nèi)置負荷控制自動充電裝置能明顯的調(diào)整大量電動汽車充電負荷分布，起到一定的削峰填谷的作用，值得試點應用。