計及分布式電源時序性的電動汽車充電站運營管理研究

李智星，張 成，余明陽，查志勇，崔金棟，劉珊珊

（1.國網湖北省電力有限公司信息通信公司，湖北 武漢 430070；2.東北電力大學經濟管理學院，吉林 吉林 132012）

面對化石能源短缺、環境問題的日益凸顯[1]，我國提出“碳中和、碳達峰”目標，保持經濟增長的同時，持續削減不可再生資源的使用[2]。在推進雙碳目標達成的進程中，利用風、光等可再生資源為驅動力的分布式電源和使用電能代替化石燃料的電動汽車受到廣泛關注，成為當前電力行業研究的重點[3]。近年，分布式電源和電動汽車產業都迎來大規模爆發式增長，分布式電源已呈現裝機規模高速發展、并網比重大幅提升的發展格局。然而，分布式電源和電動汽車作為源、荷兩端接入配電網所產生的負荷波動對配電網運行穩定性和經濟性帶來負面影響；配電系統網絡結構薄弱，源、荷兩側的不平衡破壞電網功率平衡，拉大負荷峰谷差[4]。電動汽車充電負荷較為靈活，受電價波動影響，具有一定的彈性，若對其進行有效引導能夠輔助電網消納清潔能源，作為電動汽車充電負荷載體的充電站在其日常運營管理規劃中，不僅應當考慮電動汽車用戶基礎充電需求，還應將配電網負荷波動狀況以及分布式電源的發電出力能力等納入考量因素中進行多方面規劃。

1 電動汽車充電站規劃研究現狀

電動汽車的推廣與使用使得電動汽車充電負荷飛速增長，充電站作為負荷載體，合理的運營規劃有助于引導電動汽車用戶充電行為，降低大量充電負荷涌入對配電網造成的不利影響，因此，國內外專家學者對其規劃進行大量研究，以求發揮充電站的最大功效：為滿足電動汽車用戶充電需求，文獻[6-7]考慮充電站的公共服務屬性和基礎用電特征的基礎上，從多視角出發，建立充電站規劃模型使其能在充電設施網絡建設不完善的情形下，滿足電動汽車用戶的充電需求；文獻[8]僅考慮交通網的影響下，建立以用戶充電成功率最大為目標的充電站規劃模型；文獻[9]針對電動汽車充電站優化規劃未能綜合考慮充電站與用戶利益，提出更精準的充電站優化規劃模型與方法。考慮電動汽車用戶充電便捷程度，文獻[10]建立了電動汽車充電站需求分析模型，以環境因素、用戶行為、交通網拓結構等因素為約束，提出了考慮交通條件的充電站與配電網聯合規劃策略；文獻[11]對城市路網和配電網交互關系進行分析，提出考慮交通網的充電站規劃方法并通過博弈論驗證其合理性。為降低電網損耗和投資成本，文獻[12]提出一種考慮考慮路網結構、車流信息以及配電網運行穩定性的區域電動汽車充電站規劃模型，能夠降低用戶在充電路程中的損耗成本以及充電站線路投資成本。

針對充電站的規劃研究中，國內外專家大多僅考慮充電站自身定容選址的便利性、投資成本等，這對當前復雜的配電系統來說存在局限性。分布式電源與電動汽車入網使配電系統結構更加復雜，分布式電源以自然資源為發電源頭，其出力具有時序性和隨機性，電動汽車方面產生的大量負荷也對配電網造成較大的影響。充電站作為需求側負荷載體，可通過引導電動汽車用戶充電行為完成對分布式電源發電負荷的對沖，因此，本文首先對分布式電源時序性與電動汽車充電特性的關聯進行分析，構建計及分布式電源時序性的電動汽車充電站運營規劃模型，對電動汽車充電站運營管理系統進行設計以求實現雙方互動響應控制，促進清潔能源的消納，使電力系統源荷兩側更加平衡。

2 分布式電源發電時序性與電動汽車充電特性關聯分析

雙碳計劃下，分布式電源得到大力發展，然而高滲透率的分布式電源并網改變了配電系統中的潮流流向、電壓分布等，對配電網電壓穩定性和供電可靠性等也產生了不容忽視的影響，甚至產生“反調峰”現象的出現。分布式電源靠近需求側，其發電負荷與用電負荷能夠相抵消，然而分布式電源發電出力受光照、風力等環境因素影響呈現時序隨機性，由圖1、圖2的風力、光伏發電時序性曲線可以看出受季節和天氣變化，在某時間段會產生大量電能流入電網，在不同季節下均受到不同程度的影響，因此其負荷預測難度和空間分布程度都難以測算，這種情況不利于電力平衡管理。另外，現有配電網結構下電力控制水平、設備容量以及故障處理能力有限，依靠傳統配電網用戶側負荷對分布式電源進行消耗已經無法滿足，只有通過引進新型負荷對清潔能源進行消納，用戶側與供給側雙方進行深入互動，達到源、荷兩側平衡的目的。

圖1 風力發電出力時序性曲線

圖2 光伏發電出力時序性曲線

電動汽車充電負荷受多方面因素影響，如用戶用車習慣、電池容量、充電方式等，其負荷入網也具有時空特性，對配電網產生一定影響。一方面，電動汽車用戶無序充電行為會使配電網負荷出現“峰上加峰”現象；另一方面，作為可移動儲能對于電網功率波動具有靈活的雙向調控作用。對于分布式電源不確定的發電出力情況，電動汽車充電負荷所具有的靈活性可為其提供一定的消納空間。引導電動汽車用戶對分布式電源發電出力進行調控，其本質是通過價格變化調節用戶充電時間，使其在分布式電源發電峰值進行充電行為。充電站作為負荷載體，合理的運營規劃一方面能夠促進分布式能源消納，降低分布式能源出力時序性對配電系統的不利影響，另一方面能夠引導電動汽車用戶有序充電，降低配電網峰谷差，改善配電系統運行環境。

3 計及分布式電源時序性的電動汽車充電站運營管理模型

3.1 分布式電源發電出力數據實時采集預測機制構建

依靠可再生資源的分布式電源具有較強的隨機性，其發電情況與負荷曲線具有較強的波動性，風力發電出力大的時刻多出現在夜晚，此時用電負荷相對較少，光伏發電出力大的時刻一般在中午，與居民用電高峰期不重合，導致了分布式電源“反調峰”現象和消納困難的出現。分布式電源的消納和調峰能力緊密相連，在智能配電網背景下，對于可再生能源發展過快導致消納困難的情況，充電站運營方可將不同類型的電動汽車充電站進行資源整合，統一安排電動汽車負荷參與分布式電能消納。如圖3所示，分布式電源與充電站互動機制的首要任務是實現分布式電源的全采集，建立分布式電源發電出力數據庫，實時監控分布式電源及電動汽車充電站介入后的配電網運行情況。分布式電源發電相關數據采集方式有兩種：省調集中采集轉發荷地調采集逐級上傳，單一使用某種模式并不能實現全方面覆蓋的采集效果，為確保分布式電源數據采集的有效性，應將兩種采集模式交互使用。由于分布式電源具有時序性且受氣象影響較大，對于實時數據采集的同時也應當提高分布式電源出力預測精度，建設廣泛覆蓋、布局合理的氣象資源監測終端，根據實時可信的氣象監測數據，加強網格化天氣預報應用，從而有效提高分布式電源功率預測、負荷預測以及實時發電出力估算精度。

圖3 分布式電源出力數據實時采集預測系統

3.2 構建分布式電源-電動汽車充電站互動模型

在對分布式電源發電出力進行實時監控的基礎上，構建分布式電源-電動汽車互動系統，通過電動汽車的靈活充電達到對清潔能源的消納。具有節能減排和環境保護特性的電動汽車作為需求側資源接入電網后，能夠通過互動響應系統參與配電網調頻、調峰，電動汽車充電站作為電動汽車進行能源補給的主要場所，能夠將作為供電側的分布式電源發電出力和需求側的電動汽車用戶進行資源整合。通過對二者運營系統的交互整合，能夠有效較低分布式電源發電不確定性給配電網造成的反調峰作用，并最大限度的發揮電動汽車的靈活調控作用。

分布式電源-電動汽車充電站互動系統如圖4所示，以電網公共服務平臺為基礎，實時收集、更新電網系統中的負荷信息，從而計算電動汽車充電站所需要消耗的可再生能源大小。分布式電源側包含各類型發電系統和儲能系統，充電站則通過需求響應等方式進行負荷調控，對不同充電方式的電動汽車進行整合，根據分布式電源發電處理的時序性進行充電引導，緩解由于出力的隨機波動性對配電系統造成的不利影響。在互動系統的作用下，電動汽車用戶集群和分布式電源作為控制對象進行協調配合，避免“反調峰”現象和清潔能源消納困難的出現，維護配電網安全穩定運行。

圖4 分布式電源-電動汽車充電站互動系統

3.3 計及分布式電源時序性的充電站運營模式構建

電動汽車產業不斷發展導致電動汽車充電負荷不斷增大，大量充電負荷入網導致配電網負荷峰谷差進一步擴大，加重配電系統的調峰難度的同時也加速配電設備老化速度。電動汽車充電負荷入網的同時也給電網帶來了多樣性，隨著科技的發展，傳統的電網轉變為主動配電網，電網中“源”“網”“荷”之間互動更加頻繁，電動汽車用戶對充電電價的需求響應在促進清潔能源消納方面具有顯著優勢，作為負荷載體的電動汽車充電站可以對其運營方式進行規劃，將分布式電源發電出力作為考量因素，引導電動汽車用戶參與分布式電源消納，促進“源、荷”兩側問題的解決，達到互利共贏的效果。

考慮分布式電源的電動汽車充電站站運營規劃模型，從本質上將是通過電價信號或激勵機制實現的用電負荷的轉移，以用戶管理為核心進行充電引導。電動汽車充電站通過自身數據平臺對配電網信息、分布式電源發電信息和儲能信息進行監控和管理，調節站內車能設備的充放電時間，協調雙方的供銷能力。在用戶側，通過制定實時電價引導用戶在電價低時進行充電，同時最大限度的使用分布式電源發電，實現儲能使用最大化，最大限度的消納分布式電源發電量，減少棄光、棄風量，降低其對電網的沖擊。

4 計及分布式電源時序性的充電站運營管理模型應用及效果分析

4.1 電動汽車充電站運營管理模型應用場景

充電站將配電網負荷波動、分布式電源發電情況以及電動汽車充電負荷作為調控基礎，將傳統的“源隨荷動”轉換為“源荷互動”，充分利用分布式電源發電出力時序性以及電動汽車充電靈活性，對配電網進行負荷調節，增強配電網供電可靠性。模型以物聯網技術為基礎，將供給側、電網側、需求側的各類資源進行整合，納入運營規劃范圍內進行協同優化，可應用于私家車充電站、出租車充電站、公交汽車換電站等。當平臺檢測到分布式電源負荷入網導致配電網負荷大幅增長時，將調節充電站充電電價并將電價反饋給電動汽車用戶，引導電動汽車用戶進行充電；再通過電動汽車用戶的需求響應程度調節電價以求更好地消納分布式電源。本模型的應用能夠實現分布式電源與充電站數據的雙向動態互動、高可靠性的資源協調，安全可靠的參與電網調峰、調頻。

4.2 電動汽車充電站運營管理模型平臺設計

在充電站后臺輸入賬戶和密碼登入充電站運營管理系統后臺，未授權人員無權限瀏覽有關信息，平臺首頁總覽分布式電源、充電站數據，包括分布式電源能量管理、站點管理、訂單管理、數據報表、設備監控等。為有效消納分布式電源發電，避免分布式電源入網造成“反調峰”現象，分布式電源能量管理是將所在區域內電網范圍的全部分布式電源進行數據收集與處理，對系統內各個單元能量按照就近最優的方式進行分配，實現設備監控、能量統計分析、發電能力預測等。站點管理是運營系統的核心，全覆蓋站內充電樁計量、狀態以及故障信息，并進行預警及信息保存。數據報表包括充電站用戶開戶數，充電報價表，電費結算表、服務結算表和峰平谷結算表，對分布式電源發電出力進行預測，在需要進行消納的時間段調整充電站充電價格，給予電動汽車用戶優惠，有關電價的報表每日通過小程序對充電用戶進行反饋，引導電動汽車用戶進行充電。設備監控則是對充電站內充電樁、充電槍等使用情況、故障狀態等進行記錄，及時進行負荷限制、故障查詢等。

4.3 電動汽車充電站運營管理模型應用效果分析

為驗證電動汽車充電站運營管理模型對配電網負荷調節以及分布式電源消納的效果，研究選取分布式電源裝機數量較大的陜西市某配電區域進行試點應用。所選取的配電區域內含有為分布式光伏電源機組，以天為調度周期，監測充電站調控前后配電網負荷變化。通常，電動汽車用戶會選擇下班后的空閑時間對車輛進行充電，因此在17:00—20:00前后配電網充電負荷達到最大，而在充電站的引導下，電動汽車用戶能夠進行有序充電行為從而降低對區域電網的負荷沖擊，而且在分布式電源發電出力較大的10:00—14:00，電動汽車消納了更多的可再生能源。如圖5、圖6所示，在充電站運營管理模型的調控下，電網負荷差更小，分布式電源消納明顯提高，綜上所述，計及分布式電源發電時序性的電動汽車充電站運營管理模型能夠有效引導電動汽車有序充電，降低配電網峰谷負荷差，輔助電網消納更多清潔能源，達到供給側與需求側的雙贏。

圖5 配電網負荷變化曲線

圖6 分布式電源消納功率曲線

5 結束語

首先對分布式電源發電出力時序性以及對配電網的影響進行分析，考慮可再生能源發電出力入網造成配電網負荷波動問題，對分布式電源與電動汽車充電站互動機制進行構建，最后設計出計及分布式電源出力時序性的電動汽車充電站運營管理系統。通過對分布式電源發電出力數據的實時采集與處理，電動汽車充電站根據分布式電源發電能力進行充電電價制定，并向用戶進行價格反饋，通過需求響應機制引導用戶有序充電達到對分布式電源的消納，同時平衡配電網源、荷兩側負荷差，維護配電系統安全。然而分布式電源仍存在一定量的棄風、棄光等情況，未來將針對減少棄風、棄光量進一步深入研究。