網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車有序充電策略

崔金棟，劉珊珊

（東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

近年我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)在節(jié)能減排政策的大力扶持下呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)，在相關(guān)技術(shù)及配套設(shè)施的快速提升下，電動(dòng)汽車普及速度逐漸提高[1]。但是大規(guī)模電動(dòng)汽車無(wú)序充電所產(chǎn)生的負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大地沖擊，加劇配電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，增大了電網(wǎng)側(cè)的控制難度[2]。電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有時(shí)間和空間上的特性，且具有高度隨機(jī)性，如果通過(guò)調(diào)整電價(jià)來(lái)引導(dǎo)車主充電行為，就可以實(shí)現(xiàn)逆向能源控制，有效提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性。本文利用電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空特性，闡明網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)與電動(dòng)汽車車主的需求響應(yīng)行為之間的關(guān)系，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格內(nèi)電動(dòng)汽車充電電價(jià)來(lái)引導(dǎo)車主充電行為，減少無(wú)序充電帶來(lái)的負(fù)面影響，提高供需兩側(cè)的經(jīng)濟(jì)性，最終實(shí)現(xiàn)雙贏。

1 電動(dòng)汽車有序充電方法研究現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車規(guī)模性增長(zhǎng)使其所帶來(lái)的充電負(fù)荷隨之攀升，充電負(fù)荷的無(wú)序入網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不容忽視的影響[4-5]。國(guó)內(nèi)外大量研究表明電動(dòng)汽車的有序充電控制由電網(wǎng)、充電聚合商以及車主共同決定，電價(jià)作為調(diào)控手段穿插其中[6-7]。我國(guó)電動(dòng)汽車充電執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)政策，該政策的施行使電動(dòng)汽車無(wú)序充電行為過(guò)渡到有序充電，而電價(jià)制定的利益主體也在不斷變化。第一類為以電動(dòng)汽車車主為利益主體的有序充電方法。作為電價(jià)受眾的需求側(cè)，其充電行為受個(gè)人意愿操控，因此須要通過(guò)調(diào)整電價(jià)，刺激車主針對(duì)電價(jià)變動(dòng)做出充電行為的調(diào)整[8]。文獻(xiàn)[9]在分析電動(dòng)汽車車主充電成本以及對(duì)充電電價(jià)響應(yīng)度的基礎(chǔ)上，制定了電動(dòng)汽車充放電電價(jià)上下限引導(dǎo)車主充電行為，實(shí)現(xiàn)有序充電[9]。文獻(xiàn)[10]結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，分析了在電動(dòng)汽車規(guī)模一定的情況下不同激勵(lì)陡度對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響，提出以負(fù)荷波動(dòng)最小和車主經(jīng)濟(jì)性最大為目標(biāo)的有序充電控制策略[10]。第二類為以電網(wǎng)為利益主體的有序充電方法，該類方法將電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行作為關(guān)鍵[11]。文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度案例進(jìn)行分析得出，電動(dòng)汽車有序充電行為對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益、效率以及安全性的提高有顯著效果[12]。文獻(xiàn)[13]在綜合考慮電動(dòng)汽車充電以及可中斷負(fù)荷的基礎(chǔ)上，提出雙階段優(yōu)化方法，仿真結(jié)果表明該方法有效提升配電網(wǎng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性[13]。第三類則是將電力市場(chǎng)作為主體，深入研究電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)（V2G），使電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的聯(lián)系更加密切。電動(dòng)汽車作為獨(dú)立儲(chǔ)能工具，可以根據(jù)電力市場(chǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)波動(dòng)將富余電力出售進(jìn)電力市場(chǎng)，“低買高賣”獲取收益[14-15]。文獻(xiàn)[16]建立基于區(qū)塊鏈的充電圈交易機(jī)制與模型，通過(guò)雙向拍賣市場(chǎng)和P2P 市場(chǎng)交易，使電動(dòng)汽車充電站獲得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益[16]。文獻(xiàn)[17]利用迭代法將電池?fù)p耗成本和充電站充放電規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，仿真驗(yàn)證了在電力市場(chǎng)調(diào)控下，V2G技術(shù)引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充電的優(yōu)越性[17]。

本文以配電網(wǎng)、充電聚合商和電動(dòng)汽車車主整體利益最優(yōu)為出發(fā)點(diǎn)，將配電網(wǎng)網(wǎng)格化理念、分時(shí)電價(jià)機(jī)制與電動(dòng)汽車有序充電方法結(jié)合，構(gòu)建網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車有序充電模型，通過(guò)案例仿真驗(yàn)證其有效性。

2 網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)與電動(dòng)汽車需求響應(yīng)行為

分時(shí)電價(jià)機(jī)制可以引導(dǎo)電力用戶根據(jù)電價(jià)波動(dòng)自主調(diào)節(jié)充電行為，實(shí)現(xiàn)高峰期減少用電量、低谷期增加用電量。然而，將城市配電網(wǎng)視為整體來(lái)采用分時(shí)電價(jià)機(jī)制調(diào)控居民用電行為的方法忽略了各用電區(qū)域的空間意義，無(wú)法有效引導(dǎo)車主成電行為。配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃網(wǎng)是對(duì)配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、線路等分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格化分割，將網(wǎng)格作為供電單位，各網(wǎng)格內(nèi)自治自控。將配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃與分時(shí)電價(jià)融合應(yīng)用，能夠兼顧供需雙方利益，用網(wǎng)格化的形式將車主的需求以及電網(wǎng)的實(shí)際情況相結(jié)合，針對(duì)不同區(qū)域內(nèi)所屬車主以及負(fù)荷情況制定相應(yīng)的分時(shí)電價(jià)，即網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)。

電動(dòng)汽車作為可移動(dòng)儲(chǔ)能單位，其充電具有靈活性，且與車主自身充電意愿有關(guān)，可用價(jià)格彈性法描述電動(dòng)汽車車主對(duì)充電電價(jià)變化的需求響應(yīng)行為。網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)的制定以本網(wǎng)格內(nèi)負(fù)荷情況為基準(zhǔn)制定，由于各網(wǎng)格負(fù)荷密度、用電性質(zhì)、所屬功能區(qū)域不同，網(wǎng)格區(qū)域分時(shí)電價(jià)價(jià)格不同，電動(dòng)汽車用戶受所在網(wǎng)格區(qū)域電價(jià)變化的影響，網(wǎng)格負(fù)荷越高，網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)越高，車主對(duì)電價(jià)響應(yīng)度越低；反之網(wǎng)格負(fù)荷越低，網(wǎng)格內(nèi)電價(jià)低，車主對(duì)電價(jià)響應(yīng)度越高。電價(jià)變化帶來(lái)的影響如式1所示：

將相鄰網(wǎng)格僅彈性系數(shù)進(jìn)行換算：

電動(dòng)汽車單個(gè)出行隨機(jī)性較強(qiáng)，然而電動(dòng)汽車集體出行的開始與結(jié)束時(shí)間服從正太分布，其概率密度函數(shù)如式（3）所示：

式中：ta為起始充電時(shí)刻；μ1和σt分別為正態(tài)分布函數(shù)的期望值和標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)車主駕駛車輛行為不同選取不同的數(shù)值。

3 基于網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車有序充電模型

3.1 計(jì)及電動(dòng)汽車負(fù)荷分布的網(wǎng)格劃分

傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃以主網(wǎng)建設(shè)為主，導(dǎo)致配電網(wǎng)規(guī)劃受到限制、城區(qū)配電網(wǎng)建設(shè)不均衡以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)混亂等問(wèn)題，網(wǎng)格化規(guī)劃理念的應(yīng)用提高了配電網(wǎng)規(guī)劃的精細(xì)程度，將電力設(shè)施規(guī)模、數(shù)量、分布等納入規(guī)劃中進(jìn)行網(wǎng)格化配送，大幅提高配電網(wǎng)規(guī)劃對(duì)區(qū)域負(fù)荷的適應(yīng)性。隨著電動(dòng)汽車的普及，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的潮流流向、電壓分布以及峰谷負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生不容忽視的負(fù)面影響，然而，智能電器的廣泛應(yīng)用使居民對(duì)供電質(zhì)量提出更高的要求，迫使配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃難以消化大規(guī)模電動(dòng)汽車無(wú)序充電的充電負(fù)荷，因此，須要在規(guī)劃過(guò)程考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空特性。計(jì)及電動(dòng)汽車負(fù)荷分布的配電網(wǎng)網(wǎng)格化劃分首先應(yīng)當(dāng)明確配電網(wǎng)各供電子區(qū)域用電性質(zhì)、負(fù)荷特征等，在此基礎(chǔ)上將整體配電網(wǎng)細(xì)化為供電網(wǎng)格。對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格化劃分的基礎(chǔ)使明確電網(wǎng)各供電子區(qū)域，結(jié)合配電網(wǎng)現(xiàn)狀、用電性質(zhì)以及使用像指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估與制定，進(jìn)而制定有針對(duì)性的規(guī)劃方案。

計(jì)及電動(dòng)汽車負(fù)荷分布的網(wǎng)格化規(guī)劃方案是按照用地性質(zhì)、網(wǎng)線架構(gòu)、設(shè)施分布等將配電網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)劃分，用地性質(zhì)分類如表1 所示。由于電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有時(shí)空特性，因此在實(shí)際劃分過(guò)程中，應(yīng)從用戶和整體雙層面出發(fā)，依照相鄰網(wǎng)格供電區(qū)域等級(jí)相同、電源點(diǎn)充足、獨(dú)立供電的原則，將整體電網(wǎng)劃分為供電網(wǎng)格。依據(jù)用地分類表以及供電區(qū)域用電需求預(yù)測(cè)構(gòu)建初步的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上對(duì)框架中各區(qū)域的電動(dòng)汽車負(fù)荷分布進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，統(tǒng)計(jì)供電區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車充電設(shè)施總量及供需平衡度，調(diào)整供電網(wǎng)格規(guī)劃方案，使個(gè)網(wǎng)格內(nèi)能夠有效容納本網(wǎng)格電動(dòng)汽車用戶充電需求，并預(yù)留出余量以應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車保有量增長(zhǎng)所帶來(lái)的充電需求增長(zhǎng)。在劃分過(guò)程中遵循接線清晰、就近供電、電力統(tǒng)籌有序和大小有度的原則進(jìn)行網(wǎng)格化劃分。

表1 用地性質(zhì)分類表

3.2 基于網(wǎng)格化的用電負(fù)荷預(yù)測(cè)

負(fù)荷預(yù)測(cè)是配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果直接影響到配網(wǎng)規(guī)劃的質(zhì)量與效果，也對(duì)后續(xù)引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充電的電價(jià)制定起至關(guān)重要的作用。網(wǎng)格化負(fù)荷預(yù)測(cè)是將配電網(wǎng)在功能分區(qū)的基礎(chǔ)上對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合城市各類用地特征、資源條件以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及網(wǎng)格內(nèi)電動(dòng)汽車用電情況推算用電負(fù)荷，采用負(fù)荷密度法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，最終預(yù)測(cè)出城市整體以及網(wǎng)格負(fù)荷預(yù)測(cè)值，負(fù)荷密度法預(yù)測(cè)流程如圖1所示。

圖1 負(fù)荷密度法流程圖

在供電網(wǎng)格負(fù)荷預(yù)測(cè)過(guò)程中，首要確定規(guī)劃區(qū)域的負(fù)荷分布，保證所用數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，并通過(guò)地塊面積、負(fù)荷密度以及容積率等計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)各單元預(yù)測(cè)結(jié)果，再基于供電單元的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，考慮供電單元用電同時(shí)率下得到所求網(wǎng)格的負(fù)荷預(yù)測(cè)值，計(jì)算過(guò)程如下。

3.2.1 供電單元負(fù)荷預(yù)測(cè)

式中：PDY為供電單元負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果；m為單元土地使用類的數(shù)量；Wi為第i類需用系數(shù)；Si為i類建筑面積；Di為i類建筑面積負(fù)荷指標(biāo)。

3.2.2 供電網(wǎng)格負(fù)荷預(yù)測(cè)

式中：PWG為供電網(wǎng)格負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果；m為供電網(wǎng)格內(nèi)單元的個(gè)數(shù)；PDYi為i個(gè)單元的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果；W為供電單元間同時(shí)率系數(shù)。

供電網(wǎng)格負(fù)荷預(yù)測(cè)值可通過(guò)網(wǎng)格所存在的供電單元的負(fù)荷預(yù)測(cè)值得求和得出，同時(shí)還須確定供電單元間的用電同時(shí)率。供電單元件的負(fù)荷同時(shí)率為單元內(nèi)最大負(fù)荷與網(wǎng)格內(nèi)各單元負(fù)荷之和的比值。則供電單元間同時(shí)率系數(shù)計(jì)算公式如（6）所示：

式中：PA為不考慮同時(shí)率情況下網(wǎng)格A的負(fù)荷；PAi為不考慮同時(shí)率情況下供電單元Ai的負(fù)荷；為單元Ai在考慮同時(shí)率后的負(fù)荷；tA為網(wǎng)格A的同時(shí)率；tAi為供電單元Ai的同時(shí)率。

3.3 電動(dòng)汽車分時(shí)電價(jià)制定及優(yōu)化策略

在網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)的調(diào)控下，電動(dòng)汽車車主對(duì)電價(jià)的響應(yīng)，不僅與所在網(wǎng)格的分時(shí)電價(jià)有關(guān)，還受到相鄰網(wǎng)格的分時(shí)電價(jià)影響。當(dāng)電動(dòng)汽車用戶產(chǎn)生充電需求時(shí)，車主通過(guò)智能交互界面上傳充電需求信息，包括電動(dòng)汽車荷電狀態(tài)、停泊位置、電池容量以及理想充電方式等，中央管控中心接收后，根據(jù)電動(dòng)汽車用戶充電需求信息及鄰近網(wǎng)格負(fù)荷情況進(jìn)行分析，通過(guò)綜合分析系統(tǒng)將各網(wǎng)格電價(jià)，前往鄰近網(wǎng)格充電的時(shí)移成本、交通網(wǎng)路況、充電費(fèi)用和到站時(shí)車輛荷電狀態(tài)上傳至中央管控中心，將綜合分析系統(tǒng)所計(jì)算出的最終充電選擇（包括無(wú)序充電方式）向下反饋直至電動(dòng)汽車用戶，用戶從自身荷電情況以及經(jīng)濟(jì)考量在所給出的充電方案中選擇出最符合自身需求的充電方案。當(dāng)前往相鄰網(wǎng)格進(jìn)行充電的經(jīng)濟(jì)效益大于在所在網(wǎng)格充電的經(jīng)濟(jì)效益，車主會(huì)優(yōu)先選擇經(jīng)濟(jì)效益更大的充電方案。本文所提出的有序充電模型以網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)為基礎(chǔ)，為電動(dòng)汽車用戶提供優(yōu)化后的多重選擇，可以有效優(yōu)化配電網(wǎng)、充電聚合商和電動(dòng)汽車車主的利益。將電動(dòng)汽車充電負(fù)荷分散到各個(gè)供電網(wǎng)格，通過(guò)優(yōu)化供電網(wǎng)格的負(fù)荷波動(dòng)，進(jìn)而緩解整個(gè)配電網(wǎng)受到電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的沖擊，提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車有序充電優(yōu)化策略

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)電動(dòng)汽車分時(shí)電價(jià)定價(jià)的問(wèn)題進(jìn)行建模，利用經(jīng)濟(jì)技術(shù)手段同時(shí)考慮車主與電力公司兩側(cè)的經(jīng)濟(jì)性，另外兼顧電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，網(wǎng)格化分時(shí)電價(jià)模型問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)主要包括兩個(gè)。

車主充電成本最小：電動(dòng)汽車車主對(duì)于網(wǎng)格區(qū)域電動(dòng)汽車分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)基于其充電成本的降低，在滿足其降低經(jīng)濟(jì)成本的目的情況下，車主對(duì)電價(jià)的響應(yīng)度最大。

式中：pjt為網(wǎng)格j中t時(shí)刻的充電電價(jià)；Pc為電動(dòng)汽車平均充電負(fù)荷；Ntj為網(wǎng)格j中t時(shí)刻的電動(dòng)汽車充電數(shù)量；Δt表示電動(dòng)汽車充電時(shí)長(zhǎng)，T取24 h；j為網(wǎng)格數(shù)，取j= 1,2,3…m。

電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)最小：電動(dòng)汽車有序充電策略最終目的是通過(guò)車主充電行為的調(diào)整，使電網(wǎng)所承受的不良影響最小。利用電價(jià)引導(dǎo)車主有序充電，使電動(dòng)汽車負(fù)荷成為可控負(fù)荷參與調(diào)峰，防止出現(xiàn)聚集性充電情況的出現(xiàn)，同時(shí)由于負(fù)荷的可控性與平穩(wěn)性，可以減少備用電量以節(jié)約資源。因此，本文將電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)最小作為電網(wǎng)側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)：

式中：Lmax與Lmin分別為電網(wǎng)峰值負(fù)荷和谷值負(fù)荷。t時(shí)刻的電網(wǎng)負(fù)荷可由（9）和（10）進(jìn)行表示：

式中：Ptj和Djt分別為網(wǎng)格j內(nèi)時(shí)刻t的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷和基礎(chǔ)用電負(fù)荷。為簡(jiǎn)化求解過(guò)程，使用量綱歸一法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解最優(yōu)解：

式中：F為總體目標(biāo)函數(shù)；f10和f20分別為消除車主充電費(fèi)用和電網(wǎng)負(fù)荷差的基數(shù)；μ1和μ2分別為電動(dòng)汽車車主充電費(fèi)用和峰谷負(fù)荷差的權(quán)系數(shù)，因車主意愿和電網(wǎng)穩(wěn)定同樣重要，所以μ1和μ2在本文中取0.5。

3.3.2 約束條件

網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)價(jià)格范圍約束：網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行范圍約束，因?yàn)楫?dāng)電價(jià)低于發(fā)電成本時(shí)，電力公司則不可能獲利，制定電價(jià)時(shí)應(yīng)保證一個(gè)最低的價(jià)格，保證電力公司獲利；而當(dāng)電價(jià)過(guò)高時(shí)，超出車主所能接受的合理范圍，會(huì)導(dǎo)致車主出現(xiàn)厭煩心理，因此制定電價(jià)時(shí)不能超過(guò)這個(gè)最大價(jià)格。

設(shè)ρf、ρp、ρg分別為分時(shí)電價(jià)策略實(shí)施后的電網(wǎng)負(fù)荷波峰、波平、波谷的電價(jià)，其中電價(jià)應(yīng)滿足最小電價(jià)為波谷時(shí)電價(jià)，最大電價(jià)為波峰電價(jià)。ρt為任意時(shí)刻t的電價(jià)，應(yīng)滿足以下范圍約束：

式中：ρtmin為波谷時(shí)電動(dòng)汽車電價(jià)即能達(dá)到的最小電價(jià)；ρtmax為波峰時(shí)電動(dòng)汽車電價(jià)所能達(dá)到的最大電價(jià)，取供給側(cè)可接受的最小電價(jià)和最大電價(jià)。為使電動(dòng)汽車充電電價(jià)分布區(qū)間均勻，因而對(duì)其進(jìn)行約束：

電力公司獲利約束，設(shè)F1，F(xiàn)2分別為實(shí)施分時(shí)電價(jià)前后電力公司收取的充電費(fèi)用總額，設(shè)S為政府對(duì)電力公司的電動(dòng)車充電電價(jià)的補(bǔ)貼。分時(shí)電價(jià)制定后，電力公司獲利應(yīng)至少保持不變或增加，即：

其中，變量滿足如下關(guān)系：

式中：S為政府福利補(bǔ)貼，由所在地區(qū)政府充電激勵(lì)政策制定，與總充電量有關(guān)；G為充電每kWh政府補(bǔ)貼金；Lt為時(shí)刻t該網(wǎng)格內(nèi)電動(dòng)汽車的總負(fù)荷大小；T取24 h。

車主需求響應(yīng)觸發(fā)約束，分時(shí)電價(jià)的制定應(yīng)滿足車主的需求，車主需求可以從車主參與需求響應(yīng)的程度反映出來(lái)，當(dāng)網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)峰谷差較為明顯，達(dá)到一定閾值時(shí)，車主才能主動(dòng)參與到需求響應(yīng)中來(lái)，為觸發(fā)需求響應(yīng)行為閾值須滿足：

4 算例分析

基于上述網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)下的電動(dòng)汽車有序充電策略，本部分將設(shè)計(jì)算例來(lái)驗(yàn)證本文模型的優(yōu)勢(shì)及有效性。以圖1 中某典型城區(qū)路網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，該城區(qū)共有33個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，55 條道路及23個(gè)網(wǎng)格，其中共有由表1所示的7個(gè)不同的功能區(qū)。汽車總量設(shè)置為300輛，EV滲透率設(shè)置為60%，電池容量設(shè)置為24 kWh，充電模式設(shè)置為快充與慢充兩種模式，其中快充功率為12 kW，慢充功率為7 kW，初始SOC為0.1～0.3，服從均勻分布，如圖3所示。

圖3 某典型城區(qū)網(wǎng)格路網(wǎng)拓?fù)鋱D

4.2 網(wǎng)格區(qū)域用電負(fù)荷預(yù)測(cè)

4.2.1 車主出行空間分析

所選網(wǎng)格區(qū)域的空間用電負(fù)荷主要受到車主出行空間特性的影響，根據(jù)本文內(nèi)的功能分區(qū)，其對(duì)應(yīng)的車主出行特性如表2 所示，則對(duì)各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的EV數(shù)量如圖4所示。

圖4 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的空間分布

表2 區(qū)域內(nèi)車主的空間出行特性

4.2.2 車主出行時(shí)間分析

所選網(wǎng)格的時(shí)間用電負(fù)荷主要受到車主出行時(shí)間特性的影響，單個(gè)電動(dòng)汽車的出行時(shí)間特性隨機(jī)性較強(qiáng)，但是大量電動(dòng)汽車的出行時(shí)間特性則負(fù)荷正態(tài)分布，因此車主出行的時(shí)間用電負(fù)荷如圖5所示。

圖5 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)間分布

4.2.3 用電負(fù)荷預(yù)測(cè)

在獲得了區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車的時(shí)間負(fù)荷特性及空間負(fù)荷特性后，即可獲得網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)某一天內(nèi)各節(jié)點(diǎn)每小時(shí)的電動(dòng)汽車分布情況如圖6 所示，各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)情況如圖7 所示，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷與電力基本負(fù)荷疊加后的負(fù)荷曲線如圖8所示。

圖6 網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)用電車輛預(yù)測(cè)情況

圖7 各網(wǎng)格用電負(fù)荷預(yù)測(cè)情況

圖8 疊加后的負(fù)荷曲線

4.3 算例結(jié)果與分析

為了更好地體現(xiàn)本文所提有序充電策略的有效性及優(yōu)勢(shì)，本節(jié)設(shè)置了4 種不同的場(chǎng)景進(jìn)行分析，場(chǎng)景設(shè)置如下（最低充點(diǎn)電價(jià)不得低于發(fā)電邊際成本電價(jià)0.25元/kWh，最高電價(jià)不得高于2元/kWh）。

情景1：無(wú)序充電，此情景下電價(jià)為固定電價(jià)，為1 元/kWh。情景2：有序充電策略，此情景下電價(jià)格彈性矩陣系數(shù)區(qū)間取值范圍為（-0.3,0.3）。情景3：有序充電策略，此情景下電價(jià)為動(dòng)態(tài)電價(jià)，價(jià)格彈性矩陣系數(shù)區(qū)間取值范圍為（-0.75,1）。情景4：有序充電策略，此情景下電價(jià)為動(dòng)態(tài)電價(jià)，價(jià)格彈性矩陣系數(shù)區(qū)間取值范圍為（-0.65,0.35）。

4.3.1 安全性分析

4種情景下該區(qū)域某天內(nèi)的用電負(fù)荷圖如圖9所示，各情景下的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 4種情景下安全性仿真數(shù)據(jù)

圖9 不同情景下的負(fù)荷曲線

其中，情景1 為無(wú)序充電策略，此情景下波谷出現(xiàn)在6:00左右，此時(shí)負(fù)荷為892 kW，波峰出現(xiàn)在19:00 左右，此時(shí)負(fù)荷為5063 kW，峰谷差為83%，嚴(yán)重危害了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。情景2 為有序充電策略，此情景下的價(jià)格彈性矩陣系數(shù)區(qū)間取值范圍為（-0.3,0.3），動(dòng)態(tài)電價(jià)為0.7～1.4元/h，此情景下波谷出現(xiàn)在6:00 左右，此時(shí)負(fù)荷為1237 kW，波峰出現(xiàn)在18:00 左右，此時(shí)負(fù)荷為4603 kW，峰谷差為73%，此情景峰谷差率略微低于無(wú)序情況，但由于電價(jià)調(diào)整范圍太小，效果不明顯，此情景下的負(fù)荷狀態(tài)仍然嚴(yán)重危害著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。情景3 為有序充電策略，此情景下的價(jià)格彈性矩陣系數(shù)區(qū)間取值范圍為（-0.75,0.1），動(dòng)態(tài)電價(jià)為0.25～2元/h，此情景下波谷出現(xiàn)在9:00 左右，此時(shí)負(fù)荷為1897 kW，波峰出現(xiàn)在20:00左右，此時(shí)負(fù)荷為4182 kW，峰谷差為55%，此種情景下的電價(jià)上限與下限均采用了電價(jià)的邊界值，車主在此種情景中在用電高峰期時(shí)進(jìn)行充電將面臨著較高的電價(jià)，同時(shí)，在用電低谷期充電時(shí)會(huì)享受到極低的價(jià)格。但是由于電價(jià)波動(dòng)范圍較大，此種策略雖然使得峰谷差率降低了28%，但其特性使得在原波峰后又形成了一個(gè)新的充電高峰，仍然危害著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。情景4 為本文策略，此情景下的價(jià)格彈性矩陣系數(shù)區(qū)間取值范圍為（-0.65,0.35），動(dòng)態(tài)電價(jià)為0.35～1.35 元/h，此情景下波谷出現(xiàn)在6:00 左右，此時(shí)負(fù)荷為2416 kW，波峰出現(xiàn)在17:00左右，此時(shí)負(fù)荷為4543 kW，峰谷差為47%，此種情景下選取了合適的電價(jià)波動(dòng)范圍，充分發(fā)揮了網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)的優(yōu)勢(shì)，使配電網(wǎng)用電峰谷差過(guò)大的問(wèn)題得到緩解，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

情景1為無(wú)序充電策略，該情景中不對(duì)電價(jià)進(jìn)行調(diào)整，不對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行調(diào)度，此種情景下的總充電費(fèi)用為6372元，車均充電費(fèi)用為21.24元；情景2為有序策略，但電價(jià)調(diào)控范圍較小，該情景下總充電費(fèi)用為5798 元，電動(dòng)汽車車主平均充電費(fèi)用為19.32元，較無(wú)序充電策略降低9%；情景3 為有序策略，但電價(jià)調(diào)控范圍過(guò)大，上下限均選取邊界值，該情景下總充電費(fèi)用為5288元，電動(dòng)汽車車主平均充電費(fèi)用為17.62元，較無(wú)序策略降低了17%；情景4為本文策略，電價(jià)調(diào)控選取了合適的范圍，此情景中總充電費(fèi)用為4843元，車均充電費(fèi)用為16.14元，較無(wú)序策略降低24%，起到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 4種情景下經(jīng)濟(jì)性仿真數(shù)據(jù)

圖10 不同情景下電動(dòng)汽車車主總充電費(fèi)用

5 結(jié)束語(yǔ)

考慮到電動(dòng)汽車充電的空間與時(shí)間特性，本文分析了電動(dòng)汽車車主對(duì)網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了電動(dòng)汽車有序充電模型。首先，根據(jù)電動(dòng)汽車充電的負(fù)荷分布，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格規(guī)劃；然后，應(yīng)用負(fù)荷密度法對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)；最后以最小化電動(dòng)汽車車主的充電成本和電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)為目的，建立網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)區(qū)間模型。通過(guò)仿真結(jié)果表明采用所提車的有序充電策略后，網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)典型日的峰谷差率降低了36%，顯著的提高了配電網(wǎng)運(yùn)行安全性。同時(shí)，電動(dòng)汽車車主平均充電費(fèi)用降低24%，且很好的體現(xiàn)了電動(dòng)汽車車主對(duì)網(wǎng)格分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)。