电动汽车低谷充电的集中充电策略研究

银川能源学院 电力学院 乔文娟

0.引言

电动汽车因为具有节能减排等众多好处得到了广泛的应用，但是随着电动汽车的大量普及，电动汽车用户会选择根据自己的喜好随机进行充电，大部分用户会选择下班回家后立即对电动汽车进行充电，大规模电动汽车这种充电行为势必会造成电网带来负荷高峰，甚至会出现“峰上加峰”的现象，影响电网的正常运行[1-3]。因此，必须想出一种激励措施合理安排电动汽车充电行为，为电网和自身都带来一定效益。对于电动汽车的有序充电行为，国内外很多学者在优化电网运行和降低用户成本等多方面做了大量的研究[4-5]。文中基于电力需求侧管理技术中的分时电价政策[6-7]，建立一种以最大谷值为目标函数的的数学模型，提出一种由供电公司参与调度，电动汽车主协议配合的几种充电策略。

1.基于峰谷分时电价电动汽车充电策略

分时电价是电力需求侧管理技术中的一个非常重要的经济运行手段，早在1993年有美国的Rahman提出[8]。通过对各类电动汽车充电负荷特性的分析可知，电动公交车、电动出租车、电动公务车，它们属于公共服务车辆，充电时间比较固定，对它们实施峰谷分时电价政策意义不大。而对于私人电动汽车，一天中有90%的时间处于停滞状态，车辆配置和调度的灵活性很大。电动私家车将会是未来电动汽车发展的主流，如果电动汽车用户实行峰谷分时电价优惠政策，必将会改变电动汽车充电负荷曲线，有益于电网削峰填谷、减小负荷峰谷差。

1.1 峰谷分时电价需求响应模型应用于电动汽车用户

针对私家电动汽车用户，对其实施峰谷分时电价政策，电动汽车用户对峰谷分时电价的需求响应模型为：

其中Qp、Qv为峰时电量和谷时电量；Pp、Pv为峰时电价和谷时电价；ε11，ε22分别为峰、谷时的电价自弹性系数；ε12，ε21分别为峰、谷时电价的交叉弹性系数。

从模型可知，影响电动汽车用户充电电量变化的因素有用户的充电电量、价格弹性系数和峰谷电价的变化量。

1.2 电动汽车用户对峰谷分时电价的响应分析

实施峰谷分时电价政策后，将鼓励电动汽车用户在低谷时段充电，从而减小电网的峰谷差[9]。针对各地的发展情况，分时电价不同，电动私家车充电以居民用电为基准。民用电每度电的价格为0.63元，每天的18:00-22:00作为晚高峰，电价为0.68元/kWh，晚上22:00至次日凌晨6:00为低谷时期，电价为0.34元/ kWh，各国居民的电价需求弹性不同，我国居民的长期电价弹性系数ε12为-0.218[10]。

1.3 算例分析

从峰谷分时电价可知，白天高峰电价时期充电负荷有所减小，夜晚低谷时期充电负荷有所增加。本文采用某市2010年典型日负荷曲线作为算例，24小时负荷数据如表1所示。分析实施峰谷分时电价后对电网负荷的影响。首先做如下假设：

（1）典型日负荷曲线年增长率为10%；

（2）每天约有4万辆电动汽车采用峰谷分时电价充电；

（3）实行峰谷分时电价的峰时段为22:00-6:00；

（4）本文采用的是恒功率充电；

（5）采用的充电方式为常规充电，充满约需要3-5小时，充电功率为7kw；

（6）无特殊人为因素，每次充电都充至满电量。

表1 24小时负荷（MW）

采用如下2种充电方式：

（1）采用即时充电方式，用户在下班回家后19:00即开始充电。这种充电方式下，任何时候的电价都是一样的，都是随机的选择时间将电动汽车接入电网充电。

（2）电动汽车用户选择在22:00谷时段电价开始时充电，这种充电方式执行电网的峰谷分时电价,电动汽车用户可以享受谷时段电价。

由两种充电方式负荷曲线如图1所示，可以得出负荷峰值、谷值，即得到负荷峰谷差。

图1 2种充电方式负荷

由图、表分析可知：即时充电方式下负荷高峰高于谷时段充电方式，形成了新的负荷高峰；即时充电方式充电负荷峰谷差为647.39MW，而谷时段充电方式的充电负荷峰谷差为545.27MW，即时充电方式明显高于谷时段充电方式。证明选择在谷时段开始充电负荷峰谷差明显减小，对电网负荷有相应的缓解作用。因此，采用峰谷分时电价激励政策引导，负荷峰谷差明显较小，在短时间内将会是一种简单、易行的调控措施。

2 计及电动汽车低谷充电的集中充电策略研究

采用分时电价政策，过多的电动汽车用户选择电价最低的时段充电，可能会因为负荷过度集中出现新的峰值，负荷波动频繁，导致电网稳定运行存在隐患。本节提出的集中充电策略可以有效解决这个问题，要想鼓励电动汽车用户加入集中充电策略，必须要提出比谷时段电价更优惠的政策，促使用户转移充电时间的权利，达到减小峰谷差的目的，实现双赢战略。

2.1 电动汽车集中充电控制策略思想

对电动汽车充电进行控制其实具有双边效益，对供电方而言，可以对负荷进行削峰填谷，有利于电网安全稳定运行；对用户方而言，可以节省电力开支。

本节提出的一种以供电方折扣电价为吸引，电动汽车用户加入协议，在规定的时间内对电动汽车充电的集中充电策略，具体思想如流程图2所示。首先需要电动汽车用户加入供电方用户协议，供电方根据电网的实际运行机制向用户方发出调度指令，电动汽车用户向供电方提供自己的充电需求，包括电池参数、充电功率、电池SOC和充电期望时长等，供电方对所提出的充电需求进行存储、整合，对每一辆发出请求的车辆根据车辆的自身情况决定充电时段。

表2 2种充电方式负荷曲线特征参数比较

供电方对发出请求车辆的调度原则：

（1）在电网谷时段服从调度的电动汽车在电价上享受比谷时段电价更优惠的折扣，若不服从电网调度，则不享受优惠。

（2）对于参加协议的电动汽车，充电时段受供电方的支配，但电网坚持的原则是不影响车主白天的正常用车。

（3）供电方保证一旦电动汽车开始充电，将直至电池充满，中途不会停止充电，不会对电池的使用寿命有人为的伤害。

（4）供电方保证一旦电动汽车开始充电，将至电池充满，中途不会停止充电，因电动汽车用户个人原因造成延迟充电或者过早结束充电的，供电方概不负责。

图2 集中充电策略

2.2 集中充电控制策略的数学模型

集中充电策略的主要目的在于对充电负荷进行削峰填谷，本节用到的方法主要考虑了对谷时段进行优化控制，总负荷的峰值不会有转移，因此数学模型的目标函数是谷值最大，从谷时段开始时就可考虑集中充电，数学模型如下所示：

其中：P(t)为电动汽车未充电时的实际负荷；为计及电动汽车充电后的负荷曲线；为N辆电动汽车充电功率的总和；Psi为第i辆车充电时的充电功率；Ti为充电时间；Qi为电动汽车所需充电量。

2.3 集中充电方法的实施过程

集中充电方法的具体措施：在开始充电前对所有车辆进行统计，按照充电时间Ti的降序对车辆进行排序，如果有的车辆充电时间Ti相同，那么可以按照充电电量Qi或者是充电功率Psi的降序对车辆进行排序，将这些车辆按照排列好的顺序依次填补在谷时段的最低处。保证谷值最大的具体思想就是：将待调度的车辆填入谷时段最低处后，计算Ti个时间点上的负荷之和，选择令负荷之和最小的电动汽车填入该时段。

仍选取2010年某地典型日负荷曲线为例，做如下假设：

（1）典型日负荷曲线的年增长率仍为10%；

（2）每天约有4万辆电动汽车加入由供电侧协议的集中充电策略；

（3）本文采用的是恒功率充电；

（4）采用的充电方式为常规充电，充满约需要3-5小时，充电功率为7kw；

谷时段时间为22:00-6:00，共计8小时，定义为0-8时段。在低谷时段内电动汽车集中充电策略的具体流程如图3所示。

图3 集中充电策略流程图

3.算例分析

将提出的集中充电方法与上一节即时充电方式和谷时段充电方式进行比较，集中充电策略的实施时间为负荷低谷时段，无特殊人为因素，每次充电都充至满电量。

如下3种充电方式：

（1）采用即时充电方式，充电方式很自由，一般用户选择在下班回家后19:00即开始对电动汽车充电。

（2）电动汽车用户选择电价相对低的时段对电动汽车充电，因此选择在22:00谷时段开始时充电。

（3）电动汽车用户参与协议由供电公司协调的集中充电策略。

峰谷分时电价政策下采用三种充电方式后负荷曲线如图4所示。

图4 3种充电方式下的负荷曲线

评价集中充电策略的效果的指标除了要求符合峰谷差最小以外，还应该考虑负荷率，主要体现在规定时间范围内负荷变动情况，是考核电力系统运行程度的重要指标。负荷率高表明负荷曲线比较平滑，峰谷比较小，有益于降损和节能减排。

其中Pav为电动汽车充电后负荷的平均值，Pmax为电动汽车充电后负荷的最大值。

三种充电方式下，对应的峰值、谷值负荷，得出负荷峰谷差和负荷率。对应的结果如表3所示。

比较三种充电方式下的图和表可知：（1）采用即时充电方式后峰谷差最大，并且形成了新的负荷高峰。（2）采用谷时段开始充电方式后峰谷差有所减小，但是谷值负荷维持不变，并没有减小。（3）采用由供电公司参与的集中充电策略后不仅可以大大减小负荷峰谷差，而且谷值负荷也有所提高，负荷曲线变得很平坦，并且负荷利用率最高，有利于降损和节能减排，证明了由供电公司参与的集中充电策略具有合理性、有效性。

表3 3种充电方式负荷曲线特征参数比较(MW)

4.结论

分时电价政策是电力需求侧管理中主要的经济手段，对用户而言，可以减小电能使用过程中所产生的电费；对供电公司而言，可以减小电网负荷峰谷差，加大低谷时期的用电量，有效提高电力系统的安全性和经济性。进一步介绍了电动汽车用户充电过程中对电能需求和电价之间的关系，建立了峰谷分时电价需求响应模型，用具体的实例验证了峰谷分时电价政策的可行性。

在峰谷分时电价的背景下提出了一种由供电公司参与，电动汽车用户配合的集中充电策略，主要是针对低谷时段电动汽车有序充电的一种方法，最后以预测的某地2020年的典型日负荷曲线为例，验证了该算法对削峰填谷的作用。

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