计及电网峰谷运行的电动汽车充电服务费定价策略

辛苗苗 李永攀 张延迟 解 大

1.上海电机学院电气学院；2.深圳供电局有限公司；3.上海交通大学电子信息与电气工程学院

1 引言

国民经济发展的同时也带动了我国汽车产业的发展。目前我国汽车保有量持续增长，且增长趋势还将持续。传统燃料汽车以汽油、柴油、天然气、乙醇汽油等化石燃料作为动力源，不仅加剧了我国的化石燃料消耗量，而且资源利用率较低，存在严重的资源浪费情况。燃料燃烧后的排放物造成的污染问题也日益严重，在人口密集、汽车保有量高的城市，汽车尾气污染在某种程度上已经超过了工业污染，城市空气污染指数居高不下，雾霾天气越来越多，范围越来越广，从某种程度而言，其中汽车尾气的排放作出了一定的“贡献”。

发展电动汽车（Electric Vehicle,EV）是节能减排、消纳可再生能源、发展低碳经济的重要手段[1,2]。电动汽车作为“零排放”的交通工具之一，在节能减排，缓解能源危机方面具有显著优势[3]。美国电力科学研究院（EPRI）对电动汽车的影响进行了一系列的研究，在节能减排方面，充电一次行驶60英里的电动汽车与传统的燃料汽车相比，能够减少二氧化碳排放50%，减少汽油消耗75%，电动汽车的节能减排效果与发电方式有关，传统的燃煤发电会增加碳排放量，影响电动汽车的节能和减排效果[4,5]。

目前我国的电动汽车充电设施运营商一般由电网公司承担，电动汽车充放电服务费的定价还没有统一标准，一般都是运营商以回收成本获取盈利为目的制定电动汽车充放电服务费的收费标准。为了尽量减少电动汽车并网充电对电网造成的影响，本文以峰谷运行为基础，提出电动汽车充电服务费的定价策略，以此引导电动汽车用户的充电行为，缓解其并网充电对电网的影响。

2 电动汽车发展现状及其并网充电对电网的影响

2.1 电动汽车发展现状

相比欧美等发达国家，我国电动汽车产业起步相对较晚，但在政府的政策支持和科技工作者的不懈努力下，经过十多年的不断探索和努力，我国的电动汽车产业突飞猛进，取得了骄人的成绩。为了促进电动汽车产业的迅速发展，国家启动了一系列重点扶持措施和政策，涉及技术研发、购车补贴、税收减免等方面，旨在加速推进我国电动汽车产业的发展。

在国家政策的强力推动下，我国电动汽车产业取得了不小的进步，电动汽车的产量和销售量实现了巨大的飞跃。我国新能源汽车的产销量从2011年的0.8万辆到2017年的794 000辆、销量777 000万辆，完美的诠释了我国电动汽车产业的飞速发展。图1所示为2011～2017年我国新能源汽车产销量图，2011年我国新能源汽车产量仅8 000辆，占全国汽车产量比重不到千分之一，2017年我国新能源汽车产量达794 000辆，占全国汽车产量比重超过2.7%，新能源汽车的产销量已连续三年位居世界第一，累计保有量达到1 800 000辆，占全球市场保有量50%以上，预计2018～2020年我国新能源汽车的产量将分别达到1 108 000辆、1 474 000辆和2 000 000辆。

图1 2011～2017年我国新能源汽车产销量图

图2 我国新能源汽车产量增长率

图2为近几年我国新能源汽车产量的增长率，并预测了未来三年我国新能源汽车产量的增长率。受国际原油价格暴跌的影响，2013年新能源汽车产量增长率仅为3.85%，但是随后两年我国新能源汽车产量迅猛增长，增长率一度高达300%以上，自2016年开始，我国新能源汽车产量逐渐趋于稳定，每年的增长率控制在30%～50%之间平稳发展，发展趋势较为合理。

2.2 电动汽车并网充电对电网的影响

随着电动汽车的不断普及与推广，电动汽车数量持续增长。由于电动汽车用户充电具有随机性，电动汽车并网充电对电网的影响也逐步显现。电动汽车并网充电对电网的影响主要可以概括为对电源容量的影响、对负荷平衡的影响以及对电能质量的影响。

（1）对电源容量的影响

电动汽车大规模接入电网会使电网发电侧电源容量面临挑战。由于电网的容量有限，大规模的电动汽车无序接入需要电网电源容量增加。为了尽量缓解电动汽车大规模接入电网充电对电网造成的影响，应该采取一定的措施引导电动汽车用户错峰充电，同时电网也要不断完善电力系统配置，达到满足电动汽车充电需求与电网稳定运行的良好局面，不断探索电动汽车与电力系统协同发展的新方法。

（2）对负荷平衡的影响

电动汽车大规模接入电网会使电力负荷增大，增加了电力系统发、输、配电的压力，使电网面临新的挑战。随着接入电网进行充电的电动汽车数量越来越多，电网负荷将持续增长，导致电力系统线电压降低，低于目前的额定电压，这种较大的负荷变化会对电力系统的发电、输电、配电产生更高的要求，电力系统升级面临巨大挑战。此外电动汽车局部聚集性充电或者在电网负荷高峰时段集中充电都会使电网负荷严重失衡，影响电网的安全稳定运行。

（3）对电能质量的影响

电动汽车产业的迅速发展也推动了与之配套的电动汽车充电设施的发展，电动汽车充电桩内含有大量高度非线性的电力电子装置，当充电桩对电动汽车进行充电时，直流电流在交流三相之间不停地换相时会产生谐波，从而对电网的电能质量产生影响，如功率损耗、电压偏差、频率波动、谐波污染等。

3 计及电网峰谷运行的电动汽车充电服务费

通过前文的分析研究可以看出电动汽车并网充电会给电网的安全稳定运行造成影响，因此电动汽车并入电网进行充电不仅需要缴纳基本的电费，还需要缴纳一部分服务费，这部分服务费通常包括充电桩建设费、电网改建费、电网网损费等。采取合理的充电电价是电网公司鼓励电动汽车行业发展的必要手段，而制定合理的服务费可以引导电动汽车用户的充电行为，减小电动汽车并网充电对电网的影响。

3.1 电网峰谷分时电价

在需求侧响应机制下，电价是电网公司给用户的一个信号[6]，用户在电价的引导下，适当调节自身的用电行为。从图3所示的电力供应链可以看出，电力系统的售电电价是电源侧发电机组的上网电价和电力输送过程中的输配电价两部分的总和。

图3 电力供应链

根据需求响应理论，电价的变化会引起用户用电量的变化。公式（1）为用户用电量与电价的弹性关系式，即在一定时间段内，用电量的变化率与电价的变化率之比，又称为电量电价弹性。

图4 典型的用电量与价格曲线

根据电量电价弹性关系式和典型的用电量与价格曲线图可以得出，电价的变化可以引导用户用电量的变化，根据这一关系电网公司设计了峰、平、谷分段电价，由于用电负荷高峰时期，为了满足用户用电需求，电厂需要增加发电量，引起发电燃料费增加、设备损耗费增加，导致电价上升，此外，用电负荷高峰时期，电网供电量增加，会导致电网潮流增加，使网损增大，输电成本增加也会导致负荷高峰时段电价上升。同理，用电负荷低谷时段发电成本和输电成本都会降低，此时电价也会降低，基于上述分析，电网公司制定了峰、谷、平三个不同阶段的电价。

3.2 基于峰谷分时电价的电动汽车充电服务费

对于电动汽车而言，如果没有充电服务费价格的引导，电动汽车用户会在行驶结束后安排电动汽车进行充电，一般情况下，用户到达单位停车后或者下班回家后都将是电动汽车的充电高峰时段，而这些充电时段常常会与电网的用电负荷高峰时段重叠，进一步加剧电网负荷压力，拉大电网负荷峰谷差，造成不必要的经济损失。为了能够通过服务费的波动变化引导电动汽车用户避开用电负荷高峰时段充电行为，尽量选择在用电负荷低谷时段充电，本文提出了一种基于计及电网峰谷运行的电动汽车充电服务费定价策略，具体的收费意向如表1所示。

图5为深圳市某区域典型的日负荷曲线，根据曲线可以看出，电网负荷呈明显的峰谷波动变化，基于负荷的这类峰谷波动，电网制定了相应的峰谷分时电价，同理根据负荷的这种峰谷变化也可以对电动汽车充电行为征收相应的服务费。

表1 基于峰谷分时电价的电动汽车充电服务费征收意向

图5 典型的日负荷曲线

根据图5所示的典型日负荷曲线，假设正常情况下日负荷曲线的斜率为且满足，但当负荷骤变时会出现，如图中22∶00至23∶00期间，负荷变化幅度较大，负荷曲线的斜率绝对值也相对较大，针对负荷的这一变化趋势，提出计及电网峰谷运行的电动汽车充电服务费定价策略：

时：

4 仿真分析

为了验证计及电网峰谷运行的电动汽车充电服务费定价策略对引导电动汽车用户错峰充电的作用，本文选取深圳市某区域的日负荷数据（不包含电动汽车充电日负荷数据）、电动汽车随机充电日负荷数据、基于峰谷分时电价的电动汽车充电日负荷数据以及采用峰谷分时电价并征收计及电网峰谷运行的充电服务费的电动汽车充电日负荷数据进行对比分析。

其中该地区的日负荷数据如图5所示，三种不同模式下电动汽车充电日负荷变化如图6所示。从图6可以看出，电动汽车随机充电模式下，电动汽车接入电网充电负荷有名明显的峰谷变化，其充电行为主要集中在下午和傍晚，其他时段充电负荷较小；峰谷分时电价下电动汽车充电负荷有所变化，充电负荷有一部分由下午移到了晚间，负荷趋势更加平缓；征收计及电网峰谷运行的充电服务费后电动汽车充电负荷变化趋势更加平缓，电动汽车用户充电更倾向于低谷电价时段。

图6 三种不同模式下电动汽车充电日负荷变化图

为了更加清晰地展现电动汽车充电负荷变化对电网的影响，分别将三种模式下的电动汽车充电日负荷与该地区日负荷曲线叠加，观察总负荷变化情况。图7为电动汽车随机接入电网日负荷曲线，图8为峰谷分时电价下电动汽车接入电网日负荷曲线，图9为征收峰谷分时服务费后电动汽车接入电网日负荷曲线，图中红色曲线为电动汽车充电日负荷曲线，黑色曲线为不包含电动汽车的日负荷曲线，蓝色曲线为电动汽车负荷与其他负荷叠加后的总负荷曲线。

观察图7可以看出，电动汽车随机接入电网负荷曲线有明显的峰谷变化，且与电网其他负荷曲线峰谷时段有大范围重叠，电动汽车充电负荷高峰时段在电网其他负荷高峰时段范围内，用电高峰时段电网总负荷进一步增大，明显拉大了电网负荷峰谷差，对电网的安全稳定运行带来巨大的挑战，不利于电网的安全稳定运行。

图7 电动汽车随机接入电网日负荷曲线

图8 峰谷分时电价下电动汽车接入电网日负荷曲线

对比图8和图7中的电动汽车充电负荷曲线可以发现，在峰谷分时电价下电动汽车充电负荷曲线变得较为平缓，电动汽车充电负荷峰谷差缩小，电网负荷用电高峰时段电动汽车充电负荷的峰值降低，且整个峰值时段趋势较为平缓稳定，用电高峰时段电网总负荷增大，但是增长趋势与图7相比较为平缓，且电网总负荷峰值较图7总负荷峰值相对较小，负荷峰谷差也相对小一些，由此可以看出峰谷分时电价可以缓解电动汽车并网充电拉大电网总负荷峰谷差的行为，在促进电网安全稳定运行过程中起到一定的作用。

图9 征收峰谷分时服务费后电动汽车接入电网日负荷曲线

图9 为在峰谷分时电价基础上额外征收计及电网峰谷运行的充电服务费后的日负荷曲线，从图中可以看出，电动汽车充电负荷比图7和图8中的电动汽车充电负荷曲线更加平缓，充电负荷均匀分布在各个时间段，没有明显的峰谷变化，图9中用电负荷高峰时段电网总负荷增长程度比图7和图8都要小，总负荷曲线的峰谷差也最小。可以看出在峰谷分时电价的基础上再征收计及电网峰谷运行的服务费可以有效引导电动汽车用户的充电行为，可以缓解电动汽车并网充电增加电网负荷压力，拉大电网负荷峰谷差的情况。

图10 三种不同模式下电网总负荷变化图

图10 为电动汽车三种不同充电模式下电网总负荷变化图，从图中可以看出电动汽车随机充电模式下电网负荷峰谷变化最明显，负荷峰值最大；采用峰谷分时电价后，电网总负荷峰值降低，谷值略微上升，电网负荷峰谷差缩小；征收计及电网峰谷运行的充电服务费后电网总负荷峰谷差进一步缩小，总负荷变化更加平缓。

5 总结

随着电动汽车数量的不断增长，电动汽车并网充电对电网造成的影响也逐步显现，为了缓解电动汽车无序并网充电造成电网负荷峰谷差进一步加剧，影响电网的安全稳定运行，本文提出了计及电网峰谷运行的电动汽车充电服务费定价策略，通过对比电动汽车随机充电模式、峰谷分时电价模式下以及征收计及电网峰谷运行的充电服务费三种不同模式下电动汽车充电负荷和电网总负荷变化趋势得出以下结论：

（1）电动汽车随机接入电网充电模式下电动汽车充电负荷峰谷变化趋势与电网其他负荷峰谷变化趋势接近，造成电网负荷峰谷差进一步加剧，影响电网安全稳定运行；

（2）峰谷分时电价模式下电动汽车充电负荷峰值有所缓解，电网总负荷峰谷差有所下降，峰谷分时电价对引导电动汽车用户充电行为具有一定的作用；

（3）在电网峰谷分时电价的基础上继续征收计及电网峰谷运行的充电服务费可以进一步引导电动汽车用户的充电行为，电动汽车充电负荷相对均匀地分布在电网负荷低谷时段，有效缓解了电网负荷峰谷差，进一步减小了因电动汽车并网充电对电网造成的影响。