劉 建 ，李曉博 ，于大洋

（1.德州供電公司，山東 德州 253008；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

我國(guó)2009年風(fēng)電裝機(jī)容量1 200萬(wàn)kW，到2020年將達(dá)到1.5億kW，年均增長(zhǎng)率超過20%。風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)能夠減少電網(wǎng)大于50%的碳排放［1］。但是，風(fēng)電并網(wǎng)能力受到機(jī)組的最低出力等約束的限制。

比亞迪為家用轎車、出租車和公交車三種車型分別研制了電動(dòng)汽車替代產(chǎn)品BYD-F3DM、BYD-E6、BYD-K9。 目前，F(xiàn)3DM已經(jīng)上市銷售，首批50輛E6已作為出租車在深圳使用，K9則是比亞迪打造的一款城市公共交通工具。電動(dòng)汽車迅速發(fā)展并接入電網(wǎng)［2］，作為電網(wǎng)負(fù)荷的一部分對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)［3］基于場(chǎng)景分析研究了加州電力市場(chǎng)在高、低電動(dòng)汽車增長(zhǎng)方案下將使得電力負(fù)荷分別增長(zhǎng)8%和2%，本文以高增長(zhǎng)方案進(jìn)行考慮。 Hadley和Tsvetkova［4］分析了美國(guó)電動(dòng)汽車對(duì)13個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的影響，指出電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)將對(duì)某些區(qū)域產(chǎn)生負(fù)面作用。

人為的CO2排放主要來自于化石燃料的燃燒，世界能源的使用一直是關(guān)于氣候變化問題討論的熱點(diǎn)。世界與能源相關(guān)的CO2排放將由2007年的29.7億噸增長(zhǎng)到2020年的33.8億噸，到2035年為42.4億噸（IEO 2010）。中國(guó)的人均CO2排放增長(zhǎng)比例最大，從2007年的人均4.7噸到2035年的9.2噸，年均增長(zhǎng)2.4%（EIA 2010）。國(guó)外已經(jīng)將低碳作為一個(gè)單獨(dú)的因素、變量或約束引入電力系統(tǒng)之中，并分析其所帶來的影響，并對(duì)電力系統(tǒng)中實(shí)施的各種低碳技術(shù)進(jìn)行效益分析［5-6］。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究還處于起步階段，但也已經(jīng)開始從具體的低碳技術(shù)層面和電力行業(yè)本身出發(fā)對(duì)低碳問題進(jìn)行研究［7-11］。

1 機(jī)組組合數(shù)學(xué)模型

機(jī)組組合是要確定在調(diào)度周期內(nèi)，機(jī)組在各個(gè)時(shí)段中的啟停狀態(tài)和發(fā)電功率，其目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)約束和發(fā)電機(jī)自身約束的前提下，使運(yùn)行費(fèi)用最小。包含風(fēng)電功率和電動(dòng)汽車充電功率的機(jī)組組合問題的數(shù)學(xué)模型可表示如下：

目標(biāo)：

基本約束條件：

1）發(fā)電與負(fù)荷平衡約束

2）系統(tǒng)備用需求約束

式中：t=1，2，…，T；pw為風(fēng)電裝機(jī)容量；cft為時(shí)段t的風(fēng)電容量因數(shù)；Rt為時(shí)段t的備用需求。

機(jī)組自身的技術(shù)約束：

1）機(jī)組有功功率技術(shù)限制

式中：i=1，2，Ng；t=1，2，…，T。

2）機(jī)組最小運(yùn)行、最小停運(yùn)時(shí)間限制

3）機(jī)組輸出功率速率

式中：i=1，2，…，Ng；t=1，2，…，T-1。

2 電動(dòng)汽車充電的負(fù)荷模型

充電方案一：自由充電，根據(jù)人們的出行習(xí)慣，傍晚 5：30下班后回到家中，6：00開始為電動(dòng)汽車充電；充電方案二：低谷充電，晚上10：00開始為電動(dòng)汽車充電。充電方案三：智能充電［12］，以考察時(shí)段內(nèi)每個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)等效負(fù)荷方差和最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車的充電加以引導(dǎo)，使得電動(dòng)汽車充電起到平滑負(fù)荷曲線的作用。

3 純火電單位電量的CO2排放水平

中國(guó)計(jì)算電量邊際排放因子（OM）采用的是簡(jiǎn)單OM方法。具體步驟為：以 2005-2007年山東電網(wǎng)中火電廠/機(jī)組一級(jí)的年發(fā)電量、廠用電率、燃料消耗量、燃料類型等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算服務(wù)于山東電網(wǎng)的所有火力發(fā)電源按供電量加權(quán)平均的單位供電量CO2排放（t/MWh）。

式中：Fi，j，y電網(wǎng)每個(gè)發(fā)電廠/機(jī)組 j分別在 y 年，即2005年、2006年和2007年消耗的燃料i的數(shù)量（按質(zhì)量或體積單位）；COEFi，j是燃料 i的 CO2排放系數(shù)（tCO2/燃料質(zhì)量或體積單位），考慮了2005-2007年山東電網(wǎng)每個(gè)發(fā)電廠/機(jī)組j所使用燃料（原煤、燃油和燃?xì)猓┑暮剂亢腿剂涎趸?；GENj，y為由每個(gè)發(fā)電廠/機(jī)組 j向電網(wǎng)提供的電力（MWh）。

式中：NCVi為燃料i單位質(zhì)量或體積的凈熱值（能源含量），為國(guó)家特定值；OXIDi為燃料的氧化率，為國(guó)家特定值；COEFi，j為燃料i每單位能量的 CO2潛在排放因子，為國(guó)家特定值。

另外，山東電網(wǎng)在2005-2007年不存在電量交換，不必考慮電量進(jìn)口量。

以山東電網(wǎng)為例。 根據(jù)公式（7）、（8）及各燃料的低位發(fā)熱值、山東電網(wǎng)火力發(fā)電量、氧化率、潛在排放系數(shù)及廠用電率計(jì)算得到山東電網(wǎng)2005-2007年3年加權(quán)平均的CO2排放因子為0.9 871 t/MWh。

4 算例分析

以26機(jī)系統(tǒng)［13］為例，分析電動(dòng)汽車不同充電模式對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)電接入能力和碳排放的影響。26機(jī)系統(tǒng)24 h的負(fù)荷曲線和風(fēng)電場(chǎng)的容量因數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 26機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷和風(fēng)電容量因數(shù)曲線

電動(dòng)汽車充電功率數(shù)據(jù)以比亞迪電動(dòng)汽車BYD-F3DM、BYD-E6、BYD-K9為例。

電動(dòng)汽車自由充電、低谷充電和智能充電時(shí)的負(fù)荷曲線如圖2所示。 可以看出自由充電（車主晚上下班后18：00開始充電）時(shí)，使得負(fù)荷在18：00時(shí)有一個(gè)較大的增長(zhǎng)；低谷充電時(shí)負(fù)荷增長(zhǎng)出現(xiàn)在22：00；智能充電則使得負(fù)荷較為平滑。

圖2 三種充電模式下的負(fù)荷曲線

4.1 電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性

通過機(jī)組組合計(jì)算結(jié)果得到常規(guī)機(jī)組的發(fā)電費(fèi)用和啟停費(fèi)用，分別如表1和圖3所示，自由充電時(shí)機(jī)組啟停計(jì)劃如表2所示。可以看出電動(dòng)汽車自由充電模式下常規(guī)機(jī)組的發(fā)電費(fèi)用最大，為595103美元；智能充電時(shí)發(fā)電費(fèi)用最小，為570 425美元，與自由充電相比減少了4.15%。主要由于自由充電時(shí)負(fù)荷波動(dòng)較大，尤其是在18：00時(shí)，導(dǎo)致機(jī)組啟停費(fèi)用較大，并且啟動(dòng)了21、22、23號(hào)較昂貴的機(jī)組，來滿足發(fā)電負(fù)荷平衡。 且自由充電時(shí)參與啟停的機(jī)組數(shù)為18臺(tái)（除17-20，24-26外），低谷充電時(shí)參與啟停機(jī)組數(shù)為17臺(tái)，智能充電時(shí)為16臺(tái)。

表1 常規(guī)機(jī)組的發(fā)電費(fèi)用

圖3 常規(guī)機(jī)組的啟停費(fèi)用

4.2 風(fēng)電接入能力

通過機(jī)組組合計(jì)算結(jié)果得到三種充電模式下的風(fēng)電利用功率如圖4所示，風(fēng)電利用率如表3所示?？梢钥闯鲎杂沙潆娔Ｊ较拢?8：00時(shí)開始為電動(dòng)汽車充電，在充電時(shí)間為9 h的情況下，2：00已經(jīng)完成充電，2：00-5：00負(fù)荷較小，但此時(shí)卻是風(fēng)電出力較大的時(shí)刻，導(dǎo)致2：00-5：00的電網(wǎng)棄風(fēng)。而智能充電模式下風(fēng)電利用功率曲線和風(fēng)電功率曲線基本重合，風(fēng)電利用率達(dá)到99.25%。

圖4 不同充電模式下的風(fēng)電利用功率

表3 不同充電模式下的風(fēng)電利用率

表2 電動(dòng)汽車地由充電時(shí)機(jī)組啟停計(jì)劃

表4 不同充電模式下單位電量的CO2排放水平

4.3 碳減排效益

不同充電模式下單位電量的CO2排放水平如表4所示。

從表4可以看出不同充電模式下單位電量的CO2排放水平相差很小，以所研究的26機(jī)系統(tǒng)為例可以得到全年的CO2碳排放水平。智能充電與自由充電和低谷充電相比分別可減排CO213.33萬(wàn) t和 1.27 萬(wàn) t。

對(duì)于交通領(lǐng)域的碳減排，根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的2011年第5批“輕型汽車燃料消耗量通告”中比亞迪乘用車（M1類）中汽車油耗數(shù)據(jù)，通過取平均值可以得到比亞迪乘用車（燃油汽車）的平均百公里油耗為7.73 L，CO2排放量為17.49 kg。

根據(jù)比亞迪電動(dòng)汽車 BYD-F3DM、BYD-E6、BYD-K9百公里耗電量和三種電動(dòng)汽車的數(shù)量比例，通過加權(quán)平均可以得到比亞迪電動(dòng)汽車百公里耗電量為18.78 kWh。如果用火電為電動(dòng)汽車充電百公里CO2排放量18.53 kg，與傳統(tǒng)燃油汽車相比并不能減少碳排放。當(dāng)電動(dòng)汽車與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度時(shí)，電動(dòng)汽車在智能充電模式下百公里CO2的排放量為13.94 kg，與傳統(tǒng)燃油汽車相比碳減排為20.32%。

5 結(jié)語(yǔ)

建立了包含風(fēng)電功率和電動(dòng)汽車充電功率在內(nèi)的機(jī)組組合模型，分析了電動(dòng)汽車自由充電、延遲充電和智能充電三中充電模式下的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)風(fēng)電接納能力，并利用清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）中計(jì)算電量邊際排放因子的簡(jiǎn)單OM方法計(jì)算不同充電策略下的碳減排效益。

1）電動(dòng)汽車自由充電模式下常規(guī)機(jī)組的發(fā)電費(fèi)用最大，智能充電時(shí)發(fā)電費(fèi)用最小。主要由于自由充電方案下負(fù)荷波動(dòng)較大，導(dǎo)致機(jī)組啟停費(fèi)用較大，并且啟動(dòng)了較昂貴的機(jī)組，來滿足發(fā)電負(fù)荷平衡。自由充電時(shí)參與啟停的機(jī)組數(shù)大于低谷充電方案，且低谷充電方案下參與啟停機(jī)組數(shù)大于智能充電方案。

2）自由充電模式下，會(huì)加重夜間負(fù)荷水平低風(fēng)電出力大的矛盾，導(dǎo)致電網(wǎng)棄風(fēng)較多。 而智能充電模式下風(fēng)電利用功率曲線和風(fēng)電發(fā)電功率曲線基本重合，可以保證電網(wǎng)99%以上的風(fēng)電接納能力。

3）不同充電模式下單位電量的CO2排放水平相差很小。對(duì)于交通領(lǐng)域的碳排放，以比亞迪電動(dòng)汽車 BYD-F3DM、BYD-E6、BYD-K9為例進(jìn)行分析。如果用火電為電動(dòng)汽車充電百公里CO2排放量與傳統(tǒng)燃油汽車相比并不能減少碳排放。當(dāng)電動(dòng)汽車與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度時(shí)，電動(dòng)汽車在智能充電模式下百公里CO2的排放量與傳統(tǒng)燃油汽車相比碳減排為20%以上。