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0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛電動(dòng)汽車平均每天停車長達(dá)23 h，且全年停駛時(shí)間占96%左右[1]。對(duì)于電動(dòng)汽車用戶，在滿足基本行車需求的前提下，V2G模式可以創(chuàng)造額外收入，也會(huì)加快車輛投資成本的攤銷[2]。但是，由于實(shí)時(shí)電價(jià)和電池充放電損耗等因素，電動(dòng)汽車用戶在參與電網(wǎng)互動(dòng)過程中，還會(huì)存在入不敷出的情況。比如當(dāng)充電電價(jià)大于放電電價(jià)時(shí)，或者在電池放電成本過高，而峰谷電價(jià)差過低，以至于放電成本始終高于充電成本；而且不同型號(hào)的電池成本也不一樣，電池?fù)p耗成本過高也會(huì)影響用戶的收益。另一方面，對(duì)配電網(wǎng)而言，大量電動(dòng)汽車進(jìn)行無序充電將加重配電網(wǎng)的負(fù)荷負(fù)擔(dān)[3]，此外電動(dòng)汽車充放電行為分散、單輛電動(dòng)汽車的電池容量小，電網(wǎng)不可能直接對(duì)單輛電動(dòng)汽車進(jìn)行調(diào)控[4]。但是電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)質(zhì)是參與電網(wǎng)削峰填谷，而電網(wǎng)的削峰填谷策略能實(shí)時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷。因此，探索合理的調(diào)度策略和控制措施，充分考慮用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)需求，是解決大規(guī)模電動(dòng)汽車參與配電網(wǎng)互動(dòng)的關(guān)鍵[5]。

在電動(dòng)汽車調(diào)度策略研究方面，文獻(xiàn)[6-7]建立以電網(wǎng)損耗最小為目標(biāo)的電動(dòng)汽車充電優(yōu)化模型，研究結(jié)果表明，合理控制電動(dòng)汽車充電有利于降低電網(wǎng)損耗，提高電網(wǎng)綜合經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[8]以包含充電成本、電網(wǎng)損耗成本等因素的充電總成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建了電動(dòng)汽車的優(yōu)化控制模型。文獻(xiàn)[9]基于分時(shí)電價(jià)和用戶充電需求，以電動(dòng)汽車充電總費(fèi)用最低為目標(biāo)制定調(diào)度計(jì)劃。

電動(dòng)汽車用戶都希望在電價(jià)低的時(shí)段對(duì)電動(dòng)汽車充電，而在電價(jià)高的時(shí)段向電網(wǎng)放電以獲得電價(jià)差額利益，電動(dòng)汽車用戶的這一期望與電網(wǎng)削峰填谷策略一致[10]。通過采用相應(yīng)的調(diào)度策略和控制措施，使電動(dòng)汽車在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段進(jìn)行充電，在負(fù)荷高峰時(shí)段進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷的作用，合理利用電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能單元的優(yōu)勢(shì)，給用戶和電網(wǎng)帶來收益[11]。鑒于此，從用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)需求出發(fā)，提出了基于價(jià)格響應(yīng)的調(diào)度策略，并構(gòu)建了相應(yīng)的控制模型。

1 用戶側(cè)和配電網(wǎng)側(cè)需求分析

電動(dòng)汽車與配電網(wǎng)互動(dòng)的過程就是雙方博弈的過程。互動(dòng)所產(chǎn)生的紅利主要包括兩方面：1)降低電網(wǎng)運(yùn)營成本和投資成本，這主要是通過容量效益、調(diào)峰調(diào)頻、豐富電網(wǎng)調(diào)節(jié)和控制手段、提供輔助服務(wù)等；2)在實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制下，產(chǎn)生峰谷電價(jià)差額利潤。

1.1 用戶側(cè)需求

用戶側(cè)需求主要包括以下幾方面：1)電動(dòng)汽車作為行駛工具，首先應(yīng)該滿足用戶的基本行車需求；2)用戶對(duì)電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)和退出互動(dòng)具有優(yōu)先權(quán)；3)在空閑時(shí)間段以儲(chǔ)能單元參與電網(wǎng)互動(dòng)，以期獲得相應(yīng)的額外收益；4)在參與電網(wǎng)互動(dòng)的過程中避免電池的不經(jīng)濟(jì)放電(電池頻繁充放電)；5)其他便民服務(wù)，如充電向?qū)?、電價(jià)服務(wù)等。

1.2 配電網(wǎng)側(cè)需求

配電網(wǎng)側(cè)需求主要包括以下幾方面：1)削峰填谷，轉(zhuǎn)移電網(wǎng)高峰負(fù)荷，消納電網(wǎng)低谷負(fù)荷；2)容量儲(chǔ)備，容量越大越好；3)應(yīng)急調(diào)度，應(yīng)付緊急情況的調(diào)度需求；4)提高電網(wǎng)對(duì)清潔能源的消納能力。

2 電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1 電動(dòng)汽車成本模型

電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的總成本由電池?fù)p耗成本和購電成本組成。

C=Cb+Cc

(1)

式中：C為電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的總成本；Cb為電池?fù)p耗成本；Cc為購電成本。

1)電池?fù)p耗成本

電池?fù)p耗與其充放電次數(shù)、放電深度、電池材料、溫度等有關(guān)[12]，其折算方法根據(jù)文獻(xiàn)[13]用電池的吞吐量來計(jì)算電池?fù)p耗。

電池單位電能吞吐?lián)p耗成本cb為

(2)

式中：Lc,max為電池最大充放電循環(huán)次數(shù)；Een為電池的額定容量；pb為電池單位容量價(jià)格成本，元/kWh；DOD為電池的最大放電深度。

電池放電損耗成本為

(3)

式中，Pd(t)為電池放電功率，kW/h。

2)購電成本

考慮電動(dòng)汽車充電池放電過程中的能量損耗，購電成本為

(4)

式中：pc(t)為充電電價(jià)，元/kWh；ηc為電池充電效率；Pc，CD為充放電電能。

則電池的放電總成本價(jià)pdz(t)為

(5)

2.2 電動(dòng)汽車收益模型

電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的收益分為兩部分：1)電動(dòng)汽車向電網(wǎng)側(cè)售電收益；2)向電網(wǎng)側(cè)購電費(fèi)用。

M=Rd-C

(6)

式中：M為電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)的收益；Rd為電動(dòng)汽車售電收益；C為電動(dòng)汽車購電費(fèi)用。

1)電動(dòng)汽車向電網(wǎng)側(cè)售電收益

(7)

式中：pen(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)；ηd為電池放電效率。

2)向電網(wǎng)側(cè)放電成本包括電池?fù)p耗、充放電功率損耗以及購電費(fèi)用。

(8)

將1天分為48個(gè)時(shí)間段，則電動(dòng)汽車用戶1天收益的計(jì)算模型為

(9)

3 基于價(jià)格響應(yīng)的調(diào)度策略

3.1 目標(biāo)函數(shù)

電動(dòng)汽車價(jià)格響應(yīng)調(diào)度策略就是在負(fù)荷高峰時(shí)，設(shè)定較高的交易電價(jià)，來引導(dǎo)電動(dòng)汽車放電和減少電動(dòng)車充電行為；在負(fù)荷低谷時(shí)，設(shè)定較低的交易電價(jià)，來引導(dǎo)電動(dòng)汽車充電和減少電動(dòng)車放電行為。電動(dòng)汽車是否提供V2G服務(wù)將取決于市場電價(jià)。通過控制充放電功率，使電池在一個(gè)產(chǎn)生周期內(nèi)(完成一次充放電循環(huán))，收益大于相應(yīng)的可變成本。

以經(jīng)濟(jì)收益最大為目標(biāo)函數(shù)

maxM=Rd-C

(10)

3.2 約束條件

基于價(jià)格響應(yīng)的調(diào)度策略以電價(jià)市場引導(dǎo)用戶自主參與電網(wǎng)互動(dòng)，電動(dòng)汽車的充放電約束條件包括用戶側(cè)約束條件、實(shí)時(shí)電價(jià)市場、電池充放電能量和充放狀態(tài)約束條件。

1)用戶側(cè)約束條件

電動(dòng)汽車用戶自主選擇是否參與電網(wǎng)互動(dòng)，設(shè)定當(dāng)SL=1表示參與電網(wǎng)互動(dòng)，SL=0則不參與；電動(dòng)汽車用戶根據(jù)自身需求設(shè)定最小荷電量SOCmin。

(11)

式中,SOC(t)為電池的實(shí)時(shí)荷電量。

2)電池能量約束條件

包括：①電池每次的充/放電能不能高于電池的可充/放電能量；②電池的實(shí)時(shí)荷電量不小于最小荷電量；③電池放電功率小于額定放電功率。

(12)

3)收益約束條件

用戶的收益約束條件就是實(shí)時(shí)電價(jià)必須大于放電成本價(jià)。

s.t.pen(t)≥pdz(t)

(13)

4)電池的狀態(tài)約束條件

電池狀態(tài)的約束條件包括：①電池的溫度、電壓不能越限；②電池的充放電循環(huán)次數(shù)不能超過最大循環(huán)次數(shù)。

(14)

式中,vmax、vmin、wmax、wmin分別為電池電壓上下限和溫度上下限。

3.3 電池充放電策略

1)電池放電策略

當(dāng)市場電價(jià)大于放電成本時(shí)，放電功率為Pd,en；市場電價(jià)小于放電成本時(shí)，放電功率為0。

(15)

2)電池充電策略

電動(dòng)汽車的充放電的決定因素包括：①用戶的選擇；②實(shí)時(shí)電價(jià)；③電池運(yùn)行狀態(tài)。

電動(dòng)汽車充放電控制模型流程如圖1所示。

圖1 EVs充放電流程

4 算例分析

將1天分48個(gè)時(shí)段電價(jià)，即電價(jià)的調(diào)整是建立在以30 min為時(shí)間分辨率的序列，如圖2所示。

以比亞迪e6[14]、榮威E50[15]、日產(chǎn)Leaf[16]、力帆620[17]4種電動(dòng)汽車為例。取電池最大容量降低到額定容量的70%時(shí)為電池壽命終止，則電池最大循環(huán)次數(shù)為10 000次。表1為4種品牌電動(dòng)汽車的電池參數(shù)。

取電池的充電效率和放電效率都為0.92[7]，電池的電能容量服務(wù)價(jià)格pcap參照《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》，取0.012元/(kWh·h)。由式(2)計(jì)算各品牌電動(dòng)汽車電池的吞吐量成本。表2為4種品牌電動(dòng)汽車電池的吞吐量成本。

表1 4種品牌EVs的電池參數(shù)

圖2 實(shí)時(shí)電價(jià)

表2 4種品牌電動(dòng)汽車電池的吞吐量成本

提供的實(shí)時(shí)電價(jià)，以電池吞吐量成本最低的比亞迪e6和最高的日產(chǎn)Leaf為例，分析兩種電動(dòng)汽車在實(shí)時(shí)電價(jià)下的盈利情況。取電池的充電效率和放電效率都為0.92，最小續(xù)航值取20 km。

通過Matlab編程計(jì)算，得到比亞迪e6和日產(chǎn)Leaf在一天內(nèi)各個(gè)時(shí)間段的放電電價(jià)和放電成本價(jià)，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可得比亞迪e6和日產(chǎn)Leaf的可盈利充電和放電時(shí)間段，如表3所示。

表3 比亞迪e6和日產(chǎn)Leaf的可盈利充電和放電時(shí)間段

由表3可以看出比亞迪e6的可盈利充電時(shí)間段和放電時(shí)間段出現(xiàn)了重疊部分，即在22:00至23:30時(shí)間段比亞迪e6既可以充電也可以放電。但事實(shí)上，比亞迪e6并不能在該時(shí)段進(jìn)行先充電再放電。如果在該時(shí)段充電，那么只能到第2天才有可盈利的放電空間。因此，比亞迪e6一天只能進(jìn)行一次充放電調(diào)度。

由圖3和表3可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1)由于日產(chǎn)Leaf的電池額定容量比比亞迪e6小，所以日產(chǎn)Leaf的可盈利空間小，且在相同條件下的盈利少；

2)比亞迪e6和日產(chǎn)Leaf獲得最大利潤的情景相同，即在02:30至03:30進(jìn)行充電，在08:00至08:30進(jìn)行放電，相應(yīng)的最大電價(jià)差分別為0.323 1(元/kWh)、0.169 5(元/kWh)；

3)比亞迪e6和日產(chǎn)Leaf在該實(shí)時(shí)電價(jià)下，一天只能進(jìn)行一次可盈利的充放電調(diào)度。

此外，當(dāng)用戶選擇的最小續(xù)航值變大時(shí)，或者充電效率變低時(shí)，電動(dòng)汽車的盈利空間將進(jìn)一步降低，甚至出現(xiàn)無法盈利的情況。

兩輛電動(dòng)汽車可盈利的充電時(shí)間段屬于電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，此時(shí)段電價(jià)低，且電網(wǎng)側(cè)有增加負(fù)荷量的需求；放電的3個(gè)時(shí)間段都是用電高峰期，此時(shí)段電價(jià)高，且電網(wǎng)側(cè)有轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷的需求。因此，該充放電選擇與電網(wǎng)削峰填谷的策略相符，與電網(wǎng)側(cè)需求一致。

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