馮南希

（北方大賢風(fēng)電科技（北京）有限公司，北京 100029）

0 引 言

目前，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)已涵蓋了整車生產(chǎn)、三大電、三小電以及電池關(guān)鍵材料等領(lǐng)域，基本形成了完備的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈[1]。但是，在車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、充電服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)等方面依然處于探索階段。隨著移動(dòng)互聯(lián)與傳感技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車車主與充電樁建立實(shí)時(shí)在線的聯(lián)系已成趨勢(shì)。然而，現(xiàn)有的充電管理只能為新能源汽車用戶提供充電站實(shí)時(shí)定位，實(shí)時(shí)掌控充電時(shí)間、充電電量，以及充電意外中斷、充電預(yù)約提醒、故障報(bào)警等充電狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)[2]。未來，借助信息互聯(lián)和能源互聯(lián)技術(shù)，新能源汽車借力電力市場(chǎng)改革將帶來新的機(jī)遇。

1 新能源汽車充電管理

市場(chǎng)上的新能源汽車可分為一般家庭用社會(huì)車輛、公務(wù)車輛、運(yùn)營(yíng)車輛、城市短途公共交通車輛、中等距離行駛的公共交通車輛等。運(yùn)營(yíng)車輛的用電量較大，不適合進(jìn)行充電管理。家用車的用電量可分為基礎(chǔ)用電量和可管理用電量[3]?；A(chǔ)用電量即根據(jù)歷史規(guī)律和用車時(shí)段的交通擁堵預(yù)測(cè)、天氣預(yù)測(cè)估計(jì)的基礎(chǔ)需求電量；可管理用電量即除基礎(chǔ)電量外的電池容量，可以選擇最省錢和最環(huán)保兩種充電策略。在滿足基礎(chǔ)用電的情況下，選擇最優(yōu)充電策略的時(shí)間段內(nèi)充滿電即可：

（1）最省錢的策略，即電價(jià)最低的時(shí)段充電；

（2）最環(huán)保的策略，在綠色發(fā)電最多的時(shí)段充電。

綜合考慮氣象服務(wù)、交通大數(shù)據(jù)、用電大數(shù)據(jù)和發(fā)電預(yù)測(cè)，可以分析針對(duì)不同需求的最優(yōu)充放策略。圖1為新能源汽車智慧充電策略。

圖1 新能源汽車智慧充電策略

1.1 基礎(chǔ)用電量

本研究引用一種較為成熟的計(jì)算方法——利用傳統(tǒng)車輛和新能源汽車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)建立車輛的充電負(fù)荷模型，然后用蒙特卡洛迷你方法抽取日行駛里程、真實(shí)充電時(shí)間、充電時(shí)長(zhǎng)等隨機(jī)數(shù)，通過負(fù)荷累加的方法計(jì)算不同時(shí)段內(nèi)新能源汽車的充電負(fù)荷，即基礎(chǔ)用電負(fù)荷[4]。

由于國(guó)內(nèi)新能源汽車充電設(shè)施建設(shè)規(guī)模尚小，暫時(shí)不足以建立充分可靠的歷史數(shù)據(jù)，故采用美國(guó)NHTS2009年調(diào)查統(tǒng)計(jì)的美國(guó)汽車使用者行駛習(xí)慣。它與中國(guó)新能源汽車行駛習(xí)慣大致相同，為9:00-17:00，工作日的出行高峰集中在18:00左右。

顯然，新能源汽車的充電時(shí)長(zhǎng)和新能源汽車的日行駛里程均值之間存在正相關(guān)關(guān)系。從圖2可以看出，工作日及非工作日行駛里程明顯符合指數(shù)分布，所以可以使用擬合方法。

圖2 工作日及非工作日行駛里程分布

進(jìn)行指數(shù)擬合后，得出新能源汽車日行駛的概率密度函數(shù)為：

假設(shè)每次出行后，若電池剩余電量SOC0低于20%，則用戶決定充電，且當(dāng)不足以完成第二天行程時(shí)，無視電池容量大小必定充電。

新能源汽車電池的初始荷電狀態(tài)SOC0和行駛里程有關(guān)：

其中D為實(shí)際行駛里程，L為新能源汽車最大行駛里程。計(jì)算出電池的SOC0后，即可推斷出充電時(shí)長(zhǎng)和充電功率。將所有單輛新能源汽車的日充電曲線疊加后，即為總體日充電曲線。對(duì)周一至周五、周六和周日做加權(quán)平均，即可得出工作日和非工作日的充電需求負(fù)荷曲線。以國(guó)內(nèi)一線城市新能源汽車保有量8.4萬輛為例，可知新能源汽車對(duì)充電的需求與一般城市居民用電需求曲線吻合，尤其對(duì)峰值用電有明顯加重作用。若沒有智能化管理，很容易對(duì)城市電網(wǎng)造成較嚴(yán)重影響，甚至波及電網(wǎng)安全。

1.2 可管理用電量

電力市場(chǎng)的浮動(dòng)價(jià)格為新能源汽車用戶提供了更多的充電選擇。本研究希望通過制定靈活的充電樁管理工具、豐富的大數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品，根據(jù)用戶需要，及時(shí)響應(yīng)、變更取消、充電流程和充放決策，并通過模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)在特定條件下的個(gè)人效益和社會(huì)效益。

2 新能源汽車充電響應(yīng)電力市場(chǎng)

根據(jù)電力市場(chǎng)的發(fā)展程度，新能源汽車對(duì)電力市場(chǎng)的響應(yīng)可分為三類：?jiǎn)渭兊膬r(jià)格響應(yīng)、新能源發(fā)電響應(yīng)和需求側(cè)響應(yīng)。

2.1 價(jià)格響應(yīng)

鑒于充電對(duì)電池性能、壽命有較大影響，故只考慮連續(xù)充電和不連續(xù)充電兩種情況下的最優(yōu)方案。若無實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)，僅在目前市場(chǎng)的狀態(tài)下，兩種情況下的最優(yōu)方案相差較小。本研究選用國(guó)內(nèi)某廠家的家用車作為計(jì)算基礎(chǔ)，其電池的續(xù)駛里程為260 km。在不考慮極端情況下，最長(zhǎng)約3天需充電一次，即考慮充電策略時(shí)，時(shí)長(zhǎng)則為3天。除當(dāng)日的電價(jià)曲線、可再生能源發(fā)電曲線外，還需要至少未來2天的電價(jià)曲線、可再生能源發(fā)電曲線。以30 min為一個(gè)時(shí)間單位做決策，3天共144個(gè)時(shí)間點(diǎn)，即每天不斷更新充電策略。

2.1.1 連續(xù)充電策略

連續(xù)充電指每日可充一次或多次，但每次充電只在連續(xù)的時(shí)間內(nèi)充電，即只充電池額定電量的部分比例。假設(shè)每日2次用車時(shí)段之間對(duì)應(yīng)的電價(jià)為0.5元/度、0.4元/度、0.3元/度，假設(shè)每次用電為額定電量的1/6，記為q。假設(shè)第一天上午用車完畢后，剩余電量為0，則在最近的3天內(nèi)有以下三種充電方案：①第一天下班前充滿電，即6q；②每天下午下班前充夠2次用車電量（2q）；③第一天下午下班前，充夠2次用車電量（2q），第二天下午下班前再充夠2次用車電量（2q），第三天下午下班前充滿電（6q）。3種方案對(duì)應(yīng)的購電單價(jià)分別是：①均單價(jià)：5×6q/6=5q；②均單價(jià)：（5×2q+4×2q+3×2q）/（2+2+6）=4q；③均單價(jià)：（5×2q+4×2q+3×6q）/（2+2+6）=3.6q。可以看出，第三種方案優(yōu)于第一、二種方案。

如何獲得第三種方案的策略是最優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中：Ti是自變量，表示第i次用車前需要充電的時(shí)長(zhǎng)；Eij表示第i次用車前，第j個(gè)時(shí)間單元的電價(jià)；Qc是已知常量，表示做決策時(shí)當(dāng)前的剩余電量；Qbi表示第i次用車時(shí)的基礎(chǔ)電量；Pmax是已知常量，表示新能源汽車充電時(shí)的最大功率；Qmax是已知常量，表示新能源汽車的最大存儲(chǔ)容量；Ni是已知常量，表示2次用車時(shí)段間的總時(shí)間。這里需要注意，Eij的第1個(gè)時(shí)間單元并不是最后一次用車完畢后的第一個(gè)時(shí)間單元，而是通過求解第二層優(yōu)化問題確定的，如下：

其中m=1,2,3,…Ni，是第二層優(yōu)化問題中的自變量。

以上第一層優(yōu)化為含不等式約束的線性優(yōu)化問題，第二層為線性無約束優(yōu)化問題。

2.1.2 不連續(xù)充電策略

當(dāng)2次用車之間的時(shí)段電價(jià)波動(dòng)較大、電價(jià)較低時(shí)段間穿插高電價(jià)時(shí)，相比電池壽命，新能源汽車用戶更關(guān)心短時(shí)電價(jià)效益，可將上述模型擴(kuò)展為不連續(xù)充電策略。與上述模型類似，但在Eij的時(shí)間單元選擇方式上即第二層優(yōu)化問題，略有不同，如下：

其中fij=0、1，是第二層優(yōu)化問題中的自變量，表示2次用車時(shí)段間每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)是否充電。

2.1.3 模擬案例

由于兩類策略較為接近，本研究先以連續(xù)充電情況下的最省錢策略為例進(jìn)行說明。若以上文案例中的數(shù)據(jù)計(jì)算，假設(shè)全部充電時(shí)間均以最大功率充電，最省錢策略為6次用車前分別充電：0.5 h、2.5 h、0.5 h、2.5 h、0.5 h、3.678 h，平均購電單價(jià)為3.3q。而非用車時(shí)段的平均電價(jià)為0.583 3元/（kW·h）。若新能源汽車電池容量為41.4 kW·h，每次約3天使用完，則一年可省442.06元，約占全年充電費(fèi)用的15%。

2.2 新能源發(fā)電響應(yīng)

新能源汽車使用電能作為驅(qū)動(dòng)力，具有高效、低噪、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn)。節(jié)能環(huán)保是新能源汽車重要的銷售策略[5]。但實(shí)際上，新能源汽車很大程度上使用的電力來自污染較高的煤電。如何能使新能源汽車更加清潔，也可以通過電力市場(chǎng)來解決。我國(guó)目前面臨大規(guī)模的棄風(fēng)棄光問題，冬季采暖期，部分省份的新能源限電比例甚至達(dá)到40%。新能源汽車具有的電儲(chǔ)能特性可以在很大程度上緩解該問題[6]。

2.2.1 分布式儲(chǔ)能

新能源儲(chǔ)能通常和氣象具有密切關(guān)系，其發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性也導(dǎo)致了嚴(yán)重的限電問題。但是，目前通過模型已可以相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)新能源短期的發(fā)電量。新能源汽車的可管理用電量能通過信息交互系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)新能源出力。每一輛新能源汽車可被視為一個(gè)可移動(dòng)的儲(chǔ)能設(shè)施，而儲(chǔ)能被認(rèn)為是最有效解決可再生能源限電問題的技術(shù)[7]。

新能源汽車不僅可以獲得更加綠色的電力，還可以享受電價(jià)上的優(yōu)惠。由于新能源發(fā)電特性趨于零邊際成本，在限電情況下，新能源發(fā)電企業(yè)更偏向于降價(jià)出售，形成需求增加反而降低價(jià)格的市場(chǎng)特性。

2.2.2 新能源充電策略

最環(huán)保策略與最省錢策略類似，只是目標(biāo)函數(shù)中的電價(jià)曲線需更換為新能源發(fā)電曲線，且目標(biāo)函數(shù)由最大化轉(zhuǎn)換為最小化，以連續(xù)充電為例，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，Ti是自變量，表示第i次用車前需要充電的時(shí)長(zhǎng)；Gij表示第i次用車前，第j個(gè)時(shí)間單元的清潔可再生能源發(fā)電量；Qc是已知常量，表示做決策時(shí)當(dāng)前的剩余電量；Qbi表示第i次用車時(shí)的基礎(chǔ)電量；Pmax是已知常量，表示新能源汽車充電時(shí)的最大功率；Qmax是已知常量，表示新能源汽車的最大存儲(chǔ)容量；Ni是已知常量，表示2次用車時(shí)段間的總時(shí)間。

第二層優(yōu)化問題如下：

其中m=1,2,3,…Ni，是第二層優(yōu)化問題中的自變量。

2.3 需求側(cè)響應(yīng)

需求側(cè)響應(yīng)是通過提高終端用電效率、優(yōu)化資源配置、實(shí)現(xiàn)最小成本電力服務(wù)所進(jìn)行的用電管理活動(dòng)。需求側(cè)響應(yīng)可分為兩種形式：可調(diào)度和不可調(diào)度。不可調(diào)度的需求側(cè)響應(yīng)即電力終端用戶在電力采購時(shí)響應(yīng)電力價(jià)格曲線的改變。而可調(diào)度的需求側(cè)響應(yīng)則是直接對(duì)可中斷的電力設(shè)施發(fā)送遠(yuǎn)程指令來降低或延后負(fù)荷。

整體上看，隨著新能源汽車市場(chǎng)占有率的不斷提升和電力市場(chǎng)的不斷完善，新能源汽車的可管理電量可以作為調(diào)峰手段。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過高時(shí)，由新能源汽車儲(chǔ)能動(dòng)力電池向電網(wǎng)饋電；而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)，用來存儲(chǔ)電網(wǎng)可再生能源過剩的發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源發(fā)電的響應(yīng)。

新能源汽車數(shù)量增長(zhǎng)迅速，但遠(yuǎn)程接受電網(wǎng)調(diào)度較困難，將每臺(tái)新能源汽車作為一個(gè)調(diào)度單元并不現(xiàn)實(shí)。通過引導(dǎo)新能源汽車使用者優(yōu)化用電方式，利用價(jià)格信號(hào)使其主動(dòng)響應(yīng)電網(wǎng)，可以使不可調(diào)度的需求側(cè)響應(yīng)在未來電力市場(chǎng)的大背景下發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，新能源汽車如果與可再生能源發(fā)電結(jié)合，可使新能源汽車更加清潔，并能改善和保護(hù)環(huán)境。

根據(jù)《江蘇省電力需求響應(yīng)實(shí)時(shí)細(xì)則》，江蘇省2014年全省最大日用峰谷差達(dá)2.058×107kW·h，夏季電力缺口壓力較大。根據(jù)當(dāng)前新能源汽車的增長(zhǎng)速度來看，假設(shè)到2020年新能源汽車保有量達(dá)到500萬輛，其中1/20集中在華東地區(qū)，有50%的用戶加入需求側(cè)響應(yīng)，每輛新能源汽車電池容量50 kW·h，華東地區(qū)每天即產(chǎn)生6.25×106kW·h的電可調(diào)節(jié)負(fù)荷。新能源汽車可滿足省內(nèi)1/3的電力需求響應(yīng)，潛力巨大。

3 能充電可行性

3.1 經(jīng)濟(jì)角度

通過論證，新能源汽車響應(yīng)電力市場(chǎng)的充電方式具有直接和間接的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。新能源汽車的充電執(zhí)行“在用電波谷時(shí)段充電，波峰時(shí)段售電”這一高效的充電策略。新能源汽車用戶可節(jié)省用車成本，并額外獲得需求側(cè)響應(yīng)補(bǔ)償。電網(wǎng)可節(jié)約大量不必要的電網(wǎng)投資，發(fā)電企業(yè)減少調(diào)峰機(jī)組的投入，同時(shí)有利于提升電力應(yīng)急保障能力，應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害和突發(fā)事件，保障電力供需平衡和生產(chǎn)生活秩序，使得新能源汽車用戶和電網(wǎng)企業(yè)在利益上獲得共贏。

從可再生能源企業(yè)角度，基于邊際收益考慮，發(fā)電成交價(jià)格只要可覆蓋其增量成本即可（包括運(yùn)維費(fèi)等）。在實(shí)際報(bào)價(jià)中，在個(gè)別競(jìng)爭(zhēng)激烈時(shí)段（限電嚴(yán)重時(shí)段），可以申報(bào)較低的價(jià)格（甚至趨近于0），有利于消納可再生能源發(fā)電的可持續(xù)性發(fā)展。

3.2 技術(shù)角度

合理的充電管理策略是電力市場(chǎng)響應(yīng)式充電應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，市場(chǎng)上已有完善的發(fā)用電預(yù)測(cè)能力和成熟的交通、氣象等領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)技術(shù)，策略的制定并不存在技術(shù)問題。結(jié)合上述模型，根據(jù)電價(jià)或可使用的電能性質(zhì)（綠色電力或傳統(tǒng)燃煤高污染電力），可為新能源汽車用戶和充電樁管理者提供詳細(xì)的大數(shù)據(jù)分析支撐，制訂相應(yīng)的最佳充電策略，為智慧充電提供依據(jù)?；谠品?wù)提供每個(gè)充電站具體每日的有效利用小時(shí)數(shù)、高峰期利用率、充電需求人數(shù)、平均充電周期等內(nèi)容。同時(shí)，用戶可有效識(shí)別最適合的充電策略，并根據(jù)自身關(guān)注重點(diǎn)及時(shí)調(diào)整充電策略。

在信息交互方面，策略調(diào)度層為電網(wǎng)調(diào)度中心，策略的執(zhí)行層為充電樁和新能源汽車，層間及層內(nèi)的通信方式是策略執(zhí)行的關(guān)鍵因素。目前，市場(chǎng)上也有成熟的解決方案。

3.3 政策角度

2015年10月發(fā)布的《加快新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》中提到，2020年基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，滿足超過500萬輛新能源汽車的充電需求。

如新能源汽車保有量達(dá)到500萬輛，通過創(chuàng)新需求側(cè)管理模式，將為我國(guó)電力市場(chǎng)提供強(qiáng)有力的支持，而本研究的設(shè)想在很大程度上依托于國(guó)家政策的支持。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)是需求側(cè)響應(yīng)的基礎(chǔ)，本輪電力市場(chǎng)改革自9號(hào)文發(fā)布以來一直在穩(wěn)步推進(jìn)，部分省份有望2019年開啟現(xiàn)貨市場(chǎng)。而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)式充電欠缺的是智能充電標(biāo)準(zhǔn)和可再生能源參與需求側(cè)響應(yīng)匹配交易的細(xì)則，政策和標(biāo)準(zhǔn)的制定將在很大程度上推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展。

4 社會(huì)環(huán)境價(jià)值

實(shí)施電力需求側(cè)管理，有利于削減或轉(zhuǎn)移高峰用電負(fù)荷。同時(shí)，我國(guó)正在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，用光伏、風(fēng)電等新能源替代煤炭為主的火力發(fā)電形式。未來，電力市場(chǎng)通過可再生能源發(fā)電、分布式儲(chǔ)能、智能充電設(shè)備、新能源汽車即刻響應(yīng)發(fā)用電特性和可再生能源發(fā)電特性，緩解季節(jié)性電力緊缺和可再生能源限電問題。

5 結(jié) 論

綜上所述，本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外專業(yè)機(jī)構(gòu)的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新能源汽車市場(chǎng)響應(yīng)式充電的方法與模擬進(jìn)行了探討。具體地，分析新能源汽車的充電管理模式，提出價(jià)格最優(yōu)和環(huán)保最優(yōu)兩種模式。在此基礎(chǔ)上，建立新能源汽車基礎(chǔ)用電量和可管理用電量的數(shù)學(xué)模型，建立不同充電策略的電價(jià)經(jīng)濟(jì)模型和可再生能源模型，并通過案例具體計(jì)算驗(yàn)證。最后，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和計(jì)算案例，論證了兩種模式下的電力市場(chǎng)響應(yīng)式充電方法在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及政策角度上的可行性。新能源汽車的智能充電將為全社會(huì)實(shí)現(xiàn)利益最大化。