唐 淵，劉琦穎，張捷妮，曲大鵬，何奉祿

（1.廣州供電局有限公司，廣州 510620；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510630）

0 引言

近年來，由于綠色環(huán)保、節(jié)能減排、能耗低等優(yōu)點，電動汽車行業(yè)發(fā)展迅速。隨著政府相關(guān)扶持政策的出臺和充電設(shè)施的完善，電動汽車已實現(xiàn)了全國范圍內(nèi)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用[1]。大規(guī)模的電動汽車接入電網(wǎng)勢必會對電力系統(tǒng)的運行造成一定程度的影響，為應(yīng)對此類問題，研究人員已做了大量的研究工作。

郭建龍等[2]在歸納充電負荷影響因素和其接入對電網(wǎng)系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上，分析了充電負荷調(diào)控方法和最優(yōu)經(jīng)濟運行的充電模型；周步祥等[3]以配電網(wǎng)負荷方差和上下層調(diào)度計劃偏差綜合最小為上層目標(biāo)，以電動汽車充電時間和費用最小為下層目標(biāo)，建立了計及多種充電模式的電動汽車充電站有序充電雙層優(yōu)化模型；蘇粟等[4]提出基于用戶駕駛行為特性的電動汽車有序充電策略，并根據(jù)計算車輛每次充電的充電量和局域配電網(wǎng)負荷曲線，對電動汽車充電行為進行調(diào)度；劉志珍等[5]根據(jù)確定性分析法和倒序遞推原則，研究了一種不采集電動汽車電池荷電狀態(tài)來實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動汽車群有序充電的控制方法。

目前為止，關(guān)于電動汽車有序充電的理論研究主要集中在有序充電調(diào)控策略這部分[6-7]，關(guān)于用戶的經(jīng)濟回報激勵機制、用戶需求響應(yīng)策略等方面的研究文獻還很少，甚至有些控制決策的研究忽略了用戶的主觀意愿[8-9]。為了深入落實有序充電調(diào)控策略，本文建立了電動汽車充電站在電力體制改革下的運營效益模型，計算了充電站讓利空間和補償價格上限，并根據(jù)用戶參與響應(yīng)的充電量，構(gòu)建了基于用戶響應(yīng)量的補償機制激勵模型。

制定合理的用戶激勵補償策略，可以鼓勵用戶根據(jù)充電補償價格調(diào)整充電安排，提高充電設(shè)備利用率，并在現(xiàn)貨市場下，通過購售電價差獲得一定收益[10]。同時還可以通過補償策略吸引更多用戶充電，使運營商和用戶雙方利益最大化。

1 電力市場化改革下的市場主體關(guān)系

電力市場未完全放開時，電動汽車市場中的交易主體主要有發(fā)電商、供電商（電網(wǎng)）、充電設(shè)施運營商（既可以是電網(wǎng)，也可以是其他企業(yè)）和電動汽車用戶。在電動汽車快速發(fā)展的背景下，電網(wǎng)、運營商和用戶之間已形成相互依賴、相互博弈的格局。

在以往的市場模式之下，電網(wǎng)公司對發(fā)電廠所發(fā)的電量進行統(tǒng)購統(tǒng)銷，依靠賺取購電成本和售電收入之間的差額來獲利，同時在用電負荷低谷期通過電動汽車負荷接入提高機組運行效率，以及為運營商建設(shè)、運營服務(wù)充電站提供一定的技術(shù)支持；運營商作為中間商需要購售電能為電動汽車充電，并通過賺取服務(wù)差價以保證在運營周期內(nèi)得到持續(xù)性盈利，保證充電站的正常運營[11]；用戶則以保證能滿足自身行駛的充電需求前提下，自主地選擇充電時間、充電地點和充電策略。

售電側(cè)市場放開之后，市場中加入了售電公司這一市場交易主體，承擔(dān)起從發(fā)電側(cè)購電向用電側(cè)售電的職責(zé)。由于售電公司數(shù)目眾多，可以充分調(diào)動發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的市場競爭意識。新一輪電改下，市場交易主體之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 主體關(guān)系示意圖

售電側(cè)開放競爭模式下的各主體之間可以自由進行貿(mào)易，充電站運營商或電動汽車用戶可以按照自身意愿選擇從哪家售電公司買電，大用戶也可以與發(fā)電方簽訂直購電協(xié)議；售電公司可經(jīng)過多種方式從不同發(fā)電商處購買電量，銷售給用戶。作為電力市場競爭性銷售最為重要的一部分，售電公司之間競爭的激烈程度反映了電力市場化程度的高低，可以促進降低用電側(cè)電價，促使發(fā)電側(cè)淘汰落后產(chǎn)能、提高能源利用率。電網(wǎng)公司從賺取購售電差價盈利的形式轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g服務(wù)商[12]，負責(zé)輸配電網(wǎng)的運營維護，確保用電質(zhì)量和用電安全性，同時還為電動汽車充電樁供電箱等配套設(shè)施的安裝提供技術(shù)服務(wù)。

2 充電站讓利空間計算

充電設(shè)施運營商（以下簡稱“運營商”）作為充電站的投資者和管理運營者，在電力市場改革背景下，可以通過制定合理的充電策略或電價機制引導(dǎo)電動汽車用戶的充電行為，提高用戶充電滿意度，吸引用戶充電，從而提高充電站自身效益，使電動汽車用戶和充電站均獲得理想利益。

首先需要保證充電站的運營效益，計算充電站的利潤空間和投資回收期，然后在充電站盈利需求的基礎(chǔ)上，確定激勵補償價格上限，為制定合理的用戶激勵補償機制奠定基礎(chǔ)。

2.1 充電站投資運營效益模型

（1）投資成本構(gòu)成

投資建設(shè)一座電動汽車充電站的成本Cevco主要由基礎(chǔ)設(shè)施成本Cb、配電設(shè)施成本Cd和運營成本Co三大部分構(gòu)成[13]。

基礎(chǔ)設(shè)施成本由土地租賃（或購置）費用Crland(Cbland)、設(shè)備建設(shè)安裝費用Cinstall、充電設(shè)備費用nc·Cchareq、充電監(jiān)控及安全監(jiān)控設(shè)備nm·Cmoneq組成。其中，γ=1為充電站選擇租賃場地建設(shè)充電站，每年或每月需交納租賃費用；γ=0為購置充電站場地，投資前期一次性交納場地費用；若站點地面是天然地面，則還需在土地租賃/購置費用中加上場地平整及固化費用 Cbland。Cchareq、Cmoneq分別為充電設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備的單價；nc、nm分別為充電設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備的數(shù)量。

配電設(shè)施成本Cd為：

配電設(shè)施成本由箱式變電站費用Csub、用戶配電柜費用Ccabinet、電纜費用Ccable組成。

運營成本Co為：

充電站的運營成本由電池維護設(shè)備及維護保養(yǎng)費用Cbattm、配電設(shè)施維護成本Cdistm和站內(nèi)員工費用ne·Cemp組成。其中，ne為站內(nèi)員工人數(shù)，Cemp為員工年工資；配電設(shè)施維護成本可按照配電成本的3%估算。

成本計算時，需計算固定資產(chǎn)折舊。充電設(shè)施和配電設(shè)施的設(shè)備殘值率一般為5%，充電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和配電設(shè)備的折舊年限一般分別為6年、3年、10年，計算年度成本時需按上述折舊年限將固定資產(chǎn)折舊。

（2）充電站年收入

在電改背景下，充電站運營收益Ievin一般包括購售電收益Ix、充電費收入Ie、廣告收益Ia和消費合作分紅Ic四個方面即：

購售電收益Ix是指大型充電站可作為電力市場大用戶在合約市場和現(xiàn)貨市場直接向發(fā)電公司購電，再制定面向用戶的統(tǒng)一的充電電價計劃，以基本電價的方式賣給用戶，從中獲取一部分收益。每日的購售電收益計算方式如下：

充電費收入Ie主要形式是以充電服務(wù)費的方式收取，除基本電費外，電動汽車的車主在公用充電設(shè)施充電時需繳納充電服務(wù)費，收費上限標(biāo)準(zhǔn)按當(dāng)?shù)匾?guī)定執(zhí)行。充電站充電費收入與該電站充電服務(wù)費和充電功率有關(guān)，每年充電費收入Ie具體計算如下：

式中：Lt,y為充電站第y日t時段的充電量，kW·h； fz為該站點充電服務(wù)費，元/(kW·h)。

廣告收益Ia和消費合作分紅Ic是充電站衍生的盈利點，充電樁運營商可通過與廣告商合作，在充電樁樁體滾動推送廣告，以獲得廣告收益，廣告收益Ia一般與廣告瀏覽次數(shù)有關(guān)，不同地區(qū)站點人流量不同，廣告收益大小不等。除此之外，充電樁運營商還可以和景區(qū)、游樂場或者餐飲購物地點的停車場合作，在這些區(qū)域設(shè)置公用充電樁，將用戶引入消費場景，刺激其消費欲望，能在一定程度上拉動合作者收益，從而收取適當(dāng)?shù)南M合作分紅，消費合作分紅Ic與合作協(xié)議的具體內(nèi)容有關(guān)。

（3）充電站年利潤

若不考慮用戶激勵補償支出，充電站的年利潤Gevs即充電站總收入Ievin減去投資成本Cevco，再加上政府環(huán)保補貼Sev。

2.2 確定補償價格上限

（1）成本充電服務(wù)費

按照上述投資成本和運營收益，可估算充電站的投資回收期Tf。本文定義成本充電服務(wù)費 fc為：在預(yù)期的投資回收期內(nèi)能收回充電站建設(shè)投資成本的最低充電服務(wù)費價格。若先設(shè)定一個預(yù)期投資回收期Tfs，則可以反推算出成本充電服務(wù)費 fc：

（2）激勵補償價格上限

充電站運營商可以根據(jù)上述計算的成本充電服務(wù)費，在滿足自身利益需求的同時，確定激勵補償價格上限。

式中： fz為該站充電服務(wù)費，元/(kW·h)；q為用戶激勵補償價格，元/(kW·h)； fc為成本充電服務(wù)費，元/(kW·h)。

根據(jù)上式可得到激勵補償價格上限為q≤fz-fc。

3 用戶充電激勵補償決策研究

充電設(shè)施運營商擁有優(yōu)先做出決策的動機和權(quán)利，因而充電設(shè)施運營商為上層主體；用戶根據(jù)上層決策信息，響應(yīng)充電價格，指導(dǎo)自己的充電計劃，因而用戶側(cè)為下層主體。為了保證上層主體和下層主體的共同利益，上層主體需制定不同等級的激勵補償價格，刺激用戶在購電低價時段充電，賺取電價差，下層主體也可以獲得一定補償，減少充電成本。

3.1 補償響應(yīng)機制

通過對日前售電電價詳細分析后，可得到電價的價格趨勢，充電站運營商可選擇固定的低電價時段作為補償時段ΔTk，并根據(jù)補償時段的電價高低，劃分補償時段，并設(shè)置各時段的補償系數(shù)βt，非補償時段的補償系數(shù)βt為0。

用戶的補償金額由用戶參與的響應(yīng)量來決定，只要用戶在存在補償時段內(nèi)參與響應(yīng)充電，都能獲得補償。本文定義用戶當(dāng)日補償充電的響應(yīng)量K為：

式中：βt為用戶在時段t充電的補償系數(shù)，由運營商自行確定，并按照實際電價趨勢調(diào)整，一般低電價時段的補償系數(shù)較高，非補償時段的 βt=0，且充電的充電功率。

結(jié)合充電站實際運營情況和響應(yīng)量大小，將響應(yīng)量K分級，不同等級對應(yīng)的補償價格不同，響應(yīng)量越大，補償價格越高。本文定義用戶補償金額D為：

式中：M為總響應(yīng)量劃分的區(qū)間個數(shù)；qm為各響應(yīng)量區(qū)間的補償價格。響應(yīng)量與補償價格的關(guān)系如圖2所示。

圖2 響應(yīng)量與補償價格的關(guān)系

3.2 基于用戶響應(yīng)量的補償機制激勵模型

下層用戶參與響應(yīng)即可獲得相應(yīng)的補償，用戶參與響應(yīng)的充電量越大，運營商所需支付的補償支出增加，進而削減充電站利潤。所以上層運營商側(cè)制定補償價格時必須以自身充電站收益最大化為原則，用戶側(cè)以參與的響應(yīng)量最大，獲得的補償最大為原則。

為使上層運營商削減的利潤最小和下層用戶獲得的補償最大，建立了用戶激勵補償模型。上層可用充電站的投資回收期表示，下層可用補償金額表示。

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

（1）上層盈利目標(biāo)

若運營商通過充電費返利的方式對用戶充電行為進行補償，考慮補償支出后的充電站年利潤Gevs′為：

式中：Devz為用戶補償年支出，累加電動汽車用戶的補償金額，可計算該充電站每年補償支出年提供充電服務(wù)的總次數(shù)；Du為用戶每次充電響應(yīng)后可得到的補償金額。

充電站的投資回收期最小為：

（2）下層響應(yīng)目標(biāo)

下層用戶以響應(yīng)后的補償金額最大為目標(biāo)：

3.2.2 約束條件

（1）電池充電功率限制

電池充電功率限制為：

式中： pt為電動汽車實際充電功率，kW； pN為電動汽車額定充電功率，kW。

（2）補償價格約束

充電站運營商在制定激勵補償價格機制時，補償價格應(yīng)當(dāng)不超過計算的激勵補償價格上限，以此保證充電站盈利需求。

（3）用戶充電需求約束

用戶在響應(yīng)補償策略的同時，需保證自身電動汽車的充電需求。

式中： Soca為電動汽車離開充電站時的電池實際荷電狀態(tài)；Socexp為電動汽車用戶期望通過此次充電達到的期望荷電狀態(tài)；Soc0為起始荷電狀態(tài)；ηc、Er為電動汽車充電效率和電池額定容量。

3.3 考慮日前電價的補償機制優(yōu)化策略

充電站運營商制定用戶補償機制的具體步驟如下。

（1）分析現(xiàn)貨市場下日前電價特點，選擇較為固定的低電價時段作為補償時段ΔTk，只有在補償時段內(nèi)充電的用戶才能獲得補償，補償金額由響應(yīng)量K決定。

（2）根據(jù)補償時段ΔTk的電價高低，進一步劃分補償時段（ΔT1,ΔT2,…），設(shè)置各時段的補償系數(shù) βt；用戶參與補償機制的響應(yīng)量K由補償系數(shù)和各時段充電量決定，由式（12）計算可得到響應(yīng)量K。

（3）將響應(yīng)量K分級，不同等級對應(yīng)不同的補償價格qm。結(jié)合用戶單次充電參與補償機制的響應(yīng)量K和各級補償價格qm，通過式（13）計算可得到此次充電可獲得的補償金額D。

制定合理的用戶補償機制，需要確定不同響應(yīng)量對應(yīng)的補償價格大小，本文采用多目標(biāo)遺傳算法確定各級補償價格，具體求解流程如圖3所示。

圖3 補償價格求解流程圖

4 仿真實例

4.1 參數(shù)及場景設(shè)置

以某地區(qū)的公共充電站為例進行充電場景模擬，分析充電站投資成本及運營收益，制定用戶充電激勵補償策略。充電站配置15臺40 kW交流充電樁，nt=3；γ=1；nc=40；ne=1；nm=2；ny=365；nt=24；ηc=0.9；fz=0.6元/（kW·h）。本案例不考慮充電站的廣告收益和消費合作分紅，Ia=0，Ic=0。

從2019年5月起，廣東電力現(xiàn)貨市場開始試點運行并進行現(xiàn)貨市場預(yù)結(jié)算，本文選取2019年5月15日、5月16日、6月20日、6月21日、6月22日、6月23日6天現(xiàn)貨市場日前電價的平均值作為日前售電電價hst,y，6天實時電價的平均值作為現(xiàn)貨市場購電電價hxt,y，具體值如表1所示。

表1 日前售電電價與現(xiàn)貨市場購電電價數(shù)據(jù)min/(kW·h)

4.2 算例結(jié)果及分析

按照充電站運營效益模型來計算投資成本。目前許多充電站是由電網(wǎng)公司或者企業(yè)與政府聯(lián)合建設(shè)，土地購置或租賃費用較低，則假設(shè)建設(shè)充電站的土地租賃單價為180元/平/年，15個車位的占地面積約為240 m2，土地租賃費用為4.32萬元/年。充電設(shè)施和配電設(shè)施的設(shè)備殘值率為5%，充電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和配電設(shè)備的折舊年限分別為6年、3年、15年，將固定資產(chǎn)折舊，得到年度成本，投資成本的具體計算結(jié)果如表2所示。

表2 投資成本估算表萬元/年

經(jīng)測算，投資建設(shè)一個配置15臺40 kW交流樁的充電站，每年總成本費用約為20.29萬元。

根據(jù)用戶充電補償優(yōu)化模型，模擬電動汽車充電過程，結(jié)合電價趨勢，確定各個時段的補償系數(shù)，具體值如表3所示。由表可知，用電高峰時段是補償策略中的非補償時段，若用戶選擇在此時段充電，得不到相應(yīng)的補償；在用電低谷時段，補償系數(shù)的值與電價的高低所對應(yīng)，選擇在凌晨04:00:00-07:00:00充電的補償系數(shù)達到0.9，響應(yīng)的用戶可獲得較高返利。

表3 補償系數(shù)

通過仿真計算可以得到，當(dāng)充電樁利用率α小于0.35時，充電站不能實現(xiàn)盈利或發(fā)生虧損。所以本文根據(jù)充電站的充電流量不同，設(shè)定3種充電場景，求解充電樁利用率α分別為α=0.4、α=0.6、α=0.8時的補償價格。充電站運營商可根據(jù)站點的充電樁平均利用率情況，選擇相應(yīng)的補償方案。不同利用率下的用戶激勵補償方案如表4所示。

表4 不同利用率下的用戶激勵補償方案

5 結(jié)束語

本文根據(jù)運營商和用戶的雙方需求，提出了充電站投資運營效益模型和基于用戶響應(yīng)量的補償機制激勵模型，并采用多目標(biāo)遺傳算法對仿真算例進行求解，得到了各時段的補償系數(shù)和不同充電情況下的補償方案。充電站運營商可根據(jù)站點的充電樁平均利用率情況，選擇相應(yīng)的補償方案。在實際運用時，運營商側(cè)需要根據(jù)充電實際的充電情況做出相應(yīng)調(diào)整，仿真結(jié)果可為運營商制定合理的用戶補償策略提供參考。合理的補償策略可以使運營商吸引更多用戶充電，用戶也可以獲得補償，縮減充電成本，達到運營商和用戶雙方利益最大化的目的。