余桂華，姚海燕，崔金棟，劉珊珊

（1.杭州凱達(dá)電力建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311199；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭分公司，浙江 杭州 310030；3.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

智能配電網(wǎng)的建設(shè)使得電網(wǎng)獲取EV車主對(duì)電價(jià)的反饋更及時(shí)，通過(guò)用戶對(duì)電價(jià)的需求響應(yīng)度，可制定合理的電價(jià)機(jī)制，利用經(jīng)濟(jì)杠桿，引導(dǎo)EV車主進(jìn)行有序充電。構(gòu)建電網(wǎng)、充電站以及用戶共同參與的有序充電機(jī)制，以緩解電力供需不平衡、電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)高和峰谷電價(jià)差過(guò)大等問(wèn)題為目的，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)增加EV車主自身的充電效益，鼓勵(lì)用戶積極參與電力市場(chǎng)的調(diào)控，增進(jìn)社會(huì)福利。

1 國(guó)內(nèi)外研究綜述

針對(duì)引導(dǎo)EV有序充電問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開大量研究，其研究成果為后續(xù)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]對(duì)用戶出行規(guī)律進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)其充電流量，提出了一種基于微電網(wǎng)調(diào)度的EV動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)制定策略，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通過(guò)價(jià)格信號(hào)可引導(dǎo)EV有序充電。文獻(xiàn)[5]建立了峰谷分時(shí)電價(jià)下EV負(fù)荷波動(dòng)模型，通過(guò)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化EV充電控制，并利用蒙特卡洛方法對(duì)不同EV充電方式進(jìn)行模擬和數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了魔性的可行性。文獻(xiàn)[6]提出在分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)下的EV分層調(diào)度策略，通過(guò)算例模擬證明分時(shí)電價(jià)可引導(dǎo)EV進(jìn)行需求響應(yīng)，從而降低電網(wǎng)波動(dòng)程度，達(dá)到削峰填谷的目的[6]。文獻(xiàn)[7]為提高環(huán)境效益，提出基于分時(shí)電價(jià)的EV充電控制策略，通過(guò)差分法證明EV有序充電可提高環(huán)境效益，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[8]提出了一種協(xié)調(diào)定價(jià)模型，通過(guò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移來(lái)減少居民用電與EV充電站負(fù)荷之間的重疊，以降低分時(shí)電價(jià)下峰谷差[8]。文獻(xiàn)[9]為解決EV調(diào)度問(wèn)題，提出一種在分時(shí)電價(jià)下的多時(shí)間調(diào)度模型，通過(guò)博弈法驗(yàn)證了模型的有效性。文獻(xiàn)[10]等人根據(jù)不同類型的用戶的負(fù)荷特點(diǎn)，與固定電價(jià)、分時(shí)電價(jià)相比分析各類用戶的響應(yīng)程度，從高峰時(shí)刻用電量、峰谷差、需求響應(yīng)度等3方面分析電網(wǎng)的運(yùn)行效率[10]。

在EV有序充電的研究中，大多基于用戶完全響應(yīng)電價(jià)策略的假設(shè)下制定EV有序充電策略，沒(méi)有充分考慮到EV用戶實(shí)際自主選擇意愿。用戶的生活方式，個(gè)人習(xí)慣，駕駛行為等對(duì)需求響應(yīng)度都有一定的影響，因此，對(duì)需求響應(yīng)的研究需要考慮用戶的不確定性，而且峰谷分時(shí)電價(jià)機(jī)制過(guò)于固定，欠缺靈活性。在智能配電網(wǎng)背景下，對(duì)于EV用戶的充電負(fù)荷能夠快速得到，所以可引入動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)作為經(jīng)濟(jì)杠桿來(lái)引導(dǎo)EV有序充電。

2 大規(guī)模電動(dòng)汽車無(wú)序充電產(chǎn)生的問(wèn)題

隨著EV的發(fā)展與普及，我國(guó)EV保有量激增，大量EV無(wú)序接入電網(wǎng)使電網(wǎng)產(chǎn)生一系列問(wèn)題，包括電力系統(tǒng)設(shè)備容量不足、配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降、配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行安全性降低等。

電力系統(tǒng)設(shè)備容量不足。充電站電力設(shè)備容量配置、運(yùn)行規(guī)劃是電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)的一部分，充電站的運(yùn)行情況及充電負(fù)荷大小影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，電動(dòng)汽車無(wú)序接入電網(wǎng)所帶來(lái)的負(fù)荷增加間接地對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷構(gòu)架及運(yùn)行特性帶來(lái)不良影響。在這種情況下，仍沿用原有電網(wǎng)配置將無(wú)法滿足電動(dòng)汽車無(wú)序充電的需求，在考量電力系統(tǒng)設(shè)備成本的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充電才是保證電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵手段。

配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)由整流器、功率變換器以及濾波器共同組成，其中包含了大量的非線性電力電子元件。文獻(xiàn)[16]研究表明，大規(guī)模電動(dòng)汽車充電負(fù)荷接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波影響，使變壓器處于過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，直接縮短變壓器壽命。因此，電動(dòng)汽車無(wú)序充電所導(dǎo)致的諧波污染對(duì)配電網(wǎng)造成影響，配電網(wǎng)電能質(zhì)量降低，無(wú)法滿足電動(dòng)汽車用戶的充電要求，還會(huì)影響正常的居民用電。

配電設(shè)備運(yùn)行安全性降低。用戶充電習(xí)慣與其出行習(xí)慣息息相關(guān)，不同用戶的充電行為具有隨機(jī)性，這種隨機(jī)性將導(dǎo)致電動(dòng)汽車用戶充電行為的無(wú)序性。電動(dòng)汽車充電的無(wú)序性使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制工作出現(xiàn)問(wèn)題。由于電動(dòng)汽車用戶多選擇下班回家后在用電高峰期充電，因此會(huì)造成用電負(fù)荷增長(zhǎng)、變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)載狀態(tài)，從而影響變壓器安全穩(wěn)定的運(yùn)行，長(zhǎng)此以往，會(huì)給電網(wǎng)增加大量不必要的維修成本。

3 動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)與電動(dòng)汽車有序充電的關(guān)系及影響

3.1 動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)與電動(dòng)汽車用戶需求響應(yīng)關(guān)系

需求響應(yīng)，作為需求側(cè)管理的方案之一，通常使用直接給予車主補(bǔ)貼或者調(diào)整電價(jià)方式，引導(dǎo)車主從自身經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，合理安排充電時(shí)間，從而保證電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷平穩(wěn)和安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著經(jīng)濟(jì)向前發(fā)展，電力行業(yè)成為了保障民生的必不可少的一環(huán)，信息技術(shù)的不斷提高下智能配電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，這也為電網(wǎng)實(shí)行動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)機(jī)制提供技術(shù)支持。相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)，智能配電網(wǎng)中的雙向信息流能夠?qū)崿F(xiàn)車主與電網(wǎng)的連接與互動(dòng)，需求響應(yīng)則是調(diào)整智能電網(wǎng)中供需水平的重要機(jī)制。其中價(jià)格型需求響應(yīng)機(jī)制是針對(duì)小規(guī)模充電車主較為有效地響應(yīng)機(jī)制，其作用機(jī)理就是供給側(cè)通過(guò)調(diào)整電價(jià)的高低水平，來(lái)反映電網(wǎng)供電成本的時(shí)段差異，引導(dǎo)車主通過(guò)時(shí)段差異價(jià)格，做出經(jīng)濟(jì)效益更高的選擇。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)作為配電市場(chǎng)需求響應(yīng)的理想電價(jià)調(diào)節(jié)機(jī)制之一，正逐步應(yīng)用到實(shí)際生活中，其獨(dú)特的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)電價(jià)的能力，能夠調(diào)動(dòng)車主參與到電價(jià)響應(yīng)中來(lái)。

3.2 基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)對(duì)有序充電的影響

在峰谷分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，EV車主通常會(huì)選擇在低電價(jià)時(shí)段進(jìn)行充電，由于充電負(fù)荷過(guò)于集中，所以如圖1，2021年5月15日浙江杭州余杭區(qū)居民用電負(fù)荷與電動(dòng)汽車充電疊加后負(fù)荷曲線中所示，在居民用電高峰期時(shí)出現(xiàn)峰上加峰的現(xiàn)象，原本的負(fù)荷峰值上升到了新的峰值，這一現(xiàn)象給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患，長(zhǎng)期激增的負(fù)荷給電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)壓力，電網(wǎng)損耗速度加快，電能質(zhì)量隨之降低。為降低供給側(cè)高負(fù)荷，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，引導(dǎo)EV有序充電，將集中的負(fù)荷進(jìn)行分?jǐn)偲骄钱?dāng)務(wù)之急。在智能配電網(wǎng)基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)較峰谷分時(shí)電價(jià)更加靈活，因?yàn)榉骞确謺r(shí)電價(jià)劃分的時(shí)段以用戶用電情況劃分的，所以電價(jià)較為固定，EV車主的充電選擇與電價(jià)之間的反饋是單向的，而在動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，電價(jià)通過(guò)用戶每天的用電情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)對(duì)當(dāng)天的用電負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，從而制定第二天的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)，EV用戶與電價(jià)的反饋是雙向的，所以動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)下，更有利于引導(dǎo)EV車主有序充電。

圖1 居民用電負(fù)荷與電動(dòng)汽車充電疊加后負(fù)荷曲線

4 動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)需求響應(yīng)下電動(dòng)汽車有序充電方法

4.1 電網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)負(fù)荷預(yù)測(cè)機(jī)制

動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)負(fù)荷預(yù)測(cè)，一般是指對(duì)未來(lái)較短時(shí)間的電力需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)間隔可精準(zhǔn)到小時(shí)。精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)負(fù)荷預(yù)測(cè)影響著電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、穩(wěn)定運(yùn)行，其在制定發(fā)電站及其發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行計(jì)劃、安排鄰近系統(tǒng)的電力調(diào)度，電力系統(tǒng)應(yīng)急分析和負(fù)荷管理以及能源市場(chǎng)交易過(guò)程中都起著重要的作用。動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)負(fù)荷預(yù)測(cè)有以下特點(diǎn)：首先，動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)負(fù)荷預(yù)測(cè)具有不確定性，負(fù)荷的變化與許多不斷變化的因素有關(guān)，因此不能確定地預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展；其次，在一定時(shí)間尺度上對(duì)當(dāng)前負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，而不同時(shí)刻的負(fù)荷是波動(dòng)的，因此動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)負(fù)荷預(yù)測(cè)具有時(shí)間性；最后，動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)負(fù)荷預(yù)測(cè)是在必要條件和假設(shè)條件下進(jìn)行預(yù)測(cè)的，必要條件是能夠預(yù)測(cè)負(fù)荷變化的基本規(guī)律，在這種條件下的得到預(yù)測(cè)結(jié)果通常是有效的，假設(shè)條件則是在一定的研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析得出的。通過(guò)對(duì)目標(biāo)地區(qū)每天的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，找出電動(dòng)汽車充電與居民用電二者疊加的規(guī)律，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，從而制定明天的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)。

4.2 電動(dòng)汽車用戶動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)響應(yīng)機(jī)制

傳統(tǒng)的到站排隊(duì)，即充即走的方式在EV使用量不斷增加的今天，已經(jīng)無(wú)法滿足EV車主的充電需求。EV無(wú)序充電現(xiàn)象包括：在充電高峰期出現(xiàn)擁堵；在用電低谷期充電車輛寥寥。這種現(xiàn)象不僅給用戶和充電站造成不便，還給電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)劃帶來(lái)不利影響。因此，須通過(guò)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)來(lái)引導(dǎo)到EV有序充電，由于車主個(gè)人的生活方式、空閑時(shí)間以及經(jīng)濟(jì)能力等的不同，所以充電時(shí)間的選擇也不同。通過(guò)用戶與充電站的交互連接，充電站建立智能充電樁，與電網(wǎng)相連接，進(jìn)行電力交易及動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的獲??；充電站與用戶通過(guò)充電站App進(jìn)行互聯(lián)，充電站將充電樁的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶軟件用戶端，用戶通過(guò)App中心上獲得充電站動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)狀況，以及充電樁空閑使用情況。通過(guò)以上信息，用戶決定是否選擇該充電站進(jìn)行充電；若該充電站在動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)下無(wú)空閑充電樁，或者該區(qū)域充電站的充電電價(jià)超出用戶的期望值，用戶可通過(guò)手機(jī)GPS選擇附近其他充電站，再次獲取其他充電站動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)等信息，根據(jù)所獲得的信息，EV車主增加了自主選擇充電時(shí)間的意愿。通過(guò)充電站與用戶的信息互聯(lián)，用戶可獲取更多與自身經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)的信息，通過(guò)所獲得的充電站電價(jià)信息，選擇合適的充電站進(jìn)行充電；而電網(wǎng)通過(guò)調(diào)整不同區(qū)域的充電站電價(jià)水平，通過(guò)EV車主的響應(yīng)程度，逐步降低區(qū)域用電負(fù)荷，降低峰谷負(fù)荷差。

4.3 用戶需求響應(yīng)下動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)調(diào)整機(jī)制

為有效引導(dǎo)EV有序充電，提升用戶需求響應(yīng)度，最關(guān)鍵之處是對(duì)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的調(diào)整。在EV車主的出行成本消費(fèi)觀上，影響因素也存在差異，因此EV車主對(duì)于電價(jià)的響應(yīng)度也不同。因此，電網(wǎng)需建立良好的需求響應(yīng)下動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)調(diào)整機(jī)制，在以每日充電活動(dòng)為周期，結(jié)合用戶充電負(fù)荷，對(duì)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)進(jìn)行調(diào)整。首先對(duì)EV車主用電需求、各時(shí)間節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等信息進(jìn)行收集，通過(guò)充電站App后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)得到充電站在當(dāng)日動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)下的用戶實(shí)際充電情況以及用戶總用電量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理；然后將當(dāng)天與動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)制定有關(guān)，以及用戶對(duì)電價(jià)響應(yīng)程度等數(shù)據(jù)向電網(wǎng)進(jìn)行反饋，電網(wǎng)根據(jù)EV車主的需求響應(yīng)程度以及整體電力系統(tǒng)負(fù)荷情況調(diào)整動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)水平；最后，電網(wǎng)將調(diào)整后的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)下發(fā)至各充電站，車主根據(jù)調(diào)整后電價(jià)再進(jìn)行充電時(shí)間選擇。通過(guò)電網(wǎng)-充電站-用戶三方信息交互，電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)下充電方法，電網(wǎng)能夠及時(shí)掌握充電站的負(fù)荷狀況、EV充電高峰期以及用戶響應(yīng)度，及時(shí)調(diào)整動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)水平，從而不斷提高用戶需求響應(yīng)度。電價(jià)政策發(fā)布初期，EV車主不會(huì)很快的響應(yīng)電價(jià)的變化，此時(shí)，電網(wǎng)的交互系統(tǒng)更加重要，要更精準(zhǔn)的根據(jù)每日用戶的用電變化制訂下一天的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)，讓車主切實(shí)的感受電價(jià)變化所帶來(lái)的包括充電上的便利，充電成本的變化，逐步提升用戶需求響應(yīng)程度。通過(guò)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的調(diào)整達(dá)到降低電網(wǎng)用電高峰負(fù)荷，避免出現(xiàn)“峰上加峰”的情況出現(xiàn)，同時(shí)降低峰谷差。

5 電動(dòng)汽車有序充電方法應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)需求響應(yīng)下EV有序充電的效果，以某一區(qū)域電網(wǎng)為例，將某工作日的24 h劃分為24個(gè)間隔時(shí)段，觀察該地區(qū)EV用戶在峰谷分時(shí)電價(jià)下無(wú)序充電負(fù)荷曲線、在動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)下有序充電的負(fù)荷曲線變化。如圖2所示，EV在峰谷分時(shí)電價(jià)下的負(fù)荷曲線在18:00～22:00達(dá)到負(fù)荷高峰，這段時(shí)期同樣是居民用電高峰期，因此會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)大等問(wèn)題；通過(guò)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)調(diào)控后的EV有序充電負(fù)荷曲線趨于平穩(wěn)，峰谷差減小，該充電方式將減小對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備的壓力。通過(guò)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)，EV用戶自發(fā)響應(yīng)電價(jià)政策，動(dòng)態(tài)調(diào)整該地區(qū)的電力負(fù)荷，能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)設(shè)備損耗度。

圖2 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線

通過(guò)需求響應(yīng)下動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)機(jī)制的應(yīng)用，分析其效果可以得出：使用所提出的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)方法，能夠保證用戶充電需求得到滿足和電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，達(dá)到削峰填谷的目的。由于電網(wǎng)所發(fā)布的動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)以短期負(fù)荷預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，因此電網(wǎng)的各時(shí)段電價(jià)不同，EV車主只有通過(guò)App與充電站進(jìn)行互聯(lián)才能得到準(zhǔn)確地電價(jià)波動(dòng)情況，再據(jù)此合理安排充電計(jì)劃。實(shí)行動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)后，電力市場(chǎng)透明度增加，EV車主對(duì)電價(jià)制定政策有更深層次的理解，因此能夠積極地響應(yīng)電網(wǎng)的引導(dǎo)政策。EV車主根據(jù)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的波動(dòng)情況，增加自我選擇的意愿，且通過(guò)與充電站的雙向互動(dòng)，能夠得到更多充電站的不同電價(jià)水平，充分發(fā)揮了價(jià)格彈性杠桿的作用，提高了EV的充電效益。隨著用戶對(duì)電價(jià)制定的理解和環(huán)保意識(shí)不斷加深，動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)下的有序充電能夠有效避免電能浪費(fèi)，在用戶需求響應(yīng)度逐步提升的情況下，充電站能最大限度的保持充電，同時(shí)也對(duì)充電站運(yùn)行系統(tǒng)的更新升級(jí)提出要求。