余桂華，姚海燕，崔金棟，劉珊珊

（1.杭州凱達電力建設有限公司，浙江 杭州 311199；2.國網(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，吉林 吉林 132012）

智能配電網(wǎng)的建設使得電網(wǎng)獲取EV車主對電價的反饋更及時，通過用戶對電價的需求響應度，可制定合理的電價機制，利用經(jīng)濟杠桿，引導EV車主進行有序充電。構建電網(wǎng)、充電站以及用戶共同參與的有序充電機制，以緩解電力供需不平衡、電網(wǎng)負荷過高和峰谷電價差過大等問題為目的，提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，同時增加EV車主自身的充電效益，鼓勵用戶積極參與電力市場的調控，增進社會福利。

1 國內外研究綜述

針對引導EV有序充電問題，國內外學者展開大量研究，其研究成果為后續(xù)研究打下了堅實的基礎。文獻[4]對用戶出行規(guī)律進行分析，預測其充電流量，提出了一種基于微電網(wǎng)調度的EV動態(tài)分時電價制定策略，通過仿真實驗證實了通過價格信號可引導EV有序充電。文獻[5]建立了峰谷分時電價下EV負荷波動模型，通過分時電價優(yōu)化EV充電控制，并利用蒙特卡洛方法對不同EV充電方式進行模擬和數(shù)據(jù)分析驗證了魔性的可行性。文獻[6]提出在分時電價引導下的EV分層調度策略，通過算例模擬證明分時電價可引導EV進行需求響應，從而降低電網(wǎng)波動程度，達到削峰填谷的目的[6]。文獻[7]為提高環(huán)境效益，提出基于分時電價的EV充電控制策略，通過差分法證明EV有序充電可提高環(huán)境效益，降低電網(wǎng)運行成本。文獻[8]提出了一種協(xié)調定價模型，通過負荷轉移來減少居民用電與EV充電站負荷之間的重疊，以降低分時電價下峰谷差[8]。文獻[9]為解決EV調度問題，提出一種在分時電價下的多時間調度模型，通過博弈法驗證了模型的有效性。文獻[10]等人根據(jù)不同類型的用戶的負荷特點，與固定電價、分時電價相比分析各類用戶的響應程度，從高峰時刻用電量、峰谷差、需求響應度等3方面分析電網(wǎng)的運行效率[10]。

在EV有序充電的研究中，大多基于用戶完全響應電價策略的假設下制定EV有序充電策略，沒有充分考慮到EV用戶實際自主選擇意愿。用戶的生活方式，個人習慣，駕駛行為等對需求響應度都有一定的影響，因此，對需求響應的研究需要考慮用戶的不確定性，而且峰谷分時電價機制過于固定，欠缺靈活性。在智能配電網(wǎng)背景下，對于EV用戶的充電負荷能夠快速得到，所以可引入動態(tài)分時電價作為經(jīng)濟杠桿來引導EV有序充電。

2 大規(guī)模電動汽車無序充電產(chǎn)生的問題

隨著EV的發(fā)展與普及，我國EV保有量激增，大量EV無序接入電網(wǎng)使電網(wǎng)產(chǎn)生一系列問題，包括電力系統(tǒng)設備容量不足、配電網(wǎng)電能質量下降、配電網(wǎng)設備運行安全性降低等。

電力系統(tǒng)設備容量不足。充電站電力設備容量配置、運行規(guī)劃是電網(wǎng)基礎建設的一部分，充電站的運行情況及充電負荷大小影響著電網(wǎng)的安全運行。因此，電動汽車無序接入電網(wǎng)所帶來的負荷增加間接地對電網(wǎng)的負荷構架及運行特性帶來不良影響。在這種情況下，仍沿用原有電網(wǎng)配置將無法滿足電動汽車無序充電的需求，在考量電力系統(tǒng)設備成本的基礎上，引導電動汽車有序充電才是保證電力設備安全穩(wěn)定運行的關鍵手段。

配電網(wǎng)電能質量下降。電動汽車充電系統(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[16]研究表明，大規(guī)模電動汽車充電負荷接入電網(wǎng)會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波影響，使變壓器處于過載運行狀態(tài)，直接縮短變壓器壽命。因此，電動汽車無序充電所導致的諧波污染對配電網(wǎng)造成影響，配電網(wǎng)電能質量降低，無法滿足電動汽車用戶的充電要求，還會影響正常的居民用電。

配電設備運行安全性降低。用戶充電習慣與其出行習慣息息相關，不同用戶的充電行為具有隨機性，這種隨機性將導致電動汽車用戶充電行為的無序性。電動汽車充電的無序性使得電力系統(tǒng)的運行和控制工作出現(xiàn)問題。由于電動汽車用戶多選擇下班回家后在用電高峰期充電，因此會造成用電負荷增長、變壓器長時間處于過載狀態(tài)，從而影響變壓器安全穩(wěn)定的運行，長此以往，會給電網(wǎng)增加大量不必要的維修成本。

3 動態(tài)分時電價與電動汽車有序充電的關系及影響

3.1 動態(tài)分時電價與電動汽車用戶需求響應關系

需求響應，作為需求側管理的方案之一，通常使用直接給予車主補貼或者調整電價方式，引導車主從自身經(jīng)濟效益出發(fā)，合理安排充電時間，從而保證電網(wǎng)系統(tǒng)負荷平穩(wěn)和安全穩(wěn)定運行。隨著經(jīng)濟向前發(fā)展，電力行業(yè)成為了保障民生的必不可少的一環(huán)，信息技術的不斷提高下智能配電網(wǎng)應運而生，這也為電網(wǎng)實行動態(tài)分時電價機制提供技術支持。相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)，智能配電網(wǎng)中的雙向信息流能夠實現(xiàn)車主與電網(wǎng)的連接與互動，需求響應則是調整智能電網(wǎng)中供需水平的重要機制。其中價格型需求響應機制是針對小規(guī)模充電車主較為有效地響應機制，其作用機理就是供給側通過調整電價的高低水平，來反映電網(wǎng)供電成本的時段差異，引導車主通過時段差異價格，做出經(jīng)濟效益更高的選擇。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，動態(tài)分時電價作為配電市場需求響應的理想電價調節(jié)機制之一，正逐步應用到實際生活中，其獨特的精準調節(jié)電價的能力，能夠調動車主參與到電價響應中來。

3.2 基于負荷預測的動態(tài)分時電價對有序充電的影響

在峰谷分時電價機制下，EV車主通常會選擇在低電價時段進行充電，由于充電負荷過于集中，所以如圖1，2021年5月15日浙江杭州余杭區(qū)居民用電負荷與電動汽車充電疊加后負荷曲線中所示，在居民用電高峰期時出現(xiàn)峰上加峰的現(xiàn)象，原本的負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)定運行帶來隱患，長期激增的負荷給電網(wǎng)設備運行帶來壓力，電網(wǎng)損耗速度加快，電能質量隨之降低。為降低供給側高負荷，保證電網(wǎng)安全運行，引導EV有序充電，將集中的負荷進行分攤平均是當務之急。在智能配電網(wǎng)基礎上，動態(tài)分時電價較峰谷分時電價更加靈活，因為峰谷分時電價劃分的時段以用戶用電情況劃分的，所以電價較為固定，EV車主的充電選擇與電價之間的反饋是單向的，而在動態(tài)分時電價機制下，電價通過用戶每天的用電情況進行調節(jié)，通過對當天的用電負荷進行負荷預測，從而制定第二天的動態(tài)分時電價，EV用戶與電價的反饋是雙向的，所以動態(tài)分時電價下，更有利于引導EV車主有序充電。

圖1 居民用電負荷與電動汽車充電疊加后負荷曲線

4 動態(tài)分時電價需求響應下電動汽車有序充電方法

4.1 電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)分時電價負荷預測機制

動態(tài)分時電價負荷預測，一般是指對未來較短時間的電力需求進行預測，其預測間隔可精準到小時。精準的動態(tài)分時電價負荷預測影響著電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、穩(wěn)定運行，其在制定發(fā)電站及其發(fā)電機組的運行計劃、安排鄰近系統(tǒng)的電力調度，電力系統(tǒng)應急分析和負荷管理以及能源市場交易過程中都起著重要的作用。動態(tài)分時電價負荷預測有以下特點：首先，動態(tài)分時電價負荷預測具有不確定性，負荷的變化與許多不斷變化的因素有關，因此不能確定地預測未來的發(fā)展；其次，在一定時間尺度上對當前負荷進行預測，而不同時刻的負荷是波動的，因此動態(tài)分時電價負荷預測具有時間性；最后，動態(tài)分時電價負荷預測是在必要條件和假設條件下進行預測的，必要條件是能夠預測負荷變化的基本規(guī)律，在這種條件下的得到預測結果通常是有效的，假設條件則是在一定的研究基礎上，經(jīng)過反復分析得出的。通過對目標地區(qū)每天的歷史負荷數(shù)據(jù)進行聚類分析，找出電動汽車充電與居民用電二者疊加的規(guī)律，進行負荷預測，從而制定明天的動態(tài)分時電價。

4.2 電動汽車用戶動態(tài)分時電價響應機制

傳統(tǒng)的到站排隊，即充即走的方式在EV使用量不斷增加的今天，已經(jīng)無法滿足EV車主的充電需求。EV無序充電現(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)的運行規(guī)劃帶來不利影響。因此，須通過動態(tài)分時電價來引導到EV有序充電，由于車主個人的生活方式、空閑時間以及經(jīng)濟能力等的不同，所以充電時間的選擇也不同。通過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，進行電力交易及動態(tài)分時電價的獲取；充電站與用戶通過充電站App進行互聯(lián)，充電站將充電樁的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)實時發(fā)送到用戶軟件用戶端，用戶通過App中心上獲得充電站動態(tài)分時電價狀況，以及充電樁空閑使用情況。通過以上信息，用戶決定是否選擇該充電站進行充電；若該充電站在動態(tài)分時電價下無空閑充電樁，或者該區(qū)域充電站的充電電價超出用戶的期望值，用戶可通過手機GPS選擇附近其他充電站，再次獲取其他充電站動態(tài)分時電價等信息，根據(jù)所獲得的信息，EV車主增加了自主選擇充電時間的意愿。通過充電站與用戶的信息互聯(lián)，用戶可獲取更多與自身經(jīng)濟效益相關的信息，通過所獲得的充電站電價信息，選擇合適的充電站進行充電；而電網(wǎng)通過調整不同區(qū)域的充電站電價水平，通過EV車主的響應程度，逐步降低區(qū)域用電負荷，降低峰谷負荷差。

4.3 用戶需求響應下動態(tài)分時電價調整機制

為有效引導EV有序充電，提升用戶需求響應度，最關鍵之處是對動態(tài)分時電價的調整。在EV車主的出行成本消費觀上，影響因素也存在差異，因此EV車主對于電價的響應度也不同。因此，電網(wǎng)需建立良好的需求響應下動態(tài)分時電價調整機制，在以每日充電活動為周期，結合用戶充電負荷，對動態(tài)分時電價進行調整。首先對EV車主用電需求、各時間節(jié)點負荷等信息進行收集，通過充電站App后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)得到充電站在當日動態(tài)分時電價的引導下的用戶實際充電情況以及用戶總用電量等數(shù)據(jù)，進行整理；然后將當天與動態(tài)分時電價制定有關，以及用戶對電價響應程度等數(shù)據(jù)向電網(wǎng)進行反饋，電網(wǎng)根據(jù)EV車主的需求響應程度以及整體電力系統(tǒng)負荷情況調整動態(tài)分時電價水平；最后，電網(wǎng)將調整后的動態(tài)分時電價下發(fā)至各充電站，車主根據(jù)調整后電價再進行充電時間選擇。通過電網(wǎng)-充電站-用戶三方信息交互，電動汽車動態(tài)分時電價下充電方法，電網(wǎng)能夠及時掌握充電站的負荷狀況、EV充電高峰期以及用戶響應度，及時調整動態(tài)分時電價水平，從而不斷提高用戶需求響應度。電價政策發(fā)布初期，EV車主不會很快的響應電價的變化，此時，電網(wǎng)的交互系統(tǒng)更加重要，要更精準的根據(jù)每日用戶的用電變化制訂下一天的動態(tài)分時電價，讓車主切實的感受電價變化所帶來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程度。通過動態(tài)分時電價的調整達到降低電網(wǎng)用電高峰負荷，避免出現(xiàn)“峰上加峰”的情況出現(xiàn)，同時降低峰谷差。

5 電動汽車有序充電方法應用效果分析

為驗證動態(tài)分時電價需求響應下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個間隔時段，觀察該地區(qū)EV用戶在峰谷分時電價下無序充電負荷曲線、在動態(tài)分時電價的引導下有序充電的負荷曲線變化。如圖2所示，EV在峰谷分時電價下的負荷曲線在18:00～22:00達到負荷高峰，這段時期同樣是居民用電高峰期，因此會導致配電網(wǎng)負荷過大等問題；通過動態(tài)分時電價調控后的EV有序充電負荷曲線趨于平穩(wěn)，峰谷差減小，該充電方式將減小對配電網(wǎng)設備的壓力。通過動態(tài)分時電價的引導，EV用戶自發(fā)響應電價政策，動態(tài)調整該地區(qū)的電力負荷，能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)設備損耗度。

圖2 電動汽車充電負荷曲線

通過需求響應下動態(tài)分時電價機制的應用，分析其效果可以得出：使用所提出的動態(tài)分時電價方法，能夠保證用戶充電需求得到滿足和電網(wǎng)設備安全穩(wěn)定運行的情況下，達到削峰填谷的目的。由于電網(wǎng)所發(fā)布的動態(tài)分時電價以短期負荷預測為基礎，因此電網(wǎng)的各時段電價不同，EV車主只有通過App與充電站進行互聯(lián)才能得到準確地電價波動情況，再據(jù)此合理安排充電計劃。實行動態(tài)分時電價后，電力市場透明度增加，EV車主對電價制定政策有更深層次的理解，因此能夠積極地響應電網(wǎng)的引導政策。EV車主根據(jù)動態(tài)分時電價的波動情況，增加自我選擇的意愿，且通過與充電站的雙向互動，能夠得到更多充電站的不同電價水平，充分發(fā)揮了價格彈性杠桿的作用，提高了EV的充電效益。隨著用戶對電價制定的理解和環(huán)保意識不斷加深，動態(tài)分時電價引導下的有序充電能夠有效避免電能浪費，在用戶需求響應度逐步提升的情況下，充電站能最大限度的保持充電，同時也對充電站運行系統(tǒng)的更新升級提出要求。