實(shí)時(shí)電價(jià)下含V2G功能的電動(dòng)汽車?yán)硇猿浞烹娔Ｐ图捌浞治?/h1>
2016-10-13 10:40:30王彪，尹霞
電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 2016年24期
王 彪，尹 霞
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實(shí)時(shí)電價(jià)下含V2G功能的電動(dòng)汽車?yán)硇猿浞烹娔Ｐ图捌浞治?/p>
王 彪，尹 霞
(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046)
為了利用實(shí)時(shí)電價(jià)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車?yán)硇猿潆?，以電?dòng)汽車運(yùn)營收益最大化為目標(biāo)，以滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充放電容量及電動(dòng)汽車行程需求為約束條件，構(gòu)造了一個(gè)電動(dòng)汽車充放電收益最大化模型，該模型較好地表示電動(dòng)汽車充放電決策。以美國家庭出行調(diào)查為依據(jù)，根據(jù)用戶充出行規(guī)律，采用蒙特卡洛模擬法模擬用戶行程需求，對電動(dòng)汽車充放電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。研究結(jié)果表明，通過響應(yīng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)，理性充放電模型可顯著提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，由于夜間電價(jià)相對便宜而白天相對較高的電價(jià)激勵(lì)，電動(dòng)汽車多在配電系統(tǒng)負(fù)載率較低時(shí)充電，在系統(tǒng)峰荷附近反向放電，從而起到削峰填谷的效應(yīng)。
電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)；收益模型；實(shí)時(shí)電價(jià)；移峰填谷
0 引言
隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展與普及，未來將會(huì)有大量電動(dòng)汽車廣泛接入電網(wǎng)，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷是電力系統(tǒng)重要的新增負(fù)荷。文獻(xiàn)[1-2]對電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算方法進(jìn)行了探索并對中國電動(dòng)汽車在2020年充電負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測。電動(dòng)汽車放電負(fù)荷的特性對充電設(shè)施建設(shè)、系統(tǒng)調(diào)度以及相關(guān)政策分析都有重要意義。電動(dòng)汽車的V2G功能對電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性的提高有益，通過電動(dòng)汽車的電池儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷、提供調(diào)頻、備用等輔助服務(wù), 文獻(xiàn)[3]對電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的影響及電動(dòng)汽車充放電控制與應(yīng)用方面進(jìn)行了研究。電動(dòng)汽車的負(fù)荷組合是一個(gè)挑戰(zhàn)性的工作。無論是充電還是V2G都與電動(dòng)汽車的行駛習(xí)慣、充放電設(shè)施的方便性、電池的特性以及充放電價(jià)格有關(guān)。
目前，利用美國家庭出行調(diào)查數(shù)據(jù)，在認(rèn)為電動(dòng)汽車用戶與現(xiàn)有汽車用戶用車方式基本相同的情況下，討論了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的特征。現(xiàn)有的研究表明，需要通過充電的有序管理緩解隨意充電而形成的充電高峰。有關(guān)V2G的研究目前人們從平均值上比較了V2G功能對電動(dòng)汽車用戶的好處，從一般意義上討論了V2G對電網(wǎng)的影響。
電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷特性研究中的難點(diǎn)在于充放電過程發(fā)生在：① 電動(dòng)汽車處于停駛狀態(tài)；② 車主愿意進(jìn)行充放電；③ 有充放電設(shè)施。第1條與行駛習(xí)慣有關(guān)，通常首先要滿足行駛需求，第3條取決于充放電站的設(shè)置，難點(diǎn)在第2條。目前的研究大都數(shù)采取預(yù)先規(guī)定的方法，如文獻(xiàn)[4]采取電動(dòng)汽車車主以最后一次回到時(shí)刻家充電。
本文構(gòu)造一個(gè)電動(dòng)汽車充放電收益最大化模型，該模型較好地表現(xiàn)了電動(dòng)汽車充放電決策，為進(jìn)一步討論，利用美國汽車行駛數(shù)據(jù)和電價(jià)政策進(jìn)行分析，具體討論不同類型的電動(dòng)汽車用戶的負(fù)荷特征，特別給出了V2G的提供特點(diǎn)。
1 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模型
1.1 動(dòng)力電池容量及電池荷電狀態(tài)
動(dòng)力電池容量是電池性能的指標(biāo)之一，電池容量表示在一定條件下(溫度、終止電壓、放電倍率等)電池所釋放的電量。表示動(dòng)力電池充滿電時(shí)容量。目前人們已經(jīng)開發(fā)了針對不同的應(yīng)用的電池模型，鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池等[5-6]。
電動(dòng)汽車通過動(dòng)力電池充放電與電網(wǎng)發(fā)生關(guān)系，而其中最關(guān)鍵的指標(biāo)是電池荷電狀態(tài)(SOC)。電池的荷電狀態(tài)是用來反映電池的當(dāng)前狀態(tài)，這是國內(nèi)國外較一致的認(rèn)知，其數(shù)值上則定義：電池當(dāng)前電量與完全充電電量的比值，故電池荷電狀態(tài)是以百分制的形式來描述電池當(dāng)前可用容量，表示動(dòng)力電池充滿狀態(tài)，表示動(dòng)力電池放空狀態(tài)。表示電動(dòng)汽車電池起始荷電狀態(tài)，表示電動(dòng)汽車電池終止荷電狀態(tài)。是動(dòng)力電池允許最小荷電狀態(tài)，為了防止動(dòng)力電池過放電，當(dāng)動(dòng)力電池荷電狀態(tài)低于允許最小荷電狀態(tài)時(shí)，中止放電；為了防止動(dòng)力電池過充電，是動(dòng)力電池允許最大荷電狀態(tài)，當(dāng)電池荷電狀態(tài)高于允許最大荷電狀態(tài)時(shí)，中止充電，過充電保護(hù)[7-8]。動(dòng)力電池荷電狀態(tài)分布及其對應(yīng)不同適用情況如圖1所示。
1.2 動(dòng)力電池SOC計(jì)算
1) 電動(dòng)汽車行駛距離已知的條件下，其電池消耗荷電狀態(tài)
2) 當(dāng)給電氣汽車動(dòng)力電池充電時(shí)，充電后的得到荷電狀態(tài)充電
3) 電動(dòng)汽車對電網(wǎng)供電的V2G服務(wù)，電動(dòng)汽車銷售電能，銷售的電池荷電狀態(tài)
1.3 動(dòng)力電池?fù)p耗模型
幾年來，車用動(dòng)力電池研究有了長足的進(jìn)步，目前，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要為鉛酸電池，鎳氫電池，鋰離子電池，這些電池技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，其中鋰離子動(dòng)力電池能量大，密度高，循環(huán)使用壽命高，體積小，質(zhì)量輕，無污染，安全性能較好，鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用廣泛[9-11]。
但電動(dòng)汽車動(dòng)力電池有壽命，每次充放電都會(huì)對電池造成損耗，其充放次數(shù)是有限的，所以就會(huì)有電池充放電成本，動(dòng)力電動(dòng)損耗成本為電池充放點(diǎn)單位電能折合的電池?fù)p耗費(fèi)用率乘以電池的充電電量或放電電量
1.4 日產(chǎn)Altra電動(dòng)汽車動(dòng)力電池
目前電動(dòng)汽車大多采用鋰離子車用動(dòng)力電池，本文采用日產(chǎn)電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)，電池容量為29 kWh。電池充放電功率曲線并不是一條直線，而是一條不規(guī)則的曲線，對于鋰離子動(dòng)力電池而言，其充放電功率曲線可以近似為一條直線，在實(shí)際計(jì)算過程中把動(dòng)力電池充放電功率近似為直線[12]，鋰離子動(dòng)力電池充放電功率近似為7 kW；充電時(shí)間4 h左右，日產(chǎn)電動(dòng)汽車參數(shù)如表1所示。
表1 日產(chǎn)電動(dòng)汽車參數(shù)
2 電動(dòng)汽車行駛數(shù)據(jù)及電價(jià)市場機(jī)制
2.1 美國家庭出行調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析
用戶行為即車輛行駛習(xí)慣是影響電動(dòng)汽車充放電的關(guān)鍵因素，具有隨機(jī)性，電動(dòng)汽車起始充放電時(shí)刻和日行駛距離是對電動(dòng)汽車產(chǎn)生影響的主要用戶行為。本文使用的車輛出行行為數(shù)據(jù)來自于2009年美國交通部對全美家用車輛的出行調(diào)查結(jié)果[13]，為了把數(shù)據(jù)輸入到數(shù)學(xué)模型中去，對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理。把每日行程進(jìn)行分段，例如，汽車一日行程中有四段行程。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果每日行程數(shù)幾乎都在兩至六段。
根據(jù)2009年美國交通部家庭出行調(diào)查報(bào)告，可以統(tǒng)計(jì)汽車用戶一日行程不適用概率情況，如圖2 所示，在一天行程中，汽車用戶有2~3個(gè)使用高峰時(shí)段，第一時(shí)段是7:00—9:00，第二時(shí)段是13:00前后，第三時(shí)段是17:00—19:00，統(tǒng)計(jì)全美家庭出行用戶來說，即使在使用高峰階段，汽車不適用概率最低仍為0.86，這就為汽車電池作為可再生分布式能源V2G服務(wù)提供了時(shí)間上的可能[14]。
圖2 汽車一天中不使用概率情況
2.2 電價(jià)市場機(jī)制
電動(dòng)汽車的充放電電價(jià)對于電動(dòng)汽車充電負(fù)荷和V2G服務(wù)提供的時(shí)間分布具有重要的影響。從充電機(jī)制來說，很多作者建議采用分時(shí)電價(jià)機(jī)制給電動(dòng)汽車充電負(fù)荷充電。文獻(xiàn)[17]給出的分時(shí)電價(jià)，即采用了3段，12:00—7:00電價(jià)最低，8:00—14:00以及2:00—24:00采用中等電價(jià)，而13:00—22:00則使用最高的電價(jià)。
對于提供V2G服務(wù)的電價(jià)，可以根據(jù)其具體服務(wù)的項(xiàng)目按照市場價(jià)格購買。本文研究利用電池儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷，以及在高峰時(shí)段通過銷售電能而獲利。采用的電價(jià)為PJM市場的實(shí)時(shí)電價(jià)[15]。以2013年全年的實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得了24 h的電價(jià)分布。實(shí)時(shí)電價(jià)平均值如圖3所示。
圖3 實(shí)時(shí)電價(jià)平均值
3 電動(dòng)汽車?yán)硇猿浞烹姏Q策模型
圖4 電動(dòng)汽車最優(yōu)充放電運(yùn)行模型
Fig. 4 EV optimal operating and charging/discharging model
模型約束條件如下所述。
1) 電量平衡約束。在一個(gè)周期的時(shí)間里(通常為24 h，第一個(gè)行程開始時(shí)的起始荷電狀態(tài)等于最后一個(gè)行程的電池的荷電狀態(tài)，即在一日行程內(nèi)充電電量減去放電電量為零。
2) 電動(dòng)汽車行程約束。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池起始電量滿足第一個(gè)行程。
(7)
3) 電池荷電狀態(tài)約束。電動(dòng)汽車在每個(gè)時(shí)段充電最大充/放電量要小于電池允許最大荷電狀態(tài)。電動(dòng)汽車在第段行程充放電結(jié)束時(shí)電動(dòng)汽車電量要滿足大于最小允許荷電狀態(tài)，小于最大允許荷電狀態(tài)電動(dòng)汽車在第段行程第個(gè)時(shí)段池充/放電結(jié)束時(shí)電動(dòng)汽車電量要滿足不小于動(dòng)力電池最小允許荷電電量，不大于最大允許荷電電量，共有個(gè)這類約束條件。
(9)
4) 時(shí)間約束。電動(dòng)汽車在同一時(shí)段內(nèi)可以選擇充電或放電但不可同時(shí)進(jìn)行充放電；電動(dòng)汽車在行駛時(shí)不能充電或V2G放電。
(13)
本文建立的電動(dòng)汽車有序充電優(yōu)化模型為混合規(guī)劃模型，使用YALMIP工具箱[16]進(jìn)行求解。
4 基于蒙特卡洛模擬法計(jì)算及分析
4.1 考慮行駛時(shí)間里程速度隨機(jī)性的模擬模型
全面考察電動(dòng)汽車行駛情況與電價(jià)政策的影響，本文按照第2.1節(jié)的方式對出行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。并對PJM的電價(jià)按照第2.2節(jié)的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。進(jìn)一步考慮電動(dòng)汽車用戶不同天的行程數(shù)目的變化以及行程的距離，開始時(shí)間等都會(huì)有變化，采用蒙特卡洛模擬可得到實(shí)際電價(jià)、行駛特點(diǎn)情況下電動(dòng)汽車充放電特點(diǎn)[17-21]。
首先按照行程的概率選擇當(dāng)日的行程，然后根據(jù)行程次數(shù)的類別中開始時(shí)間的分布，行駛時(shí)間的分布以及行駛速度的分布，求得獲得一個(gè)確定的當(dāng)日行駛安排。然后利用充放電模型進(jìn)行充放電決策，其流程如圖5所示。
實(shí)際仿真結(jié)果表明，在模擬5000次后電動(dòng)汽車日平均充放電收益平均值基本不變，為兼顧計(jì)算速度及精度，將蒙特卡羅模擬次數(shù)設(shè)為5000次。
充放電當(dāng)都采用實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí)，電動(dòng)汽車則有較好的收益?？蓪ASE A當(dāng)做現(xiàn)有的電價(jià)水平下的電動(dòng)汽車含V2G的情況，而將CASE B 近似的將電動(dòng)汽車看成是電力市場一份子，顯然在CASE B中電動(dòng)汽車電池的存儲(chǔ)收益是相當(dāng)可觀的。這也為未來的電價(jià)制定留下了相當(dāng)大的空間。按照第3.1節(jié)給出的算法，在充電電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)，而V2G電價(jià)采用PJM的實(shí)時(shí)電價(jià)(稱之為CASE A)，以及充電電價(jià)和放電電價(jià)均采用實(shí)時(shí)電價(jià)(稱之為CASE B)，求得電動(dòng)汽車的運(yùn)行成本收據(jù)，如表2所示。
圖5 基于蒙特卡洛模擬的電動(dòng)汽車收益計(jì)算流程
表2 2~6段行程收益值
4.2 充放電量特性分析
目前，部分文獻(xiàn)根據(jù)全美家用車輛的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，假設(shè)電動(dòng)汽車開始充電時(shí)刻為最后一次出行返回時(shí)刻，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，則起始充電時(shí)刻大致可以認(rèn)為滿足正態(tài)分布，并通過計(jì)算得到正態(tài)分布，均值，均方差。從而可以得到電動(dòng)汽車起始充電時(shí)刻數(shù)學(xué)模型。電動(dòng)汽車所消耗的電量與出行距離相關(guān)，并根據(jù)全美家用車輛的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出結(jié)論，日行駛里程滿足對數(shù)正態(tài)分布，均，均方差。從而可以得到電動(dòng)汽車起始荷電狀態(tài)數(shù)學(xué)模型。若電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)采用本文中的日產(chǎn)純電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)，從而可以得到平均單輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線，如圖6所示。
圖6 單輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷
以電動(dòng)汽車開始充電時(shí)刻認(rèn)為最后一次出行返回時(shí)刻，則由圖6可知，則電動(dòng)汽車充電負(fù)荷低谷在24:00—10:00；而充電負(fù)荷高峰在16:00—22:00，在4:00—7:00幾乎沒有充電負(fù)荷，在18:00—19:00達(dá)到充電負(fù)荷最高峰，這不僅沒有達(dá)到削峰填谷的目的，反而加劇了峰谷差。
圖7 實(shí)時(shí)電價(jià)下單輛電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷
圖7為實(shí)時(shí)電價(jià)下單輛電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷圖，當(dāng)沒有V2G功能時(shí)，通過充電僅補(bǔ)償交通行駛消耗的電池電能。按照實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，其充電曲線分布如圖所示。由充電曲線可以發(fā)現(xiàn)，對實(shí)時(shí)電價(jià)而言,其不同小時(shí)的電價(jià)是不同的，因此其分布也就更加具有變化性(例如在15:00時(shí)刻還有不可忽視的充電電量)，而不進(jìn)行V2G 服務(wù)的情況相比，進(jìn)行V2G 務(wù)后的尼桑電池充電量增加了10.7 kWh，是其不參與V2G服務(wù)時(shí)充電量的1.63倍。這些新增加的電量將作為V2G服務(wù)返回給了電網(wǎng)，也就是說，如果采用對等的電價(jià)機(jī)制,電動(dòng)汽車主在自愿的原則下,會(huì)提供至少與交通耗電相當(dāng)?shù)碾娏窟M(jìn)行V2G服務(wù).電動(dòng)汽車進(jìn)行V2G服務(wù)的潛力非常大。有如此大的電量進(jìn)行V2G 服務(wù)的原因是在充電和V2G均采用實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí)，V2G 的收益比較好。日產(chǎn)電池提供V2G 服務(wù)后增加了40.21美分的收益,減去其充電增加的充電費(fèi)用以及因?yàn)槎噙M(jìn)行充放電而形成的電池?fù)p耗費(fèi)用,一日還可增加收益30.56美分。
本文采用實(shí)時(shí)電價(jià)的目的有兩個(gè)：① 說明當(dāng)充放電電價(jià)采用具有相同水平的實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí),即便考慮電池的損耗，電動(dòng)汽車電池提供V2G 服務(wù)可以讓電動(dòng)汽車獲得更多的利益；② 說明由于電動(dòng)汽車在采用實(shí)時(shí)電價(jià)作為充放電電價(jià)后,其可以獲取的利益相對非常大，且V2G功能實(shí)現(xiàn)后有足夠的經(jīng)濟(jì)空間通過成立中間的組織實(shí)施管理有序充電。這再次說明如果采用實(shí)時(shí)電價(jià),則只有動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)時(shí)電價(jià),才有可能平抑新的充電高峰。
5 結(jié)論
本文根據(jù)2011年美國交通部對全美家用車輛的出行調(diào)查結(jié)果，結(jié)合日產(chǎn)純電動(dòng)汽車運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，以電動(dòng)汽車運(yùn)營效益最大化為目標(biāo)，以電動(dòng)汽車充放電容量滿足電動(dòng)汽車行程需求為約束條件，構(gòu)造了一個(gè)電動(dòng)汽車充放電收益最大化數(shù)學(xué)模型，該模型較好地表示電動(dòng)汽車充放電決策，通過仿真分析，得到以下結(jié)論。
1) 本文利用日行程和電價(jià)信息，構(gòu)造了一個(gè)包含V2G功能的電動(dòng)汽車充、放電模型，為考慮電動(dòng)汽車車主的意愿提供了一種工具。
2) 利用該模型可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車采用V2G技術(shù)后會(huì)給電動(dòng)汽車車主帶來利益，而且還可以協(xié)助電網(wǎng)提供削峰填谷功能，是推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的積極因素。
3) 利用該模型，本文考察了基于美國PJM實(shí)時(shí)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)以及都采用實(shí)時(shí)電價(jià)情況下電動(dòng)汽車的充，放電策略。發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電電價(jià)在批發(fā)的實(shí)時(shí)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)之間存在可調(diào)整的空間，為組織充電供應(yīng)商提供了經(jīng)濟(jì)上的可能性。
4) 本模型還可以進(jìn)一步包含多輛電動(dòng)汽車的情況，進(jìn)而成為討論整體電動(dòng)汽車負(fù)荷的工具。
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(編輯 張愛琴)
Modeling and analysis on the rational charging and discharging of electric vehicle with V2G function under real-time prices
WANG Biao, YIN Xia
(Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou 450046, China)
Under the constraints of power battery charging and discharging capacity and customer travel needs, an EV charging and discharging model is proposed to maximize the electric vehicle economic benefits and coordinate the charging and discharging of EVs. The vehicle travel behavior data used are derived from the National Household Travel Survey (NHTS). Monte Carlo simulation method is utilized to generate the trip's needs of customers based on actual customers' travel rule. The economic benefits of electric vehicle charging/discharging are simulated and analyzed. The results indicate that the economic benefits of the rational charging/discharging model can be significantly improved by responding the time of use electricity price. Meanwhile, due to the relatively cheaper off-peak electricity price at night than the expensive on-peak electricity price during the day, electric vehicles tend to charge at low load time and discharge inversely at peak load time in distribution system so as to achieve peak load shifting.
electric vehicle; power battery; vehicle to grid (V2G); benefits model; real-time price; peak load shifting
10.7667/PSPC152240
河南省科技廳科技發(fā)展項(xiàng)目(20141478)
2015-12-28；
2016-07-22
王 彪(1985-)，男，工程碩士，講師，主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)、電動(dòng)汽車技術(shù)、汽車電子技術(shù)；E-mail: wbhn1985@sina.com 尹 霞(1979-)，女，學(xué)士，講師，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)、電動(dòng)汽車技術(shù)、汽車電子技術(shù)。
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?
實(shí)時(shí)電價(jià)下含V2G功能的電動(dòng)汽車?yán)硇猿浞烹娔Ｐ图捌浞治?/p>
王 彪，尹 霞
(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046)
為了利用實(shí)時(shí)電價(jià)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車?yán)硇猿潆?，以電?dòng)汽車運(yùn)營收益最大化為目標(biāo)，以滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充放電容量及電動(dòng)汽車行程需求為約束條件，構(gòu)造了一個(gè)電動(dòng)汽車充放電收益最大化模型，該模型較好地表示電動(dòng)汽車充放電決策。以美國家庭出行調(diào)查為依據(jù)，根據(jù)用戶充出行規(guī)律，采用蒙特卡洛模擬法模擬用戶行程需求，對電動(dòng)汽車充放電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。研究結(jié)果表明，通過響應(yīng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)，理性充放電模型可顯著提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，由于夜間電價(jià)相對便宜而白天相對較高的電價(jià)激勵(lì)，電動(dòng)汽車多在配電系統(tǒng)負(fù)載率較低時(shí)充電，在系統(tǒng)峰荷附近反向放電，從而起到削峰填谷的效應(yīng)。
電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)；收益模型；實(shí)時(shí)電價(jià)；移峰填谷
0 引言
隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展與普及，未來將會(huì)有大量電動(dòng)汽車廣泛接入電網(wǎng)，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷是電力系統(tǒng)重要的新增負(fù)荷。文獻(xiàn)[1-2]對電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算方法進(jìn)行了探索并對中國電動(dòng)汽車在2020年充電負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測。電動(dòng)汽車放電負(fù)荷的特性對充電設(shè)施建設(shè)、系統(tǒng)調(diào)度以及相關(guān)政策分析都有重要意義。電動(dòng)汽車的V2G功能對電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性的提高有益，通過電動(dòng)汽車的電池儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷、提供調(diào)頻、備用等輔助服務(wù), 文獻(xiàn)[3]對電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的影響及電動(dòng)汽車充放電控制與應(yīng)用方面進(jìn)行了研究。電動(dòng)汽車的負(fù)荷組合是一個(gè)挑戰(zhàn)性的工作。無論是充電還是V2G都與電動(dòng)汽車的行駛習(xí)慣、充放電設(shè)施的方便性、電池的特性以及充放電價(jià)格有關(guān)。
目前，利用美國家庭出行調(diào)查數(shù)據(jù)，在認(rèn)為電動(dòng)汽車用戶與現(xiàn)有汽車用戶用車方式基本相同的情況下，討論了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的特征。現(xiàn)有的研究表明，需要通過充電的有序管理緩解隨意充電而形成的充電高峰。有關(guān)V2G的研究目前人們從平均值上比較了V2G功能對電動(dòng)汽車用戶的好處，從一般意義上討論了V2G對電網(wǎng)的影響。
電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷特性研究中的難點(diǎn)在于充放電過程發(fā)生在：① 電動(dòng)汽車處于停駛狀態(tài)；② 車主愿意進(jìn)行充放電；③ 有充放電設(shè)施。第1條與行駛習(xí)慣有關(guān)，通常首先要滿足行駛需求，第3條取決于充放電站的設(shè)置，難點(diǎn)在第2條。目前的研究大都數(shù)采取預(yù)先規(guī)定的方法，如文獻(xiàn)[4]采取電動(dòng)汽車車主以最后一次回到時(shí)刻家充電。
本文構(gòu)造一個(gè)電動(dòng)汽車充放電收益最大化模型，該模型較好地表現(xiàn)了電動(dòng)汽車充放電決策，為進(jìn)一步討論，利用美國汽車行駛數(shù)據(jù)和電價(jià)政策進(jìn)行分析，具體討論不同類型的電動(dòng)汽車用戶的負(fù)荷特征，特別給出了V2G的提供特點(diǎn)。
1 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模型
1.1 動(dòng)力電池容量及電池荷電狀態(tài)
動(dòng)力電池容量是電池性能的指標(biāo)之一，電池容量表示在一定條件下(溫度、終止電壓、放電倍率等)電池所釋放的電量。表示動(dòng)力電池充滿電時(shí)容量。目前人們已經(jīng)開發(fā)了針對不同的應(yīng)用的電池模型，鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池等[5-6]。
電動(dòng)汽車通過動(dòng)力電池充放電與電網(wǎng)發(fā)生關(guān)系，而其中最關(guān)鍵的指標(biāo)是電池荷電狀態(tài)(SOC)。電池的荷電狀態(tài)是用來反映電池的當(dāng)前狀態(tài)，這是國內(nèi)國外較一致的認(rèn)知，其數(shù)值上則定義：電池當(dāng)前電量與完全充電電量的比值，故電池荷電狀態(tài)是以百分制的形式來描述電池當(dāng)前可用容量，表示動(dòng)力電池充滿狀態(tài)，表示動(dòng)力電池放空狀態(tài)。表示電動(dòng)汽車電池起始荷電狀態(tài)，表示電動(dòng)汽車電池終止荷電狀態(tài)。是動(dòng)力電池允許最小荷電狀態(tài)，為了防止動(dòng)力電池過放電，當(dāng)動(dòng)力電池荷電狀態(tài)低于允許最小荷電狀態(tài)時(shí)，中止放電；為了防止動(dòng)力電池過充電，是動(dòng)力電池允許最大荷電狀態(tài)，當(dāng)電池荷電狀態(tài)高于允許最大荷電狀態(tài)時(shí)，中止充電，過充電保護(hù)[7-8]。動(dòng)力電池荷電狀態(tài)分布及其對應(yīng)不同適用情況如圖1所示。
1.2 動(dòng)力電池SOC計(jì)算
1) 電動(dòng)汽車行駛距離已知的條件下，其電池消耗荷電狀態(tài)
2) 當(dāng)給電氣汽車動(dòng)力電池充電時(shí)，充電后的得到荷電狀態(tài)充電
3) 電動(dòng)汽車對電網(wǎng)供電的V2G服務(wù)，電動(dòng)汽車銷售電能，銷售的電池荷電狀態(tài)
1.3 動(dòng)力電池?fù)p耗模型
幾年來，車用動(dòng)力電池研究有了長足的進(jìn)步，目前，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要為鉛酸電池，鎳氫電池，鋰離子電池，這些電池技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，其中鋰離子動(dòng)力電池能量大，密度高，循環(huán)使用壽命高，體積小，質(zhì)量輕，無污染，安全性能較好，鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用廣泛[9-11]。
但電動(dòng)汽車動(dòng)力電池有壽命，每次充放電都會(huì)對電池造成損耗，其充放次數(shù)是有限的，所以就會(huì)有電池充放電成本，動(dòng)力電動(dòng)損耗成本為電池充放點(diǎn)單位電能折合的電池?fù)p耗費(fèi)用率乘以電池的充電電量或放電電量
1.4 日產(chǎn)Altra電動(dòng)汽車動(dòng)力電池
目前電動(dòng)汽車大多采用鋰離子車用動(dòng)力電池，本文采用日產(chǎn)電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)，電池容量為29 kWh。電池充放電功率曲線并不是一條直線，而是一條不規(guī)則的曲線，對于鋰離子動(dòng)力電池而言，其充放電功率曲線可以近似為一條直線，在實(shí)際計(jì)算過程中把動(dòng)力電池充放電功率近似為直線[12]，鋰離子動(dòng)力電池充放電功率近似為7 kW；充電時(shí)間4 h左右，日產(chǎn)電動(dòng)汽車參數(shù)如表1所示。
表1 日產(chǎn)電動(dòng)汽車參數(shù)
2 電動(dòng)汽車行駛數(shù)據(jù)及電價(jià)市場機(jī)制
2.1 美國家庭出行調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析
用戶行為即車輛行駛習(xí)慣是影響電動(dòng)汽車充放電的關(guān)鍵因素，具有隨機(jī)性，電動(dòng)汽車起始充放電時(shí)刻和日行駛距離是對電動(dòng)汽車產(chǎn)生影響的主要用戶行為。本文使用的車輛出行行為數(shù)據(jù)來自于2009年美國交通部對全美家用車輛的出行調(diào)查結(jié)果[13]，為了把數(shù)據(jù)輸入到數(shù)學(xué)模型中去，對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理。把每日行程進(jìn)行分段，例如，汽車一日行程中有四段行程。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果每日行程數(shù)幾乎都在兩至六段。
根據(jù)2009年美國交通部家庭出行調(diào)查報(bào)告，可以統(tǒng)計(jì)汽車用戶一日行程不適用概率情況，如圖2 所示，在一天行程中，汽車用戶有2~3個(gè)使用高峰時(shí)段，第一時(shí)段是7:00—9:00，第二時(shí)段是13:00前后，第三時(shí)段是17:00—19:00，統(tǒng)計(jì)全美家庭出行用戶來說，即使在使用高峰階段，汽車不適用概率最低仍為0.86，這就為汽車電池作為可再生分布式能源V2G服務(wù)提供了時(shí)間上的可能[14]。
圖2 汽車一天中不使用概率情況
2.2 電價(jià)市場機(jī)制
電動(dòng)汽車的充放電電價(jià)對于電動(dòng)汽車充電負(fù)荷和V2G服務(wù)提供的時(shí)間分布具有重要的影響。從充電機(jī)制來說，很多作者建議采用分時(shí)電價(jià)機(jī)制給電動(dòng)汽車充電負(fù)荷充電。文獻(xiàn)[17]給出的分時(shí)電價(jià)，即采用了3段，12:00—7:00電價(jià)最低，8:00—14:00以及2:00—24:00采用中等電價(jià)，而13:00—22:00則使用最高的電價(jià)。
對于提供V2G服務(wù)的電價(jià)，可以根據(jù)其具體服務(wù)的項(xiàng)目按照市場價(jià)格購買。本文研究利用電池儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷，以及在高峰時(shí)段通過銷售電能而獲利。采用的電價(jià)為PJM市場的實(shí)時(shí)電價(jià)[15]。以2013年全年的實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得了24 h的電價(jià)分布。實(shí)時(shí)電價(jià)平均值如圖3所示。
圖3 實(shí)時(shí)電價(jià)平均值
3 電動(dòng)汽車?yán)硇猿浞烹姏Q策模型
圖4 電動(dòng)汽車最優(yōu)充放電運(yùn)行模型
Fig. 4 EV optimal operating and charging/discharging model
模型約束條件如下所述。
1) 電量平衡約束。在一個(gè)周期的時(shí)間里(通常為24 h，第一個(gè)行程開始時(shí)的起始荷電狀態(tài)等于最后一個(gè)行程的電池的荷電狀態(tài)，即在一日行程內(nèi)充電電量減去放電電量為零。
2) 電動(dòng)汽車行程約束。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池起始電量滿足第一個(gè)行程。
(7)
3) 電池荷電狀態(tài)約束。電動(dòng)汽車在每個(gè)時(shí)段充電最大充/放電量要小于電池允許最大荷電狀態(tài)。電動(dòng)汽車在第段行程充放電結(jié)束時(shí)電動(dòng)汽車電量要滿足大于最小允許荷電狀態(tài)，小于最大允許荷電狀態(tài)電動(dòng)汽車在第段行程第個(gè)時(shí)段池充/放電結(jié)束時(shí)電動(dòng)汽車電量要滿足不小于動(dòng)力電池最小允許荷電電量，不大于最大允許荷電電量，共有個(gè)這類約束條件。
(9)
4) 時(shí)間約束。電動(dòng)汽車在同一時(shí)段內(nèi)可以選擇充電或放電但不可同時(shí)進(jìn)行充放電；電動(dòng)汽車在行駛時(shí)不能充電或V2G放電。
(13)
本文建立的電動(dòng)汽車有序充電優(yōu)化模型為混合規(guī)劃模型，使用YALMIP工具箱[16]進(jìn)行求解。
4 基于蒙特卡洛模擬法計(jì)算及分析
4.1 考慮行駛時(shí)間里程速度隨機(jī)性的模擬模型
全面考察電動(dòng)汽車行駛情況與電價(jià)政策的影響，本文按照第2.1節(jié)的方式對出行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。并對PJM的電價(jià)按照第2.2節(jié)的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。進(jìn)一步考慮電動(dòng)汽車用戶不同天的行程數(shù)目的變化以及行程的距離，開始時(shí)間等都會(huì)有變化，采用蒙特卡洛模擬可得到實(shí)際電價(jià)、行駛特點(diǎn)情況下電動(dòng)汽車充放電特點(diǎn)[17-21]。
首先按照行程的概率選擇當(dāng)日的行程，然后根據(jù)行程次數(shù)的類別中開始時(shí)間的分布，行駛時(shí)間的分布以及行駛速度的分布，求得獲得一個(gè)確定的當(dāng)日行駛安排。然后利用充放電模型進(jìn)行充放電決策，其流程如圖5所示。
實(shí)際仿真結(jié)果表明，在模擬5000次后電動(dòng)汽車日平均充放電收益平均值基本不變，為兼顧計(jì)算速度及精度，將蒙特卡羅模擬次數(shù)設(shè)為5000次。
充放電當(dāng)都采用實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí)，電動(dòng)汽車則有較好的收益?？蓪ASE A當(dāng)做現(xiàn)有的電價(jià)水平下的電動(dòng)汽車含V2G的情況，而將CASE B 近似的將電動(dòng)汽車看成是電力市場一份子，顯然在CASE B中電動(dòng)汽車電池的存儲(chǔ)收益是相當(dāng)可觀的。這也為未來的電價(jià)制定留下了相當(dāng)大的空間。按照第3.1節(jié)給出的算法，在充電電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)，而V2G電價(jià)采用PJM的實(shí)時(shí)電價(jià)(稱之為CASE A)，以及充電電價(jià)和放電電價(jià)均采用實(shí)時(shí)電價(jià)(稱之為CASE B)，求得電動(dòng)汽車的運(yùn)行成本收據(jù)，如表2所示。
圖5 基于蒙特卡洛模擬的電動(dòng)汽車收益計(jì)算流程
表2 2~6段行程收益值
4.2 充放電量特性分析
目前，部分文獻(xiàn)根據(jù)全美家用車輛的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，假設(shè)電動(dòng)汽車開始充電時(shí)刻為最后一次出行返回時(shí)刻，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，則起始充電時(shí)刻大致可以認(rèn)為滿足正態(tài)分布，并通過計(jì)算得到正態(tài)分布，均值，均方差。從而可以得到電動(dòng)汽車起始充電時(shí)刻數(shù)學(xué)模型。電動(dòng)汽車所消耗的電量與出行距離相關(guān)，并根據(jù)全美家用車輛的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出結(jié)論，日行駛里程滿足對數(shù)正態(tài)分布，均，均方差。從而可以得到電動(dòng)汽車起始荷電狀態(tài)數(shù)學(xué)模型。若電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)采用本文中的日產(chǎn)純電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)，從而可以得到平均單輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線，如圖6所示。
圖6 單輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷
以電動(dòng)汽車開始充電時(shí)刻認(rèn)為最后一次出行返回時(shí)刻，則由圖6可知，則電動(dòng)汽車充電負(fù)荷低谷在24:00—10:00；而充電負(fù)荷高峰在16:00—22:00，在4:00—7:00幾乎沒有充電負(fù)荷，在18:00—19:00達(dá)到充電負(fù)荷最高峰，這不僅沒有達(dá)到削峰填谷的目的，反而加劇了峰谷差。
圖7 實(shí)時(shí)電價(jià)下單輛電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷
圖7為實(shí)時(shí)電價(jià)下單輛電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷圖，當(dāng)沒有V2G功能時(shí)，通過充電僅補(bǔ)償交通行駛消耗的電池電能。按照實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，其充電曲線分布如圖所示。由充電曲線可以發(fā)現(xiàn)，對實(shí)時(shí)電價(jià)而言,其不同小時(shí)的電價(jià)是不同的，因此其分布也就更加具有變化性(例如在15:00時(shí)刻還有不可忽視的充電電量)，而不進(jìn)行V2G 服務(wù)的情況相比，進(jìn)行V2G 務(wù)后的尼桑電池充電量增加了10.7 kWh，是其不參與V2G服務(wù)時(shí)充電量的1.63倍。這些新增加的電量將作為V2G服務(wù)返回給了電網(wǎng)，也就是說，如果采用對等的電價(jià)機(jī)制,電動(dòng)汽車主在自愿的原則下,會(huì)提供至少與交通耗電相當(dāng)?shù)碾娏窟M(jìn)行V2G服務(wù).電動(dòng)汽車進(jìn)行V2G服務(wù)的潛力非常大。有如此大的電量進(jìn)行V2G 服務(wù)的原因是在充電和V2G均采用實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí)，V2G 的收益比較好。日產(chǎn)電池提供V2G 服務(wù)后增加了40.21美分的收益,減去其充電增加的充電費(fèi)用以及因?yàn)槎噙M(jìn)行充放電而形成的電池?fù)p耗費(fèi)用,一日還可增加收益30.56美分。
本文采用實(shí)時(shí)電價(jià)的目的有兩個(gè)：① 說明當(dāng)充放電電價(jià)采用具有相同水平的實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí),即便考慮電池的損耗，電動(dòng)汽車電池提供V2G 服務(wù)可以讓電動(dòng)汽車獲得更多的利益；② 說明由于電動(dòng)汽車在采用實(shí)時(shí)電價(jià)作為充放電電價(jià)后,其可以獲取的利益相對非常大，且V2G功能實(shí)現(xiàn)后有足夠的經(jīng)濟(jì)空間通過成立中間的組織實(shí)施管理有序充電。這再次說明如果采用實(shí)時(shí)電價(jià),則只有動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)時(shí)電價(jià),才有可能平抑新的充電高峰。
5 結(jié)論
本文根據(jù)2011年美國交通部對全美家用車輛的出行調(diào)查結(jié)果，結(jié)合日產(chǎn)純電動(dòng)汽車運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，以電動(dòng)汽車運(yùn)營效益最大化為目標(biāo)，以電動(dòng)汽車充放電容量滿足電動(dòng)汽車行程需求為約束條件，構(gòu)造了一個(gè)電動(dòng)汽車充放電收益最大化數(shù)學(xué)模型，該模型較好地表示電動(dòng)汽車充放電決策，通過仿真分析，得到以下結(jié)論。
1) 本文利用日行程和電價(jià)信息，構(gòu)造了一個(gè)包含V2G功能的電動(dòng)汽車充、放電模型，為考慮電動(dòng)汽車車主的意愿提供了一種工具。
2) 利用該模型可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車采用V2G技術(shù)后會(huì)給電動(dòng)汽車車主帶來利益，而且還可以協(xié)助電網(wǎng)提供削峰填谷功能，是推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的積極因素。
3) 利用該模型，本文考察了基于美國PJM實(shí)時(shí)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)以及都采用實(shí)時(shí)電價(jià)情況下電動(dòng)汽車的充，放電策略。發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電電價(jià)在批發(fā)的實(shí)時(shí)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)之間存在可調(diào)整的空間，為組織充電供應(yīng)商提供了經(jīng)濟(jì)上的可能性。
4) 本模型還可以進(jìn)一步包含多輛電動(dòng)汽車的情況，進(jìn)而成為討論整體電動(dòng)汽車負(fù)荷的工具。
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(編輯 張愛琴)
Modeling and analysis on the rational charging and discharging of electric vehicle with V2G function under real-time prices
WANG Biao, YIN Xia
(Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou 450046, China)
Under the constraints of power battery charging and discharging capacity and customer travel needs, an EV charging and discharging model is proposed to maximize the electric vehicle economic benefits and coordinate the charging and discharging of EVs. The vehicle travel behavior data used are derived from the National Household Travel Survey (NHTS). Monte Carlo simulation method is utilized to generate the trip's needs of customers based on actual customers' travel rule. The economic benefits of electric vehicle charging/discharging are simulated and analyzed. The results indicate that the economic benefits of the rational charging/discharging model can be significantly improved by responding the time of use electricity price. Meanwhile, due to the relatively cheaper off-peak electricity price at night than the expensive on-peak electricity price during the day, electric vehicles tend to charge at low load time and discharge inversely at peak load time in distribution system so as to achieve peak load shifting.
electric vehicle; power battery; vehicle to grid (V2G); benefits model; real-time price; peak load shifting
10.7667/PSPC152240
河南省科技廳科技發(fā)展項(xiàng)目(20141478)
2015-12-28；
2016-07-22
王 彪(1985-)，男，工程碩士，講師，主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)、電動(dòng)汽車技術(shù)、汽車電子技術(shù)；E-mail: wbhn1985@sina.com 尹 霞(1979-)，女，學(xué)士，講師，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)、電動(dòng)汽車技術(shù)、汽車電子技術(shù)。
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