基于动态分时电价需求响应下电动汽车有序充电方法

余桂华，姚海燕，崔金栋，刘珊珊

（1.杭州凯达电力建设有限公司，浙江 杭州 311199；2.国网浙江省电力有限公司杭州市余杭分公司，浙江 杭州 310030；3.东北电力大学，吉林 吉林 132012）

智能配电网的建设使得电网获取EV车主对电价的反馈更及时，通过用户对电价的需求响应度，可制定合理的电价机制，利用经济杠杆，引导EV车主进行有序充电。构建电网、充电站以及用户共同参与的有序充电机制，以缓解电力供需不平衡、电网负荷过高和峰谷电价差过大等问题为目的，提高电力系统运行稳定性，同时增加EV车主自身的充电效益，鼓励用户积极参与电力市场的调控，增进社会福利。

1 国内外研究综述

针对引导EV有序充电问题，国内外学者展开大量研究，其研究成果为后续研究打下了坚实的基础。文献[4]对用户出行规律进行分析，预测其充电流量，提出了一种基于微电网调度的EV动态分时电价制定策略，通过仿真实验证实了通过价格信号可引导EV有序充电。文献[5]建立了峰谷分时电价下EV负荷波动模型，通过分时电价优化EV充电控制，并利用蒙特卡洛方法对不同EV充电方式进行模拟和数据分析验证了魔性的可行性。文献[6]提出在分时电价引导下的EV分层调度策略，通过算例模拟证明分时电价可引导EV进行需求响应，从而降低电网波动程度，达到削峰填谷的目的[6]。文献[7]为提高环境效益，提出基于分时电价的EV充电控制策略，通过差分法证明EV有序充电可提高环境效益，降低电网运行成本。文献[8]提出了一种协调定价模型，通过负荷转移来减少居民用电与EV充电站负荷之间的重叠，以降低分时电价下峰谷差[8]。文献[9]为解决EV调度问题，提出一种在分时电价下的多时间调度模型，通过博弈法验证了模型的有效性。文献[10]等人根据不同类型的用户的负荷特点，与固定电价、分时电价相比分析各类用户的响应程度，从高峰时刻用电量、峰谷差、需求响应度等3方面分析电网的运行效率[10]。

在EV有序充电的研究中，大多基于用户完全响应电价策略的假设下制定EV有序充电策略，没有充分考虑到EV用户实际自主选择意愿。用户的生活方式，个人习惯，驾驶行为等对需求响应度都有一定的影响，因此，对需求响应的研究需要考虑用户的不确定性，而且峰谷分时电价机制过于固定，欠缺灵活性。在智能配电网背景下，对于EV用户的充电负荷能够快速得到，所以可引入动态分时电价作为经济杠杆来引导EV有序充电。

2 大规模电动汽车无序充电产生的问题

随着EV的发展与普及，我国EV保有量激增，大量EV无序接入电网使电网产生一系列问题，包括电力系统设备容量不足、配电网电能质量下降、配电网设备运行安全性降低等。

电力系统设备容量不足。充电站电力设备容量配置、运行规划是电网基础建设的一部分，充电站的运行情况及充电负荷大小影响着电网的安全运行。因此，电动汽车无序接入电网所带来的负荷增加间接地对电网的负荷构架及运行特性带来不良影响。在这种情况下，仍沿用原有电网配置将无法满足电动汽车无序充电的需求，在考量电力系统设备成本的基础上，引导电动汽车有序充电才是保证电力设备安全稳定运行的关键手段。

配电网电能质量下降。电动汽车充电系统由整流器、功率变换器以及滤波器共同组成，其中包含了大量的非线性电力电子元件。文献[16]研究表明，大规模电动汽车充电负荷接入电网会对电网产生较大的谐波影响，使变压器处于过载运行状态，直接缩短变压器寿命。因此，电动汽车无序充电所导致的谐波污染对配电网造成影响，配电网电能质量降低，无法满足电动汽车用户的充电要求，还会影响正常的居民用电。

配电设备运行安全性降低。用户充电习惯与其出行习惯息息相关，不同用户的充电行为具有随机性，这种随机性将导致电动汽车用户充电行为的无序性。电动汽车充电的无序性使得电力系统的运行和控制工作出现问题。由于电动汽车用户多选择下班回家后在用电高峰期充电，因此会造成用电负荷增长、变压器长时间处于过载状态，从而影响变压器安全稳定的运行，长此以往，会给电网增加大量不必要的维修成本。

3 动态分时电价与电动汽车有序充电的关系及影响

3.1 动态分时电价与电动汽车用户需求响应关系

需求响应，作为需求侧管理的方案之一，通常使用直接给予车主补贴或者调整电价方式，引导车主从自身经济效益出发，合理安排充电时间，从而保证电网系统负荷平稳和安全稳定运行。随着经济向前发展，电力行业成为了保障民生的必不可少的一环，信息技术的不断提高下智能配电网应运而生，这也为电网实行动态分时电价机制提供技术支持。相比传统配电网，智能配电网中的双向信息流能够实现车主与电网的连接与互动，需求响应则是调整智能电网中供需水平的重要机制。其中价格型需求响应机制是针对小规模充电车主较为有效地响应机制，其作用机理就是供给侧通过调整电价的高低水平，来反映电网供电成本的时段差异，引导车主通过时段差异价格，做出经济效益更高的选择。随着智能配电网的发展，动态分时电价作为配电市场需求响应的理想电价调节机制之一，正逐步应用到实际生活中，其独特的精准调节电价的能力，能够调动车主参与到电价响应中来。

3.2 基于负荷预测的动态分时电价对有序充电的影响

在峰谷分时电价机制下，EV车主通常会选择在低电价时段进行充电，由于充电负荷过于集中，所以如图1，2021年5月15日浙江杭州余杭区居民用电负荷与电动汽车充电叠加后负荷曲线中所示，在居民用电高峰期时出现峰上加峰的现象，原本的负荷峰值上升到了新的峰值，这一现象给电网的安全稳定运行带来隐患，长期激增的负荷给电网设备运行带来压力，电网损耗速度加快，电能质量随之降低。为降低供给侧高负荷，保证电网安全运行，引导EV有序充电，将集中的负荷进行分摊平均是当务之急。在智能配电网基础上，动态分时电价较峰谷分时电价更加灵活，因为峰谷分时电价划分的时段以用户用电情况划分的，所以电价较为固定，EV车主的充电选择与电价之间的反馈是单向的，而在动态分时电价机制下，电价通过用户每天的用电情况进行调节，通过对当天的用电负荷进行负荷预测，从而制定第二天的动态分时电价，EV用户与电价的反馈是双向的，所以动态分时电价下，更有利于引导EV车主有序充电。

图1 居民用电负荷与电动汽车充电叠加后负荷曲线

4 动态分时电价需求响应下电动汽车有序充电方法

4.1 电网系统动态分时电价负荷预测机制

动态分时电价负荷预测，一般是指对未来较短时间的电力需求进行预测，其预测间隔可精准到小时。精准的动态分时电价负荷预测影响着电力系统的经济效益、稳定运行，其在制定发电站及其发电机组的运行计划、安排邻近系统的电力调度，电力系统应急分析和负荷管理以及能源市场交易过程中都起着重要的作用。动态分时电价负荷预测有以下特点：首先，动态分时电价负荷预测具有不确定性，负荷的变化与许多不断变化的因素有关，因此不能确定地预测未来的发展；其次，在一定时间尺度上对当前负荷进行预测，而不同时刻的负荷是波动的，因此动态分时电价负荷预测具有时间性；最后，动态分时电价负荷预测是在必要条件和假设条件下进行预测的，必要条件是能够预测负荷变化的基本规律，在这种条件下的得到预测结果通常是有效的，假设条件则是在一定的研究基础上，经过反复分析得出的。通过对目标地区每天的历史负荷数据进行聚类分析，找出电动汽车充电与居民用电二者叠加的规律，进行负荷预测，从而制定明天的动态分时电价。

4.2 电动汽车用户动态分时电价响应机制

传统的到站排队，即充即走的方式在EV使用量不断增加的今天，已经无法满足EV车主的充电需求。EV无序充电现象包括：在充电高峰期出现拥堵；在用电低谷期充电车辆寥寥。这种现象不仅给用户和充电站造成不便，还给电网的运行规划带来不利影响。因此，须通过动态分时电价来引导到EV有序充电，由于车主个人的生活方式、空闲时间以及经济能力等的不同，所以充电时间的选择也不同。通过用户与充电站的交互连接，充电站建立智能充电桩，与电网相连接，进行电力交易及动态分时电价的获取；充电站与用户通过充电站App进行互联，充电站将充电桩的数据通过互联网实时发送到用户软件用户端，用户通过App中心上获得充电站动态分时电价状况，以及充电桩空闲使用情况。通过以上信息，用户决定是否选择该充电站进行充电；若该充电站在动态分时电价下无空闲充电桩，或者该区域充电站的充电电价超出用户的期望值，用户可通过手机GPS选择附近其他充电站，再次获取其他充电站动态分时电价等信息，根据所获得的信息，EV车主增加了自主选择充电时间的意愿。通过充电站与用户的信息互联，用户可获取更多与自身经济效益相关的信息，通过所获得的充电站电价信息，选择合适的充电站进行充电；而电网通过调整不同区域的充电站电价水平，通过EV车主的响应程度，逐步降低区域用电负荷，降低峰谷负荷差。

4.3 用户需求响应下动态分时电价调整机制

为有效引导EV有序充电，提升用户需求响应度，最关键之处是对动态分时电价的调整。在EV车主的出行成本消费观上，影响因素也存在差异，因此EV车主对于电价的响应度也不同。因此，电网需建立良好的需求响应下动态分时电价调整机制，在以每日充电活动为周期，结合用户充电负荷，对动态分时电价进行调整。首先对EV车主用电需求、各时间节点负荷等信息进行收集，通过充电站App后台数据监控系统得到充电站在当日动态分时电价的引导下的用户实际充电情况以及用户总用电量等数据，进行整理；然后将当天与动态分时电价制定有关，以及用户对电价响应程度等数据向电网进行反馈，电网根据EV车主的需求响应程度以及整体电力系统负荷情况调整动态分时电价水平；最后，电网将调整后的动态分时电价下发至各充电站，车主根据调整后电价再进行充电时间选择。通过电网-充电站-用户三方信息交互，电动汽车动态分时电价下充电方法，电网能够及时掌握充电站的负荷状况、EV充电高峰期以及用户响应度，及时调整动态分时电价水平，从而不断提高用户需求响应度。电价政策发布初期，EV车主不会很快的响应电价的变化，此时，电网的交互系统更加重要，要更精准的根据每日用户的用电变化制订下一天的动态分时电价，让车主切实的感受电价变化所带来的包括充电上的便利，充电成本的变化，逐步提升用户需求响应程度。通过动态分时电价的调整达到降低电网用电高峰负荷，避免出现“峰上加峰”的情况出现，同时降低峰谷差。

5 电动汽车有序充电方法应用效果分析

为验证动态分时电价需求响应下EV有序充电的效果，以某一区域电网为例，将某工作日的24 h划分为24个间隔时段，观察该地区EV用户在峰谷分时电价下无序充电负荷曲线、在动态分时电价的引导下有序充电的负荷曲线变化。如图2所示，EV在峰谷分时电价下的负荷曲线在18:00～22:00达到负荷高峰，这段时期同样是居民用电高峰期，因此会导致配电网负荷过大等问题；通过动态分时电价调控后的EV有序充电负荷曲线趋于平稳，峰谷差减小，该充电方式将减小对配电网设备的压力。通过动态分时电价的引导，EV用户自发响应电价政策，动态调整该地区的电力负荷，能够提高电力系统的稳定性，降低电网设备损耗度。

图2 电动汽车充电负荷曲线

通过需求响应下动态分时电价机制的应用，分析其效果可以得出：使用所提出的动态分时电价方法，能够保证用户充电需求得到满足和电网设备安全稳定运行的情况下，达到削峰填谷的目的。由于电网所发布的动态分时电价以短期负荷预测为基础，因此电网的各时段电价不同，EV车主只有通过App与充电站进行互联才能得到准确地电价波动情况，再据此合理安排充电计划。实行动态分时电价后，电力市场透明度增加，EV车主对电价制定政策有更深层次的理解，因此能够积极地响应电网的引导政策。EV车主根据动态分时电价的波动情况，增加自我选择的意愿，且通过与充电站的双向互动，能够得到更多充电站的不同电价水平，充分发挥了价格弹性杠杆的作用，提高了EV的充电效益。随着用户对电价制定的理解和环保意识不断加深，动态分时电价引导下的有序充电能够有效避免电能浪费，在用户需求响应度逐步提升的情况下，充电站能最大限度的保持充电，同时也对充电站运行系统的更新升级提出要求。