考虑电动汽车规模化聚合商的电力市场均衡分析

2024-05-13张晓龙ZHANGXiaolong尹艺霏YINYifei

价值工程 2024年12期

张晓龙 ZHANG Xiao-long；尹艺霏 YIN Yi-fei

（①湖南铁道职业技术学院，株洲 412000；②湖南汽车工程职业学院，株洲 412000）

0 引言

当今世界，百年未有之大变局加速演进，气候变化、局势动荡给全人类生存和发展带来严峻挑战，全球能源产业链供应链遭受严重冲击，国际能源价格高位振荡，能源供需版图深刻变革[1]，新一轮科技革命和产业革命深入发展，能源电力系统的安全高效、绿色低碳转型及数字化智能化技术创新已经成为全球发展趋势。

从需求响应资源的角度，电动汽车（Electric Vehicle，EV）被公认为一种重要资源，具有节能减排优势。在电力市场机制的不断完善的同时，随着人工智能以及新型技术的发展，在电力辅助服务市场，EV 资源聚合碎片化并高效利用越来越被重视。EV 聚合商的存在可为电力系统提供如削峰填谷、旋转备用、调频、促进新能源消纳等多种辅助服务策略[2-4]。电动汽车（EV）的规模化聚合商在电力市场中扮演着日益重要的角色。随着全球对可持续交通和能源解决方案的需求不断增长，电动车市场正在迅速扩张。这些聚合商通过整合大量电动汽车的充电需求，能够在电力市场上作为大型消费者参与交易，影响市场的供需平衡。

EV 用户能量选择具有多重性和不确定性的，不确定性因素有EV（入网/离网）时间、荷电状态（State of Charge，SOC）、用户响应意愿等，给电力系统带来一定的挑战，当前，普遍认为电力市场中发电供应商具有寡头竞争特性，发电供应商通过较强的策略性行为操纵市场价格，对电力市场安全高效运行会产生不利影响[5]。因此，有关发电供应商市场力的问题被广泛研究[6-9]，基于大多基于古诺模型和供应函数竞争模型的发电供应商市场力行为被广泛的研究[10-15]；然而，在“碳中和碳达峰”背景下，现在有关电动汽车聚合商对电力市场均衡结果影响分析研究较少。

电力市场均衡分析是研究供给与需求之间关系的关键工具。在这个背景下，考虑电动汽车规模化聚合商意味着必须评估它们对电力系统的潜在影响，包括负荷曲线、峰值需求、发电组合以及电网运营和规划。电动汽车聚合商可以通过智能充电管理来优化充电时间，减少对电网的峰值负荷冲击，并利用车辆到网（V2G）技术为电网提供辅助服务，如频率调节和备用能力。

电动汽车聚合商的参与可以带来多方面的益处。首先，它们可以帮助平滑电网的负荷曲线，减少对昂贵且环境影响较大的峰值发电厂的依赖。其次，聚合商可以利用车辆的储能能力，提高可再生能源的利用率，尤其是太阳能和风能这些间歇性能源。此外，聚合商还可以通过需求响应程序，根据实时电价调整充电行为，从而降低整体电力成本。

然而，电动汽车聚合商的市场参与也带来了一系列挑战。例如，如果大量车辆同时充电，可能会对当地电网造成压力，尤其是在配电网层面。此外，电力市场的设计和规则可能需要调整以适应这种新型参与者的特性。市场规则、结算机制和数据交换标准都需要更新，以确保电动汽车聚合商能够有效地参与市场。

从政策制定者的角度来看，为了促进电动汽车聚合商的健康发展，可能需要制定一系列支持措施。这可能包括提供财政激励，鼓励建设充电基础设施，制定智能充电标准，以及确保电力市场的透明度和公平性。同时，监管机构需要确保市场的竞争格局不会因为电动汽车聚合商的参与而受到不公平的影响。

在技术层面，电动汽车聚合商的成功依赖于先进的信息通信技术（ICT）和能源管理系统（EMS）。这些系统需要能够实时监测和控制车辆的充电状态，预测电网和车辆的需求，以及与电力市场运营商和其他服务提供商进行有效的数据交换。

在低碳化进程的背景下，本文在假设电力市场古诺竞争的情形下，研究考虑电动汽车聚合商对电力市场均衡结果的影响。引入EV 聚合商、碳排放价格的发电成本模型，建立包含碳排放价格的寡头垄断市场模型，分析其纳什均衡状态；然后，利用算例对所构造的模型和得到的纳什均衡状态进行说明，并分析EV 聚合商引入与碳排放价格对电力市场均衡状态的影响，并验证模型方法的合理性。

1 EV 聚合商参与电力市场的模式

单个电动汽车因其电池容量限制，参与电网调度机会有限，因此建立EV 聚合商的电动汽车集群，具备一定规模的储能容量与调度能力，可以成为电动汽车参与电力市场重要形式。电网的智能化发展，V2G 技术的逐渐成熟，为EV 聚合商参与电力市场提供了技术手段[16-18]。

图1 为EV 聚合商参与电力市场交易的模式图，EV聚合商以合同的形式与电动汽车用户约定充放电行为，以此形成整体操作模式，将大量的分散的电汽车用户集合成整体的群体，形成具有一定规模的EV 聚合商。EV 聚合商统一规范的为电动汽车建立电池容量、汽车参数、充放电技术要求等档案，以整体群的方式参与电力市场竞争，并集中调度所控制的电动汽车的充放电。EV 聚合商从电网获利，合理分摊给各电动汽车的用户，以此达到节省电费的目的。

图1 EV 聚合商参与电力市场的交易模式

2 考虑EV 聚合商的电力市场均衡模型

2.1 模型假设

电力市场中，因电力网架结构、能源约束等多重影响，电力市场具有寡头竞争特性仍是大家普遍认为的。在低碳背景下，双边合约机制、现货市场机制在同一电力市场中采用，双边合约价格以购售双方敲定为准[18-20]。发电商分为新能源发电商、高效节能火电发电商、EV 聚合发电商等三类发电商。

假设某电力市场在某一时段的负荷需求为：

式中：该时段内，p 为市场统一结算价格；A 为负常数；L 为需求价格弹性大小参数，取非负常数，L 越大需求弹性越大。

电力市场中，常规的发电成本模型为：

式中：ai，bi，ci为大于0 的发电成本系数；qi为发电商i的发电出力[21-22]。

高效节能发电商是原本火电等高耗能发电商再引入碳排放因子δ 之后形成的。

常规火电机组的碳特征函数为：

式中：e 为CO2的排放量；考虑燃料充分燃烧的情况下，f 为电源所用燃料的CO2的排放量；w 为燃料的单位发热值；η 为该电源的能量转换效率，即发电效率。水电、风电和光伏等新能源为近零排放碳的能源[23-24]。

所以，发电机组碳排放因子δ 为：

式中δ 可表示单位发电量的CO2微增量。

由式（2）、式（3）可得碳排放的成本模型：

式中pci为发电商i 对应的碳排放价格。

由式（2）-式（5）可得，高效节能发电商成本，即有

本文研究EV 聚合商获利模式为套利方式，即在满足电动汽车常规行驶使用电能外，对富裕电能进行充放电套利，即在电网价格高时卖出，在低时买进。代表买入电能代表卖出电能。在t 时段，总的EV 聚合商输出的净输出电能为：

Et可近似模拟为发电商的出力qi。EV 聚合商的暂考虑电池老化成本，y 为单位净输出电量电池老化成本，且0＜y＜1。一般取值为0.6。

忽略发电商的发电出力限制，输电网络约束以及每个发电商的碳排放量均未超过规定指标，因此，发电商i 在电力市场的决策情况可描述为如下利润最大化问题：

2.2 EV 聚合商以现货市场价格确定的市场均衡分析

在现货市场上，发电商追求利润最大化，EV 聚合商可类比为其中一个发电商，因此，市场均衡模型为：

发电商的出力均不会超过其上限qi，并且电动汽车充放电量均不会超过其容量上限。

式（8）是发电商的优化问题，（9）是EV 聚合商的优化问题，式（8）-式（13）构成了考虑EV 聚合商的市场出清模型，古诺博弈竞争的情况下，发电商以此来决定电力市场的发电量，电网公司代表用户向发电商买电，用户也可以与发电商之间签订合约合同。在给定其他发电商出力不变的条件下，每个发电商通过决策其发电出力以获取最大利润。EV 聚合商参与现货市场交易，作为价格接受者。

在多目标模型采用商业求解器求解，由于在理论上很难保证电力市场博弈问题均衡解的唯一性，本文算例所求得的均衡可能只是所有均衡解中的一个。

3 算例分析

3.1 市场情况与发电成本参数

以2 家有策略性的发电商和一个EV 聚合发电商参与的电力市场为例对模型进行验证分析。其中有2 为新能源类的发电商，新能源类发电商的碳排放近乎为0，其他均为高效节能发电商。传统策略性发电商均参与现货市场交易。

发电商的成本函数如表1 所示。电力市场中，因为新能源类的发电商成本较高，选择发电商1 作为新能源类的发电商。需求函数中取L=0.1MW·h/$。各时段A 的参数如表2 所示。

表1 发电商的成本参数

表2 市场需求函数参数

本文采用碳交易市场的平均碳交易价格为研究对象，每个时段平均碳交易价格为40$/t。每个发电商因策略和技术原因其碳排放因子均不相同，为方便研究，碳排放因子均取0.007422kg/（MW·h）。y 参考取值为0.6。

3.2 市场均衡情况分析

图2、图3 可以看出：在EV 聚合商引入之后，以古诺竞争方式参与市场竞争时，EV 聚合商具有套利充放电行为，在价格低时进行充电，在价格高时进行放电，在价格低时进行充电。在负荷低谷时，EV 聚合商进行充电，相当于增加负荷，市场比无EV 聚合商情况呈现较高的均衡价格，在高峰负荷时，EV 聚合商进行放电，相当于增加供电量，市场比无EV 聚合商情况呈现较低的均衡价格，引入EV 聚合商呈现出对市场价格“削峰填谷”效果。同时在发电商1 或者2，出现出力不足时，EV 聚合商可进一步调用剩余能量提供电量，提高供电可靠性，市场呈现较高的价格。

图2 市场均衡价格情况

图3 发电商与EV 聚合商出力情况

价格合理选取对发电商决策有着一定的影响。

3.3 碳排放价格对市场均衡价格的影响

图4 为碳排放价格取不同值时对市场均衡价格的变化曲线，由图4 可知：随着碳排放价格的增高，市场均衡价格波动性比较明显，发电商为了获取最大利润，将会尽可能的多安排发电量，而对于EV 聚合商的加入，由于其本身的特点，既可以作为负荷也可以作为发电商，对市场均衡价格影响较为明显，初步表现为随着碳排放价格的增高，当作为负荷，从电网吸收电量，市场均衡价格呈现较低现象，作为发电商，向电网提供电量，市场均衡价格呈现较高现象。可以解释为：高效节能发电商为了进一步控制成本和达到碳排放要求，结合市场动向及EV 聚合商充放电情况，合理安排发电计划，控制自身策略，市场均衡价格波动呈现敏感性。