陳 旭 孫興華

（泰州姜堰區(qū)供電公司，江蘇 泰州225500）

0 引言

面對(duì)全球性能源短缺與環(huán)境污染問題日益突出， 電動(dòng)汽車（EV，Electric Vehicle）以其良好的環(huán)保、節(jié)能優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)今國際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)之一。 根據(jù)國務(wù)院 《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020 年）》，到2015 年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量力爭(zhēng)達(dá)到50 萬輛；到2020 年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200 萬輛、累計(jì)產(chǎn)銷量超過500 萬輛[1]。由于電動(dòng)汽車作為充電負(fù)荷在時(shí)間和空間上的不確定性，使得規(guī)?；碾妱?dòng)汽車充電給電網(wǎng)的運(yùn)行和控制帶來新的挑戰(zhàn)[2-4]。如何通過對(duì)電動(dòng)汽車充電的合理控制，規(guī)避規(guī)模化電動(dòng)汽車充電給電網(wǎng)帶來的負(fù)荷波動(dòng)，有效平抑電網(wǎng)峰谷差以提高電網(wǎng)利用效率，成為亟待解決的重要問題。

針對(duì)電動(dòng)汽車接入對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)的影響及有序充電控制，已有相關(guān)研究成果發(fā)表。 文獻(xiàn)[5]建立了以峰谷差率最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，采用遺傳算法對(duì)谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化問題進(jìn)行了求解。 但該文獻(xiàn)未針對(duì)電動(dòng)汽車在峰電價(jià)時(shí)段接入電網(wǎng)提出相應(yīng)的充電策略。文獻(xiàn)[6]從充電站運(yùn)營效益的角度出發(fā)，通過動(dòng)態(tài)響應(yīng)電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)，采用有序充電控制方法提高電動(dòng)汽車充電站的經(jīng)濟(jì)效益。但該文獻(xiàn)研究過程中假設(shè)充電電價(jià)相同且沒有考慮電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，使大量電動(dòng)汽車集中在電價(jià)相對(duì)便宜的夜間時(shí)段充電，從而導(dǎo)致另外一個(gè)用電高峰的出現(xiàn)。 文獻(xiàn)[7]以用戶充電費(fèi)用最小和電池起始充電時(shí)間最早為控制目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，局域配電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)情況，提出了電動(dòng)汽車充電分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分方法。 但該文獻(xiàn)沒有充分考慮充電站的經(jīng)營效益。

本文以電動(dòng)汽車集中快速充電為主要研究對(duì)象，在分析電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電行為對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響的基礎(chǔ)上，提出充電電價(jià)的時(shí)段劃分方法與定價(jià)策略， 旨在采用價(jià)格杠桿調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)有序充電調(diào)度，以達(dá)到平抑電網(wǎng)峰谷差的目的；在保證充電站經(jīng)營效益的前提下， 采用愿望度模型描述電動(dòng)汽車用戶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，采用遺傳算法對(duì)各時(shí)段價(jià)格的充電電價(jià)制定方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 充電電價(jià)時(shí)段劃分

電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)是根據(jù)用戶需求以及電網(wǎng)在不同時(shí)段的實(shí)際負(fù)荷情況，將每天的時(shí)間劃分為峰、谷、平3 個(gè)時(shí)段，對(duì)各時(shí)段分別制定不同的電價(jià)水平，以鼓勵(lì)用戶和發(fā)電企業(yè)削峰填谷，提高電力資源的利用效率。 電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)后會(huì)影響區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷特性，使得配電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷峰谷出現(xiàn)時(shí)間與電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)峰谷時(shí)段不一致。充電站從電網(wǎng)購電的分時(shí)電價(jià)采用國內(nèi)工業(yè)用電分時(shí)電價(jià)劃分方式，即峰平谷分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分為：峰時(shí)段8h（08:00—12:00，17:00—21:00）；平時(shí)段8h（12:00—17:00，21:00—24：00）；谷時(shí)段8h（00:00—08:00）。 從圖1 中疊加電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的某區(qū)域配電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線可以看出，在10:00-12:00 和17:00-21:00 時(shí)間段出現(xiàn)“峰上加峰”的現(xiàn)象，而在平時(shí)段內(nèi)（15：00-17:00）出現(xiàn)負(fù)荷高峰。 由此可見，電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)不能直接應(yīng)用于引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶進(jìn)行有序充電。

為解決這一問題，本文在電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)局域配電網(wǎng)的預(yù)測(cè)負(fù)荷波動(dòng)情況和電動(dòng)汽車用戶使用特性，將電動(dòng)汽車充電電價(jià)的峰谷時(shí)段進(jìn)行細(xì)分，提出谷、平、高、峰四級(jí)電價(jià)劃分方法，具體四級(jí)時(shí)段劃分如表1 所示。 新的劃分結(jié)果使得局域配電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)情況與充電分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分基本相符，避免了“峰上加峰”情況的出現(xiàn)。

圖1 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響

表1 充電分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分

2 充電分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型

2.1 電網(wǎng)目標(biāo)

針對(duì)不同城市的電網(wǎng)負(fù)荷情況， 制定合理的充電分時(shí)電價(jià)方案，可以有效引導(dǎo)用戶調(diào)整充電時(shí)間，達(dá)到削峰填谷，減少電網(wǎng)運(yùn)行和投資成本，提高設(shè)備利用率的目的。 為體現(xiàn)電動(dòng)汽車有序充電在電網(wǎng)削峰填谷方面的作用，以實(shí)施分時(shí)電價(jià)政策后的實(shí)際電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差率z 最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)各時(shí)段的充電電價(jià)進(jìn)行優(yōu)化，建立最優(yōu)化模型為：

式中p1，p2，p3，p4分別為谷、平、高、峰時(shí)段充電電價(jià)的標(biāo)幺值，設(shè)固定充電電價(jià)p0=1。

2.2 充電站愿望約束

在制定充電分時(shí)電價(jià)方案時(shí)，必須充分考慮充電站與用戶的利益和愿望，才能保證充電分時(shí)電價(jià)的實(shí)施，調(diào)動(dòng)電動(dòng)汽車用戶參與有序充電控制的積極性。 作為充電服務(wù)的提供者，充電站總是希望自身的經(jīng)濟(jì)效益越高越好。 充電站的經(jīng)濟(jì)效益可以通過其銷售額體現(xiàn)。 將實(shí)行分時(shí)電價(jià)之后與之前充電站的銷售收入的比值定義充電站的經(jīng)營效益系數(shù)Cs，即

式中I0，I 分為實(shí)現(xiàn)充電分時(shí)電價(jià)前、 后充電銷售收入；pi，qi為i時(shí)段（谷、平、高、峰時(shí)段）的電價(jià)和銷售電量。

充電分時(shí)電價(jià)的實(shí)施必須保證充電站利益不會(huì)受到損害，即要求滿足

2.3 用戶愿望考慮

站在用戶的角度，希望充電排隊(duì)等候時(shí)間越短越好，充電費(fèi)用越少越好。本文引用愿望度模型來描述用戶參與充電分時(shí)電價(jià)互動(dòng)的積極性。 用戶愿望度Cc定義為用戶充電節(jié)省費(fèi)用百分?jǐn)?shù)與排隊(duì)時(shí)間因子的加權(quán)和。

式中a，b 為加權(quán)系數(shù)，a+b=1，實(shí)際上不同用戶對(duì)節(jié)約費(fèi)用和節(jié)約時(shí)間的期望度不一樣，加權(quán)系數(shù)也應(yīng)不同，此處為簡化起見，設(shè)a=0.5，b=0.5。

ΔCch為用戶節(jié)約費(fèi)用百分?jǐn)?shù)。 設(shè)用戶選擇在k 時(shí)刻充電，該時(shí)刻充電電價(jià)為pi，用戶充電所需電量為qch，則實(shí)行充電分時(shí)電價(jià)后用戶節(jié)約的充電費(fèi)用百分?jǐn)?shù)形式為：

用戶排隊(duì)等待時(shí)間可以通過充電站對(duì)應(yīng)時(shí)段售電量求得。設(shè)每輛車充電時(shí)間所需時(shí)間為20min，充電站的充電機(jī)數(shù)量為ns，則用戶在第k 時(shí)間段充電所需平均等待的時(shí)間為：

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)：通常狀態(tài)下，一個(gè)人在等候超過10min，情緒開始急躁；超過20min，情緒表現(xiàn)厭煩；超過40min，常因惱火而離去。 因此選擇t=40min 作為愿望條件，則排隊(duì)時(shí)間因子定義Δt 為

3 求解算法

上述最優(yōu)化模型實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)組合優(yōu)化問題。本文引入帶懲罰因子的遺傳算法進(jìn)行模型，并計(jì)及用戶愿望度對(duì)種群選擇算子的影響，將一個(gè)多目標(biāo)問題簡化為單目標(biāo)問題進(jìn)行求解，大大降低了求解難度。 主要步驟如下：

1）初始化種群，在取值范圍內(nèi)隨機(jī)生成k 個(gè)初始個(gè)體(p1，p2，p3，p4)i。按照時(shí)鐘刻度將一天時(shí)間劃分成24 個(gè)時(shí)間槽（即00:00-01:00，01:00-02:00， …，23:00-24:00）， 根據(jù)表確定每個(gè)時(shí)間槽對(duì)應(yīng)的充電分時(shí)電價(jià)。

2）以“十進(jìn)制/二進(jìn)制”轉(zhuǎn)換為基因編碼方式，處理p1，p2，p3，p4的小數(shù)部分，在進(jìn)行遺傳操作前先乘以10n后取整，操作后還原，以此保證n 位小數(shù)的精度。

3）假設(shè)有η 比例（即m=η×n 個(gè)）用戶不受分時(shí)電價(jià)影響，選擇隨機(jī)充電，按照隨機(jī)概率將這m 個(gè)用戶分配到24 個(gè)時(shí)間槽。

4）從第m+1 個(gè)用戶開始按照用戶愿望度選擇充電時(shí)間。 根據(jù)式（4）計(jì)算用戶在各時(shí)間槽充電的愿望度；選擇愿望度最高的時(shí)間槽作為用戶的充電時(shí)間；依次類推，確定所有用戶的充電時(shí)間。

需要指出的是，由2.3 節(jié)可知，充電站在每個(gè)時(shí)間槽能夠服務(wù)的車輛數(shù)是有限的，其最大值vmax為

如果某個(gè)時(shí)間槽內(nèi)排隊(duì)的車輛數(shù)已經(jīng)達(dá)到vmax， 認(rèn)為該時(shí)間槽已滿，則將用戶選擇該時(shí)間槽充電的愿望度設(shè)置為0。

5）以目標(biāo)函數(shù)（即峰谷差率）的倒數(shù)作為選擇算子fi，保證削峰填谷效果好的方案的基因被保留下來進(jìn)行遺傳。

6）計(jì)算充電站的效益率Cs，并用計(jì)算所得的充電站效益率修正選擇算子fi。

7）采用輪盤賭法對(duì)父本進(jìn)行選擇，個(gè)體i 被選擇的概率Pi為

8）對(duì)選擇出的父本個(gè)體進(jìn)行交叉遺傳與變異。

9）反復(fù)迭代尋優(yōu)，直到滿足精度要求。

算法流程如圖2 所示。

圖2 采用遺傳算法求解充電分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型的流程

4 算例分析

為驗(yàn)證本文模型和算法的有效性，以某城市局域配電網(wǎng)的電動(dòng)車有序充電策略為例進(jìn)行算例分析。 該城市為某省省會(huì)城市，預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車保有量為50 萬輛。設(shè)90%的用戶會(huì)理性參與充電分時(shí)電價(jià)互動(dòng)。采用本文提出的模型和算法求解該城市電動(dòng)汽車快充負(fù)荷分時(shí)電價(jià)的最優(yōu)方案，如表3 所示。

表3 某城市電動(dòng)汽車快充分時(shí)電價(jià)參數(shù)設(shè)置

該城市原始負(fù)荷峰谷差率為39%，采用不受控隨機(jī)充電方式負(fù)荷峰谷差率為42.7%，實(shí)施分時(shí)電價(jià)后負(fù)荷峰谷差率為29%。 實(shí)施分時(shí)電價(jià)前后該城市典型日負(fù)荷曲線如圖3 所示。充電站效益率為115%，即充電站營業(yè)額增長15%。 由此可見，合理制定充電分時(shí)電價(jià)不僅可以有效避免無序充電造成的“峰上加峰”負(fù)面現(xiàn)象，減小峰谷差，還可以使得充電站的利益得到保障。

圖3 某城市實(shí)施充電分時(shí)電價(jià)前后負(fù)荷情況對(duì)比

5 結(jié)語

本文首先分析了規(guī)?；妱?dòng)汽車快充負(fù)荷接入電網(wǎng)對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響，提出了利用充電分時(shí)電價(jià)的手段對(duì)電動(dòng)汽車快速有序充電進(jìn)行引導(dǎo)的思路，并給出了分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分的方法。 綜合考慮了電網(wǎng)、充電站和電動(dòng)汽車用戶的意愿，將減小峰谷差作為一級(jí)控制目標(biāo)，將充電站效益作為二級(jí)控制目標(biāo)，引入愿望度模型描述用戶對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)，并采用遺傳算法對(duì)分時(shí)電價(jià)中各時(shí)段電價(jià)進(jìn)行了優(yōu)化。 最后通過算例驗(yàn)證了本文提出模型和方法的有效性。 算法可以應(yīng)用于針對(duì)電動(dòng)汽車快速充電方式的分時(shí)電價(jià)方案制定，也可以推廣應(yīng)用于其他充電控制方式的有序充電控制。

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