王彥峰，王興華，雷翔勝

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州510080)

0 引言

隨著土地資源的日益緊張和電力需求的不斷提升，常規(guī)變電站暴露出占地面積大、建站效率低、投入運(yùn)行慢等一系列問題[1]。預(yù)制艙變電站基于戶外箱式變電站制造技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，整站所有設(shè)備均在工廠內(nèi)完成安裝和調(diào)試，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單連接即可投入運(yùn)行，工期縮短約100～200 d，模塊化建站使占地縮小30%～70%，滿足城市中心建站的環(huán)評(píng)需求等一系列優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)城區(qū)新型變電站建站和老式換電站增容改造提供一種新的解決方案[2]。

圖1 預(yù)制艙綜合站的內(nèi)部框架Fig.1 Internal frame of the prefabricated comprehensive station

隨著交通電氣化[3]的發(fā)展，電動(dòng)汽車在私家車領(lǐng)域及公共出行領(lǐng)域[4 - 5]得到了巨大發(fā)展，但與之而來(lái)的充/換電站選址問題[6 - 7]成為了制約電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的重要因素，采用“變電站+充電站”綜合能源模式成為解決途徑之一。深圳電網(wǎng)在對(duì)蓮花山變電站進(jìn)行改造，建立了全國(guó)第一個(gè)“變電站+充電站”站點(diǎn)[8]。山東濱州基于變電站、充/換電站建立了“八站合一”郭集智慧能源綜合示范區(qū)[9]?！岸嗾竞弦弧蹦Ｊ讲粌H為充/換電補(bǔ)充提供解決方案，也對(duì)建設(shè)“三型兩網(wǎng)”起著重要的支撐作用[10]。

綜合能源是實(shí)現(xiàn)“雙碳”的重要手段[11 - 13]。在綜合能源變電站領(lǐng)域，文獻(xiàn)[14]認(rèn)為融合型變電站是數(shù)據(jù)中心與充電站選址的最佳選擇，設(shè)計(jì)了融合型變電站運(yùn)行架構(gòu)，并提出了融合型變電站運(yùn)行策略。文獻(xiàn)[15]提出多站融合場(chǎng)景下各站的配置方法和協(xié)調(diào)運(yùn)行策略，并驗(yàn)證了配置方法和協(xié)調(diào)運(yùn)行策略的有效性。文獻(xiàn)[16]提出儲(chǔ)能電站在多站融合中發(fā)揮多重功能的復(fù)雜場(chǎng)景下優(yōu)化運(yùn)行策略，提升了多站融合的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[17]基于全局協(xié)調(diào)、分區(qū)自治思想，提出多站融合輔助調(diào)峰自律運(yùn)行調(diào)控策略，為大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)提供解決方案。但當(dāng)前融合型變電站研究對(duì)電動(dòng)汽車充/換電站優(yōu)化調(diào)控策略的關(guān)注甚少，“多站合一”背景下的“變電-充換電”綜合服務(wù)不僅符合綜合能源轉(zhuǎn)變和電動(dòng)汽車發(fā)展的雙重大趨勢(shì)，還有利于集約社會(huì)資源，降低因線路停電故障產(chǎn)生的EV無(wú)法充電的問題，提高充電可靠性，避免電力網(wǎng)故障傳導(dǎo)至交通網(wǎng)[18]。

考慮到預(yù)制艙變電站及“多站合一”模式的優(yōu)勢(shì)，本文以城市交通電氣化為基礎(chǔ)，提出了“預(yù)制艙變電站-電動(dòng)汽車充/換電站”綜合服務(wù)模式下的優(yōu)化運(yùn)行策略。首先，提出“變電站-充/換電站”綜合服務(wù)框架，闡述各站之間的聯(lián)系；接著，在綜合服務(wù)框架下，對(duì)“交通-多站”融合下電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能可控容量分析，并考慮可控容量對(duì)站級(jí)私家車充放電運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。最后，“交通-多站”融合下電動(dòng)出租車換電需求進(jìn)行分析，提出考慮換電需求約束的站級(jí)出租車充放電優(yōu)化策略。

1 “預(yù)制艙變電站—充/換電站”綜合服務(wù)框架分析

“變電站—充/換電站”綜合服務(wù)框架如圖1所示，包括預(yù)制艙式變電站、預(yù)制艙式換電站和預(yù)制艙式充電站。

1)預(yù)制艙式變電站：具有模塊化特性的預(yù)制艙式變電站，主要應(yīng)用于大型商住區(qū)、中央商務(wù)區(qū)及工業(yè)園區(qū)等區(qū)域，為城市中心負(fù)荷提供可靠的電力供應(yīng)。預(yù)制艙式變電站通過艙內(nèi)設(shè)備的不同來(lái)區(qū)分不同的艙體模塊，主要包括GIS預(yù)制艙模塊、變壓器預(yù)制艙模塊、開關(guān)柜預(yù)制艙模塊、二次預(yù)制艙模塊、綜合預(yù)制艙模塊和無(wú)功補(bǔ)償、接地變預(yù)制艙等模塊。預(yù)制艙系統(tǒng)通過內(nèi)環(huán)境控制技術(shù)能維持艙內(nèi)恒溫、恒濕和無(wú)塵，通過防火保溫技術(shù)和高耐候防腐技術(shù)使其適用于多種氣候和地形條件，通過聲屏障、電磁屏蔽和防火墻等技術(shù)對(duì)城市環(huán)境的影響，主要負(fù)責(zé)對(duì)站內(nèi)預(yù)制艙式充/換電站及其他用電單位供電。

2)預(yù)制艙式換電站：主要為電動(dòng)出租車提供快速電能補(bǔ)充，包括換電平臺(tái)艙模塊、電池待充艙模塊、換電電池充電艙模塊和電池庫(kù)存艙模塊。換電平臺(tái)艙模塊為電池更換的操作平臺(tái)，是換電站與電動(dòng)汽車進(jìn)行交互的部分，后三者主要負(fù)責(zé)電池的充電和儲(chǔ)存，換電站在滿足換電需求的前提下，對(duì)電池荷電狀態(tài)(state of charge state, SOC)進(jìn)行控制，作為儲(chǔ)能資源以充放電的形式積極參與電網(wǎng)調(diào)控，國(guó)內(nèi)“北汽擎天柱計(jì)劃”和“蔚來(lái)NIO Power 2025”換電站本身就是一種模塊化預(yù)制艙構(gòu)造，再次驗(yàn)證二者結(jié)合的可行性。

3)預(yù)制艙式充電站：主要為電動(dòng)私家車提供慢速電能補(bǔ)充，包括智能充電樁模塊、車位模塊和頂棚光伏模塊。智能充電樁模塊負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)、控制充電、接受調(diào)度中心指令等操作，車位模塊負(fù)責(zé)規(guī)劃停車位置，使預(yù)制艙綜合站剩余面積利用率最大化。頂棚光伏模塊充分利用充/換電站對(duì)電能的消納能力，采取“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的運(yùn)營(yíng)模式[8]，充分利用土地及光伏資源。

4)數(shù)據(jù)中心：作為信息流的核心，負(fù)責(zé)預(yù)制艙變電站、預(yù)制艙換電站、預(yù)制艙充電站的控制與監(jiān)測(cè)，協(xié)調(diào)各模塊間的數(shù)據(jù)交互，制定站內(nèi)電池儲(chǔ)能和電網(wǎng)間的能量互動(dòng)策略。

基于預(yù)制艙變電站剩余面積和地下面積，可進(jìn)一步拓展預(yù)制艙式充/換電站業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)“一站一功能”向“一站多功能”轉(zhuǎn)變。

2 “交通-多站”融合下電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能可控容量分析

基于預(yù)制艙綜合站的外部框架，充分考慮電動(dòng)出租車和電動(dòng)私家車的特性不同，認(rèn)為電動(dòng)出租車均采用快速換電模式，電動(dòng)私家車均采用慢速充電模式。

2.1 電動(dòng)私家車出行特性

本文在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上對(duì)交通網(wǎng)和城市功能區(qū)分布進(jìn)行了擴(kuò)展，擴(kuò)展部分見附錄表A1。電動(dòng)私家車出行鏈類型及所占比例參考文獻(xiàn)[20]，電動(dòng)私家車首次出行時(shí)刻等和時(shí)間相關(guān)的概率分布參考文獻(xiàn)[21]。依據(jù)出行鏈起訖(origin-destination， OD)矩陣，根據(jù)以速度、距離為主要特征的出行特性，采用Dijkstra算法為電動(dòng)私家車規(guī)劃最優(yōu)路徑，通過文獻(xiàn)[22]能耗因子模型即可計(jì)算電池電量損耗。

2.2 電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能調(diào)控假設(shè)條件

1)等待、充電和放電3種狀態(tài)切換次數(shù)最多只允許有5次[23]，充電和放電之間的切換必須經(jīng)過等待狀態(tài)；

2)充放電時(shí)均采用恒功率充放電。

2.3 電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能調(diào)控區(qū)域分析

通過“多站合一”背景下預(yù)制艙式變電站數(shù)據(jù)中心對(duì)管轄范圍內(nèi)電動(dòng)私家車的控制，將具有不同時(shí)空特性的電動(dòng)私家車整合在一起，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行有序充放電，整合后的電動(dòng)私家車電池整體稱為虛擬儲(chǔ)能，虛擬儲(chǔ)能資源可從可延遲充電時(shí)間和最大放電量?jī)蓚€(gè)維度進(jìn)行考慮，可延遲充放電時(shí)間可以平移充電時(shí)段，最大放電量可以評(píng)估放電潛力，即當(dāng)前時(shí)刻可調(diào)用的最大容量。本文根據(jù)電動(dòng)私家車到達(dá)時(shí)電量Sarr與最低放電電量Sdis,min的大小關(guān)系，將電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能調(diào)控區(qū)域分為3種情形，分別如附錄圖A1所示，實(shí)線和點(diǎn)劃線分別代表不同的充放電方式。

1)情形1：當(dāng)Sarr

當(dāng)電動(dòng)私家車接入后，其最大可延遲充電時(shí)間tde為到邊界CD的水平距離，為避免后文重復(fù)，此處給出一種適用于邊界和內(nèi)部點(diǎn)的統(tǒng)一公式，設(shè)當(dāng)前點(diǎn)O的坐標(biāo)為(to,Soc,o)， 則有：

(1)

式中：Slea、Sarr、tlea、Bc、Pc分別標(biāo)識(shí)為電動(dòng)私家車離站電量、到站電量、離站時(shí)間、電池電量和充電功率。

因此充電起始時(shí)間tstart,c1和放電起始時(shí)間tstart,dis分別滿足約束式(2)—(3)。

tarr≤tstart,c1≤tarr+tde

(2)

(3)

式中tarr為到站時(shí)間。

求得tstart,dis后，即可計(jì)算tstart,dis時(shí)刻的最大放電時(shí)間tdis,max和最大放電量Cdis,max。

(4)

Cdis,max=Pdis·tdis,max

(5)

式中Pdis為額定放電功率。

實(shí)際放電時(shí)長(zhǎng)tdis滿足：

0≤tdis≤tdis,max

(6)

由于放電使得電動(dòng)私家車電量低于離站電量，因此需要二次充電，充電起始時(shí)間tstart,c2為：

tstart,dis+tdis≤tstart,c2≤tstart,dis+tdis+tde

(7)

結(jié)合式(1)，在式(7)中tde的to和Soc,o分別為：

to=tstart,dis+tdis

(8)

(9)

2)情形2：當(dāng)Sarr≥Slea時(shí)，電動(dòng)私家車車主并不會(huì)主動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，即默認(rèn)不充電，只存在放、放-充、不充不放3種狀態(tài)。

本文以“放-充”狀態(tài)切換為例，對(duì)虛擬儲(chǔ)能可控容量進(jìn)行分析，放電起始時(shí)間tstart,dis滿足約束式(10)。

tarr≤tstart,dis≤tlea

(10)

因此tstart,dis時(shí)刻的最大放電時(shí)長(zhǎng)tdis,max為：

(11)

(12)

式中ttarget為電池SOC從tstart,dis開始放電，電量從Sarr到達(dá)Slea所需要的時(shí)間。

最大放電量由式(5)得到，實(shí)際放電時(shí)長(zhǎng)tdis應(yīng)滿足式(6)。放電結(jié)束時(shí)間tdis,final和放電結(jié)束剩余電量Sdis,final為：

tdis,final=tstart,dis+tdis

(13)

(14)

最大可延遲充電時(shí)間tde為：

(15)

充電起始時(shí)間應(yīng)滿足式(7)—(9)。

3)情形3：當(dāng)Sdis,min≤Sarr

2.4 電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能調(diào)控容量分析

本文認(rèn)為只有處于空閑或放電狀態(tài)，且在狀態(tài)切換約束下具有放電能力的車輛才具有虛擬調(diào)控容量CV2G(t)， 表示t時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)備放電容量的數(shù)值。不同狀態(tài)變換下第i輛私家EV在t時(shí)刻的可調(diào)控的最大虛擬儲(chǔ)能容量Ci,V2G(t)和總?cè)萘緾V2G(t)為：

(16)

CV2G(t)=∑Ci,V2G(t)

(17)

3 考慮可控容量的站級(jí)私家車充放電運(yùn)行優(yōu)化

3.1 電動(dòng)私家車分類

本節(jié)根據(jù)到站和離站電量將私家車分為2類：

1)強(qiáng)制充電類：Sarr

2)非強(qiáng)制充電類：Sarr≥Slea， 這一類電動(dòng)私家車在停留過程中，凈放電量為正，這部分車輛是參與電網(wǎng)調(diào)控的重要組成部分，若不考慮放電則該非強(qiáng)制充電類EV默認(rèn)不充電。

3.2 目標(biāo)函數(shù)和調(diào)控自變量

為充分發(fā)揮電動(dòng)私家車于削峰填谷、平抑負(fù)荷波動(dòng)的作用，發(fā)揮虛擬儲(chǔ)能對(duì)于負(fù)荷的緩沖和調(diào)整能力，本文以平抑負(fù)荷波動(dòng)為目標(biāo)函數(shù)。

(18)

(19)

式中：Pl(t)為區(qū)域負(fù)荷；T為離散的優(yōu)化周期；Ppri(t)為私家車集群充放電功率；Pav為優(yōu)化周期內(nèi)負(fù)荷的平均值。

由2.3節(jié)介紹的各種狀態(tài)切換模式，共有僅充電、充-放-充、放-充、僅放電，設(shè)置調(diào)控自變量為(tstart,c1,tstart,dis,tdis,tstart,c2,p1,p2,p3,p4)， 且滿足：

p1+p2+p3+p4=1

(20)

式中p1、p2、p3、p4分別代表前述4種狀態(tài)切換模式的占比。

僅充電狀態(tài)切換下調(diào)控自變量為(tstart,c1,0,0,0,p1,0,0,0)， “充-放-充”狀態(tài)切換下調(diào)控自變量為(tstart,c1,tstart,dis,tdis,tstart,c2,0,p2,0,0)， “放-充”狀態(tài)切換下調(diào)控自變量為(0,tstart,dis,tdis,tstart,c2,0,0,p3,0)， 僅放電狀態(tài)切換下調(diào)控自變量為(0,tstart,dis,tdis,0,0,0,0,p4)， “放-充”和僅放電狀態(tài)的區(qū)別在于放電結(jié)束后電量是否低于離站電量，若低于離站電量則需要充電，否則不需要。

相關(guān)約束條件見2.3節(jié)。

4 “交通-多站”融合下電動(dòng)出租車換電需求分析及換電站時(shí)序狀態(tài)模型

4.1 “交通-多站”融合下電動(dòng)出租車換電需求分析

根據(jù)電動(dòng)出租車的出行、選站及換電行為，對(duì)其行駛路徑和電池SOC進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算得到綜合站在各調(diào)度時(shí)段初為滿足出租運(yùn)營(yíng)所提供的電池?cái)?shù)，即為“交通-多站”融合下的換電需求。

電動(dòng)出租車在載客、空載尋客和空載換電選站狀態(tài)中進(jìn)行變換[24]，與電動(dòng)私家車相比，電動(dòng)出租車行程具有較強(qiáng)的連續(xù)性，且目的地具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，其出行行為適合采用OD分析法進(jìn)行研究，本文電動(dòng)出租車載客和空載尋客行為參考文獻(xiàn)[20]的OD矩陣，當(dāng)電動(dòng)出租車空載換電時(shí)，需選擇綜合站進(jìn)行電能補(bǔ)充，應(yīng)綜合考慮多種時(shí)間因素：1)考慮前往換電站時(shí)間T1；2)排隊(duì)時(shí)間T2；3)所選換電站前往下一最佳尋客點(diǎn)時(shí)間T3。

因此選擇換電站k時(shí)考慮的總時(shí)間Tall,k(t)為：

Tall,k(t)=T1,k(t)+T2,k(t)+T3,k(t)

(21)

選站結(jié)果se(t)為：

se(t)=argmin(Tall,k(t))，k=1,…,K

(22)

式中K為綜合站的數(shù)量。

4.2 換電站電池組時(shí)序狀態(tài)模型

電動(dòng)出租車在換電站內(nèi)的站內(nèi)行為分析可參見文獻(xiàn)[25]。

本文將電池分為待充電池、充、放電投入電池、在充電池、在放電池、充、放電產(chǎn)出電池、和儲(chǔ)備電池8類。

在t時(shí)段初，換電站可以提供的儲(chǔ)備電池Ns(t)數(shù)量為：

(23)

式中：y(t-1)為t-1時(shí)段末出電池量；U(t-1)為t-1時(shí)段換電需求；D(t)為t時(shí)段初投入放電的電池量。

D(t)受到儲(chǔ)備電池Ns(t)和充放電設(shè)備的制約，投入電池量最大值Dmax(t)表示為：

Dmax(t)=min[Nr(t-1),N′s(t-1)]

(24)

式中Nr(t-1)為t-1時(shí)段末未連接電池的充電樁數(shù)量。

若D(t)確定后，投入量x(t)的最大值xmax(t)表示為：

xmax(t)=min[Nr(t-1)-D(t),Nw(t-1)]

(25)

式中Nw(t-1)為t-1時(shí)段末待充電池量。

t時(shí)段末Nr(t)受到充電樁總數(shù)Nall、t時(shí)段在充電池量Nc(t)、t時(shí)段末產(chǎn)出電池y(t)、t時(shí)段在放電池量Nd(t)、t時(shí)段末放電電池產(chǎn)出量m(t)的影響。

Nr(t)=max[0,Nall-Nc(t)-Nd(t)+y(t)+m(t)]

(26)

t時(shí)段在充電池量Nc(t)和在放電池量Nd(t)表示為：

Nc(t)=Nc(t-1)-y(t-1)+x(t)

(27)

Nd(t)=Nd(t-1)-m(t-1)+D(t)

(28)

t時(shí)段待充電池?cái)?shù)Nw(t)為：

Nw(t)=max[0,Nw(t-1)+U(t)-x(t)+m(t)]

(29)

5 考慮換電需求約束的站級(jí)出租車充放電運(yùn)行優(yōu)化

5.1 假設(shè)條件

1)充放電功率恒定且不中斷，充電功率為30 kW，放電功率為10 kW；

2)時(shí)間離散化，時(shí)段跨度設(shè)置為15min。

5.2 目標(biāo)函數(shù)

綜合考慮電動(dòng)私家車和電動(dòng)出租車的充放電負(fù)荷對(duì)于削峰填谷的作用，將目標(biāo)函數(shù)式(18)改寫為：

(30)

(31)

式中：Pc和Pdis分別為單個(gè)充電樁的充、放電功率；T為離散的優(yōu)化周期。

5.3 約束條件

1)t時(shí)段初，投入充、放電的電池?cái)?shù)x(t)、D(t)應(yīng)大于等于0，即

(32)

2)t時(shí)段初，x(t)和D(t)之和應(yīng)小于t-1時(shí)段末未連接電池的充電樁數(shù)量Nr(t)， 即：

x(t)+D(t)≤Nr(t-1)

(33)

3)t時(shí)段初，投入充電的電池?cái)?shù)x(t)應(yīng)小于待充電池?cái)?shù)Nw(t-1)和未連接電池的充電樁數(shù)Nr(t-1)， 即：

x(t)≤min[Nw(t-1),Nr(t-1)]

(34)

4)t時(shí)段初，應(yīng)保證儲(chǔ)備電池量Ns(t)不小于換電需求U(t)， 即：

Ns(t)≥U(t)

(35)

6 算例分析

6.1 參數(shù)設(shè)置

本文路網(wǎng)拓?fù)浼肮δ軈^(qū)分布參考文獻(xiàn)[19]，共設(shè)置5個(gè)預(yù)制艙綜合站，1～5號(hào)分別位于路網(wǎng)的第6、7、13、17、26節(jié)點(diǎn)，其中4號(hào)為220 kV預(yù)制艙綜合站，1號(hào)、5號(hào)為110 kV預(yù)制艙綜合站，2號(hào)、3號(hào)為綜合站，各站配置10臺(tái)換電設(shè)備，存貯的儲(chǔ)備電池及換電充電艙的專用充電樁數(shù)量如附錄表A2所示。假設(shè)換電式電動(dòng)出租車數(shù)量為1 000輛，電動(dòng)私家車為5 000輛，單位能耗均為0.15 kWh/km，電動(dòng)出租車自6:00—9:00逐漸開始投入運(yùn)營(yíng)，21：00—24：00逐漸結(jié)束運(yùn)營(yíng)，電動(dòng)私家車時(shí)間特性如2.1節(jié)所述，兩類車型的初始荷電狀態(tài)均勻分布在0.4～0.9范圍內(nèi)，兩類車型的型號(hào)、電池容量及充放電功率如附錄表A3所示。區(qū)域基本負(fù)荷曲線如附錄圖A2所示。

6.2 電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能可控容量分析

虛擬儲(chǔ)能可控容量需要滿足2.2、2.3節(jié)相關(guān)約束條件，并在一定充電策略下進(jìn)行分析和評(píng)估，本文在以負(fù)荷波動(dòng)最小為目標(biāo)的充電策略下，對(duì)車主白天工作時(shí)，處于停駛狀態(tài)的電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能可控容量進(jìn)行計(jì)算，由于可控容量的計(jì)算受到狀態(tài)轉(zhuǎn)換的影響，假設(shè)所有強(qiáng)制充電類車輛均采用充-放-充狀態(tài)切換方式，即認(rèn)為只有充電結(jié)束后才具有V2G調(diào)控能力，工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)的虛擬儲(chǔ)能V2G容量如圖2—3所示。

圖2 工業(yè)區(qū)虛擬儲(chǔ)能V2G容量Fig.2 Virtual energy storage V2G capacity in industrial area

圖3 商業(yè)區(qū)虛擬儲(chǔ)能V2G容量Fig.3 Virtual energy storage V2G capacity in commercial area

由圖2—3可知，強(qiáng)制充電類和非強(qiáng)制充電類EV的虛擬儲(chǔ)能V2G容量峰值出現(xiàn)時(shí)間不一致，強(qiáng)制充電類EV的峰值時(shí)間滯后于非強(qiáng)制充電類EV，這是因?yàn)榉菑?qiáng)制充電類EV的電池SOC處于較高水平，到站就具有可調(diào)控的V2G容量，之后V2G容量隨著EV的離站而逐漸減小；而強(qiáng)制充電類EV只有充電后才具有V2G放電能力。

定義虛擬儲(chǔ)能峰值比κp為非強(qiáng)制類V2G容量峰值Wnf與強(qiáng)制類V2G容量峰值Wf之比，表示為：

(36)

計(jì)算得出工業(yè)區(qū)κp和商業(yè)區(qū)κf分別為5.04和18.76，κp越大，說(shuō)明非強(qiáng)制類和強(qiáng)制類V2G容量峰值差距越大，非強(qiáng)制類EV占比也越大。由于商業(yè)區(qū)位于城市核心區(qū)域，車主到達(dá)商業(yè)區(qū)和返程所消耗的電量較小，離站目標(biāo)電量Slea也越小，使得前往商業(yè)區(qū)工作的這部分車主的EV有更大的概率成為非強(qiáng)制類EV。

所有區(qū)域的強(qiáng)制充電類凈V2G容量和總V2G儲(chǔ)備容量如圖4—5所示。

圖4 所有區(qū)域的強(qiáng)制充電類凈V2G容量Fig.4 Mandatory charging class net V2G capacity in all areas

圖5 所有區(qū)域的凈V2G總?cè)萘縁ig.5 Total net V2G capacity in all areas

由圖4—5可知，由于強(qiáng)制充電類EVSarr

6.3 電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能放電能力參與電網(wǎng)調(diào)控分析

本文只分析虛擬儲(chǔ)能放電能力參與電網(wǎng)調(diào)控的效果，由于夜間處于負(fù)荷低谷，電動(dòng)私家車在此期間不參與放電，故只分析電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能參與白天負(fù)荷高峰期時(shí)的調(diào)控能力。

假設(shè)無(wú)序場(chǎng)景為到站后立即充電且不參與虛擬儲(chǔ)能放電調(diào)控，無(wú)序負(fù)荷與有序負(fù)荷如圖6所示。

圖6 無(wú)序和有序充放電負(fù)荷Fig.6 Disordered and ordered charge and discharge loads

由圖6所示，非強(qiáng)制類私家車的無(wú)序充電活動(dòng)在12:00之前就已經(jīng)結(jié)束，沒有充分發(fā)揮時(shí)間維度上的充電彈性和虛擬儲(chǔ)能放電特性。相較于無(wú)序場(chǎng)景，參與虛擬儲(chǔ)能放電調(diào)控能夠有效降低區(qū)域負(fù)荷，負(fù)荷峰值功率降低了3.5 MW，在09：00—18：00負(fù)荷高峰時(shí)間尺度上，有效降低各處的負(fù)荷值。

參與優(yōu)化后，強(qiáng)制類和非強(qiáng)制類充放電負(fù)荷、區(qū)域總充放電負(fù)荷如圖7—8所示。

圖7 強(qiáng)制類和非強(qiáng)制類充放電負(fù)荷Fig.7 Mandatory and non-mandatory charge and discharge loads

圖8 區(qū)域總充放電負(fù)荷Fig.8 Total area charge and discharge load

圖7中，總體上，強(qiáng)制類EV為充電負(fù)荷特性，非強(qiáng)制類EV為放電負(fù)荷特性。強(qiáng)制充電類EV參與放電調(diào)控的效果不明顯，主要通過有序充電與區(qū)域負(fù)荷、非強(qiáng)制類EV放電向配合，起到降低日間負(fù)荷峰值和平滑負(fù)荷曲線的作用。非強(qiáng)制類EV的放電能力較強(qiáng)，凈放電負(fù)荷峰值可達(dá)3.85 MW，在私家EV接入后就具有較強(qiáng)的放電能力，有效地將09：00—12：00負(fù)荷尖峰補(bǔ)償?shù)?。由圖8所示，日間充電負(fù)荷避開9：00—12：00負(fù)荷尖峰，主要集中在15：00—18：00之間，但在此期間非充電類放電負(fù)荷可完全補(bǔ)償?shù)舫潆娯?fù)荷，整體上私家EV負(fù)荷呈放電性質(zhì)，在日間負(fù)荷高峰期，不僅不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的反向放電。

6.4 電動(dòng)出租車換電需求

根據(jù)4.1節(jié)，可計(jì)算得到“預(yù)制艙變—充/換電”綜合站的換電需求如圖9所示。

圖9 “預(yù)制艙變—充/換電”綜合站的換電需求Fig.9 Swapping demand of prefabricated substation-charging/swapping “integrated station”

圖9中，換電需求大小與綜合站的地理位置分布有一定的影響，5號(hào)綜合站位于城市中心的商業(yè)區(qū)，車流量和客戶出行需求較大，所以其換電需求較高。在時(shí)間維度上，各綜合站的換電需求變化趨勢(shì)相似，總體大致呈“波浪形”分布，具有周期性的特點(diǎn)，主要是因?yàn)殡妱?dòng)出租車具有連續(xù)的出行行為，持續(xù)的電池能量消耗使電動(dòng)出租車每隔一段時(shí)間就要進(jìn)行電池更換。

6.5 換電站參與電網(wǎng)調(diào)控優(yōu)化

換電站無(wú)序充電場(chǎng)景為采用“即換即充”模式，各站無(wú)序充電負(fù)荷為附錄圖A3所示，換電站無(wú)序和有序充放電負(fù)荷如圖10所示。

圖10 換電站無(wú)序和有序充放電負(fù)荷Fig.10 Disordered and ordered charging and discharging loads of swapping stations

由圖10可知，相較于區(qū)域負(fù)荷峰值，疊加換電站充放電負(fù)荷，在無(wú)序和有序場(chǎng)景下負(fù)荷峰值分別提高了7.53 MW和1.31 MW，無(wú)序充電較大幅度的提高負(fù)荷峰值，還使得負(fù)荷曲線出現(xiàn)“雙高峰”。區(qū)域負(fù)荷、疊加有序負(fù)荷和疊加無(wú)序負(fù)荷場(chǎng)景下峰谷差為53.09 MW、48.53 MW和60.62 MW，在09：00～18：00日間負(fù)荷高峰期峰谷差分別為292.64 MW、274.52 MW和702.48 MW，預(yù)制艙式綜合站內(nèi)的換電站部分，通過有序安排電池充放電計(jì)劃不僅使得峰谷差有所減小，還使得日間負(fù)荷高峰期的負(fù)荷波動(dòng)降低。

7 結(jié)語(yǔ)

本文以預(yù)制艙變電站為基礎(chǔ)，分析了預(yù)制艙變電站和充/換電站進(jìn)行融合的可行性，提出了多站融合下“預(yù)制艙變電站-充/換電站”的站內(nèi)、站外服務(wù)框架，在該框架的管轄范圍內(nèi)對(duì)電動(dòng)私家車虛擬儲(chǔ)能可控容量、電動(dòng)出租車換電需求及充換/電站儲(chǔ)能利用策略進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：以預(yù)制艙變電站為中心，融合充/換電站建立綜合服務(wù)站，不僅可以集約社會(huì)土地資源，提供多元化服務(wù)，還具有較強(qiáng)的虛擬儲(chǔ)能容量及換電儲(chǔ)能容量，通過數(shù)據(jù)中心控制充/換電站充放電行為，可以起到平抑負(fù)荷波動(dòng)、削峰填谷作用。本文可為未來(lái)城市中廣泛建設(shè)的變電站和充/換電站的融合方案提供參考，考慮融合方案的商業(yè)化運(yùn)行及更加多元的站間融合是下一步的研究方向。