李咸善，詹梓澳，李 飛，張 磊

（1.梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北省宜昌市 443002；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

“雙碳”目標(biāo)引導(dǎo)下，電動(dòng)汽車（electric vehicle，EV）大規(guī)模發(fā)展與并網(wǎng)將給電網(wǎng)帶來(lái)挑戰(zhàn)［1］，需要開(kāi)展EV 與電網(wǎng)互動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱“車網(wǎng)互動(dòng)”）（vehicle to grid，V2G）應(yīng)用，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)EV 充放電需求和電網(wǎng)調(diào)度需求，綜合運(yùn)用電網(wǎng)峰谷電價(jià)、調(diào)頻服務(wù)政策［2-3］，實(shí)現(xiàn)EV 與電網(wǎng)雙贏發(fā)展。其中，換電模式相較于充電模式，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池集群和EV 集群在時(shí)間、空間、資產(chǎn)上的解耦［4］，由換電站（battery swapping station，BSS）對(duì)電池集中管理，能夠使換電站在提供EV 集群換電服務(wù)的同時(shí)，仍具有主動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)和儲(chǔ)能輔助服務(wù)等多元服務(wù)效益［5-6］，為換電站市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)。為了換電站在提升市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)效益的同時(shí)能參與電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻，需要研究EV 負(fù)荷調(diào)節(jié)及換電站電池等靈活性資源的協(xié)同優(yōu)化和換電站參與電能量和調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱“調(diào)頻市場(chǎng)”）競(jìng)價(jià)策略的協(xié)同優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題。

目前，在EV 充電模式下，EV 并網(wǎng)時(shí)間以及是否參與電網(wǎng)調(diào)度受用戶出行及意愿制約，調(diào)度機(jī)構(gòu)難以直接利用其調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)［7］將零散的EV負(fù)荷資源進(jìn)行整合，以代理商形式參與電能量市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，從而降低購(gòu)電成本。文獻(xiàn)［8］基于EV 柔性負(fù)荷的特性挖掘其快速調(diào)頻服務(wù)的潛能。文獻(xiàn)［9］指出頻繁充放電對(duì)電池壽命的影響是制約EV 用戶參與電網(wǎng)調(diào)度意愿的重要因素。盡管文獻(xiàn)［10］提出了計(jì)及電池壽命損耗的EV 參與電能量和調(diào)頻市場(chǎng)的協(xié)同優(yōu)化策略，但依舊無(wú)法規(guī)避用戶意愿的影響。與充電站不同，換電站擁有站內(nèi)電池的所屬權(quán)，其受可調(diào)度時(shí)間約束的影響較小，更有利于實(shí)現(xiàn)站內(nèi)電池組的調(diào)峰調(diào)頻調(diào)度［11］?，F(xiàn)有換電站參與電網(wǎng)調(diào)峰［12-13］、調(diào)頻［14］的研究均側(cè)重于換電站依據(jù)現(xiàn)有市場(chǎng)價(jià)格調(diào)整其電池集群的充放電策略，忽略其競(jìng)標(biāo)行為對(duì)市場(chǎng)價(jià)格的影響。此外，換電站要保障換電服務(wù)，其調(diào)節(jié)能力就會(huì)受到用戶換電需求的限制［15］。文獻(xiàn)［16］提出換電服務(wù)能力裕度的概念以兼顧電網(wǎng)削峰和換電服務(wù)需求，但經(jīng)濟(jì)性較差。文獻(xiàn)［17］研究表明在需求對(duì)價(jià)格敏感度較高的市場(chǎng)中，換電價(jià)格的小幅上升會(huì)導(dǎo)致?lián)Q電需求的大幅下降。而目前大部分研究均將換電價(jià)格設(shè)為恒定值［18-19］，沒(méi)有考慮分時(shí)換電價(jià)格對(duì)EV 集群調(diào)整換電行為的影響。

為此，本文圍繞換電站市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)效益提升、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻壓力緩解兩大目標(biāo)，構(gòu)建兩階段聯(lián)合優(yōu)化模型。通過(guò)對(duì)換電站靈活性資源的優(yōu)化和雙市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略的協(xié)同優(yōu)化，為促進(jìn)EV 產(chǎn)業(yè)與電網(wǎng)的雙贏發(fā)展提供換電站市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)策略支撐。

1 換電站的市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)框架

如圖1 所示，換電站包含集中型充電站（centralized charging station，CCS）和分布式配送站（distribution stations，DS）。DS 為EV 用戶提供電池的配送及更換服務(wù)，并將換下的電池運(yùn)輸?shù)紺CS 統(tǒng)一充電。

圖1 換電站市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)框架Fig.1 Market-oriented operation framework of battery swapping station

換電站通過(guò)參與電能量市場(chǎng)和調(diào)頻市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)收益最大化，助力電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻。其中，電能量市場(chǎng)交易主體包括換電站和常規(guī)發(fā)電機(jī)組；調(diào)頻市場(chǎng)交易主體包括換電站和調(diào)頻機(jī)組［20］；換電站參與市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)策略通過(guò)兩階段協(xié)同優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)。第1 階段基于調(diào)頻市場(chǎng)出清價(jià)格制定EV 集群換電需求響應(yīng)策略；第2 階段基于電能量市場(chǎng)價(jià)格和調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格制定雙市場(chǎng)協(xié)同競(jìng)價(jià)策略。

2 換電站兩階段協(xié)同優(yōu)化運(yùn)營(yíng)策略

2.1 第1 階段EV 換電需求響應(yīng)策略

考慮到換電站參與電能量市場(chǎng)時(shí)，其交易量的市場(chǎng)占比很小，對(duì)市場(chǎng)價(jià)格影響也很小。換電站主要作為市場(chǎng)出清價(jià)格的跟隨者，制定報(bào)量報(bào)價(jià)策略，滿足EV 換電需求，優(yōu)化電池充放電負(fù)荷曲線，跟蹤市場(chǎng)負(fù)荷曲線的走向，避免原有無(wú)序充放電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)，助力電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)度，并降低其購(gòu)電成本。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步依據(jù)電能量市場(chǎng)價(jià)格實(shí)施EV 換電需求響應(yīng)，但其盈利空間甚微，故本文不予考慮（具體分析見(jiàn)附錄A）。

當(dāng)冗余電池容量達(dá)到調(diào)頻市場(chǎng)準(zhǔn)入條件時(shí)，換電站參與調(diào)頻市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，且占有一定的市場(chǎng)份額，并對(duì)調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格產(chǎn)生影響，可獲得較大的盈利空間。而調(diào)頻市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略的優(yōu)化依賴于冗余電池?cái)?shù)量及其時(shí)序的優(yōu)化。為此，本文提出了EV 換電需求響應(yīng)策略，基于調(diào)頻市場(chǎng)出清價(jià)格制定分時(shí)換電價(jià)格，引導(dǎo)EV 集群調(diào)整換電行為，進(jìn)而優(yōu)化換電站電池充放電策略，獲得能滿足調(diào)頻市場(chǎng)調(diào)頻需求的冗余電池在數(shù)量和時(shí)序上的分布，提升換電站調(diào)頻競(jìng)價(jià)效益（具體分析見(jiàn)附錄A）。

考慮務(wù)時(shí)段市場(chǎng)價(jià)格存在差異，換電站更傾向于利用分時(shí)換電價(jià)格進(jìn)行激勵(lì)，將EV 換電需求轉(zhuǎn)移至調(diào)頻市場(chǎng)效益較差的時(shí)段，以提高其調(diào)頻競(jìng)價(jià)收益。為此，提出了換電電池等效市場(chǎng)利益損失指標(biāo)，即時(shí)段t用于換電的電池?fù)p失量對(duì)應(yīng)同等容量電能量參與調(diào)頻市場(chǎng)的效益。單電池等效市場(chǎng)利益損失如式（1）所示。

式中：lt為時(shí)段t單個(gè)電池的等效市場(chǎng)利益損失；C為時(shí)段t調(diào)頻市場(chǎng)的出清價(jià)格；Sbat為單個(gè)電池的容量。

以未實(shí)施換電價(jià)格引導(dǎo)前的換電價(jià)格為基準(zhǔn)價(jià)格Ebase（固定價(jià)格），根據(jù)調(diào)頻市場(chǎng)出清價(jià)格制定的分時(shí)換電價(jià)格為Et，如式（2）所示，則分時(shí)換電價(jià)格相對(duì)于基準(zhǔn)價(jià)格的變化量ΔEt所引發(fā)的換電電池需求變化量ΔNneed，t，稱為EV 換電需求響應(yīng)量，如式（3）所示。

式中：Ef、Ep、Eg分別為對(duì)應(yīng)于調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格峰、平、谷時(shí)段的換電站換電價(jià)格；T1、T2、T3分別為對(duì)應(yīng)調(diào)頻市場(chǎng)出清價(jià)格峰、平、谷時(shí)段的集合；ε為價(jià)格變化響應(yīng)系數(shù)，為負(fù)數(shù)。

依據(jù)式（3）可獲得需求響應(yīng)后務(wù)時(shí)段所需換電電池?cái)?shù)目，如式（4）所示。

式 中：N和Nneed，t分 別 為 時(shí) 段t無(wú) 序 狀 態(tài) 下 和 響 應(yīng)分時(shí)換電價(jià)格后EV 用戶換電電池需求量。

其 中，N由 每 輛 換 電EV 的 換 電 時(shí) 段 確 定。根據(jù)文獻(xiàn)［21-22］，采用蒙特卡洛方法模擬EV 全天務(wù)時(shí)段發(fā)生換電行為的概率，進(jìn)而計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)無(wú)序狀態(tài)下務(wù)時(shí)段換電電池需求量。其數(shù)學(xué)模型如附錄B 式（B1）和式（B2）所示。

2.2 第2 階段換電站的競(jìng)價(jià)策略

根據(jù)第1 階段換電電池需求數(shù)，在滿足換電需求的前提下，換電站制定其參與電能量市場(chǎng)和調(diào)頻市場(chǎng)的協(xié)同競(jìng)價(jià)策略，實(shí)現(xiàn)其效益最大化。

一方面，換電站制定的競(jìng)價(jià)策略會(huì)對(duì)市場(chǎng)出清價(jià)格以及其他參與主體的中標(biāo)量產(chǎn)生影響；另一方面，市場(chǎng)出清價(jià)格反過(guò)來(lái)又影響換電站的競(jìng)價(jià)策略，促使其調(diào)整自身競(jìng)價(jià)策略。換電站以達(dá)到收益最大化制定其競(jìng)價(jià)策略，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商以市場(chǎng)綜合成本最小為目標(biāo)完成市場(chǎng)出清，并確定務(wù)參與主體中標(biāo)量。如此循環(huán)，直至務(wù)參與主體達(dá)到利益均衡，從而得到換電站的競(jìng)價(jià)策略。

3 第1 階段EV 換電需求響應(yīng)優(yōu)化模型

3.1 換電站電池等效儲(chǔ)能模型

考慮到對(duì)換電站內(nèi)每個(gè)電池進(jìn)行建模，一方面會(huì)引入大量變量，導(dǎo)致模型維度過(guò)高，難以求解［23］；另一方面，單個(gè)電池的容量達(dá)不到入網(wǎng)門(mén)檻，無(wú)法單獨(dú)參與市場(chǎng)調(diào)度。為此，進(jìn)一步建立換電站內(nèi)電池的等效儲(chǔ)能模型，便于換電站參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。

由于電池只有運(yùn)輸?shù)紺CS 進(jìn)行統(tǒng)一充電時(shí)才能夠接入電網(wǎng)，而不同區(qū)域DS 運(yùn)輸?shù)紺CS 所需要的運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)不同，會(huì)導(dǎo)致同一時(shí)段、不同區(qū)域換下的電池入網(wǎng)時(shí)間存在差異（見(jiàn)附錄B 圖B1）。

考慮電池需要在務(wù)時(shí)段起始時(shí)刻就運(yùn)輸?shù)紺CS，換下的缺電電池在該時(shí)段結(jié)束時(shí)刻（即下一時(shí)段起始時(shí)刻）統(tǒng)一運(yùn)輸，則CCS 在時(shí)段t的電池?cái)?shù)量可表示為：

式中：Nt為CCS 在時(shí)段t的電池?cái)?shù)量；下標(biāo)ttr為電池在CCS 與DS 之間運(yùn)輸所需的運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)。

換電站內(nèi)每換出一個(gè)滿電電池，就會(huì)換入一個(gè)缺電電池，該過(guò)程可以視作一種快速放電行為，保持換電站內(nèi)電池總數(shù)不變。根據(jù)文獻(xiàn)［23］，換電站內(nèi)單電池充放電數(shù)學(xué)模型如附錄B 式（B3）至式（B5）所示。

換電站中務(wù)時(shí)段直接參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的是該時(shí)段CCS 內(nèi)并網(wǎng)電池聚合的充放電功率。由于站內(nèi)電池并網(wǎng)時(shí)間存在差異，為此，將調(diào)度時(shí)間拓展至整個(gè)調(diào)度周期T，并引入并網(wǎng)狀態(tài)變量，得到換電站總的充放電功率，如式（6）所示。

式中：P和P分別為換電站在時(shí)段t的總充、放電功 率；P和P分 別 為 電 池n在 時(shí) 段t的 充、放 電 功率；Xn，t為電池n在時(shí)段t的并網(wǎng)狀態(tài)變量，取1 表示處于并網(wǎng)狀態(tài)，取0 表示處于脫網(wǎng)狀態(tài)；Batt為換電站內(nèi)電池的集合。

考慮電池運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)，換電站電池等效儲(chǔ)能模型如式（7）所示，附錄B 式（B6）至式（B15）給出了其推導(dǎo)過(guò)程。

式中：P，max和P，max分別為換電站等效儲(chǔ)能在時(shí)段t的最大充、放電功率；St為換電站等效儲(chǔ)能在時(shí)段t的容量；Sax和Sin分別為換電站等效儲(chǔ)能在該時(shí)段容量的上限、下限；ΔSt為時(shí)段t電池并網(wǎng)狀態(tài)變化引起的等效儲(chǔ)能容量的變化量；Srival和Save分別為電池n的入網(wǎng)容量和離網(wǎng)容量；ηch和ηdis分別為充、放電效率；Δt為變化時(shí)長(zhǎng)。

3.2 換電站分時(shí)換電價(jià)格的制定

換電站制定分時(shí)換電價(jià)格的目的是引導(dǎo)EV 集群換電需求的調(diào)整，以有利于換電站的角度有序調(diào)度；同時(shí)，還需保證換電站換電需求波動(dòng)J1最小以及換電站等效市場(chǎng)利益損失J2最小。其中，換電需求波動(dòng)量采用EV 換電需求凈負(fù)荷的方差表示，如式（8）所示；換電站等效市場(chǎng)利益損失由單個(gè)電池個(gè)體的等效市場(chǎng)利益損失疊加表示，如式（10）所示。

式中：Nave為無(wú)序狀態(tài)下?lián)Q電電池需求量平均值。

為限制換電站制定分時(shí)換電價(jià)格的壟斷行為，避免換電站通過(guò)抬高分時(shí)換電價(jià)格套利，違背分時(shí)換電價(jià)格設(shè)置的初衷，因而以換電站在EV 用戶側(cè)換電服務(wù)獲取的總收益不變?yōu)樵瓌t［24-25］，即考慮分時(shí)換電價(jià)格前后換電站的換電服務(wù)收益相等為約束條件，如式（11）所示。

式中：Fsum為換電站換電服務(wù)總收益。

峰谷換電價(jià)格約束如式（12）所示。

式中：E、E、E、E分別為峰期、谷期換電價(jià)格的最小值和最大值。

4 第2 階段換電站參與市場(chǎng)的博弈模型

4.1 換電站最優(yōu)決策模型

換電站最優(yōu)決策模型須優(yōu)先滿足EV 用戶換電需求，以換電站的申報(bào)信息作為決策變量，以其總收益最大為目標(biāo)函數(shù)，如式（13）所示。

式中：FBSS為換電站總收益；F1和F2分別為換電站參與電能量市場(chǎng)、調(diào)頻市場(chǎng)的收益；C為電能量市場(chǎng)的出清價(jià)格；R、R、C分別為時(shí)段t換電站在調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)的調(diào)頻容量、調(diào)頻里程和調(diào)頻里程出清價(jià)格，均由下層調(diào)頻市場(chǎng)出清獲得。

約束條件包含換電站充放電功率、調(diào)頻容量、電量、申報(bào)信息等約束。

1）換電站充放電功率約束

式中：p和p分別為時(shí)段t換電站申報(bào)充、放電功率；α和α分別為表征換電站充、放電狀態(tài)的布爾變量。

2）換電站換電容量約束

3）換電站調(diào)頻容量約束

式中：r和r分別為時(shí)段t換電站申報(bào)調(diào)頻容量和里程；R為時(shí)段t換電站調(diào)頻容量申報(bào)上限；sBSS為換電站調(diào)頻里程乘子。

4）換電站申報(bào)信息約束

式中：π、π、π分別為時(shí)段t換電站申報(bào)的充放電價(jià)格、調(diào)頻容量?jī)r(jià)格以及調(diào)頻里程價(jià)格；π、π、π、π、π、π分別為換電 站申報(bào)的充放電價(jià)格、調(diào)頻容量?jī)r(jià)格、調(diào)頻里程價(jià)格的下限和上限。

4.2 市場(chǎng)出清模型

4.2.1 電能量市場(chǎng)與調(diào)頻市場(chǎng)順次出清優(yōu)化模型

順次出清模式下首先對(duì)電能量市場(chǎng)進(jìn)行出清，其次出清調(diào)頻市場(chǎng)。換電站可參與調(diào)頻市場(chǎng)的容量為確定參與電能量市場(chǎng)后的剩余容量。

1）電能量市場(chǎng)出清模型

式中：fEN為電能量市場(chǎng)的購(gòu)電成本；UG為常規(guī)發(fā)電機(jī)組的集合；P和π分別為時(shí)段t常規(guī)發(fā)電機(jī)組m在電能量市場(chǎng)中標(biāo)的發(fā)電量以及其申報(bào)的發(fā)電價(jià)格。

電能量市場(chǎng)的出清需要遵循出清規(guī)則以及電網(wǎng)運(yùn)行等約束，如式（19）至式（22）所示。

2）調(diào)頻市場(chǎng)出清模型

式中：fFM為調(diào)頻市場(chǎng)購(gòu)電成本；UF為調(diào)頻機(jī)組的集合；R和R分 別 為 時(shí) 段t調(diào) 頻 機(jī) 組i在 調(diào) 頻 市 場(chǎng)中標(biāo)的調(diào)頻容量；π和π分別為調(diào)頻機(jī)組i申報(bào)的容量?jī)r(jià)格和里程價(jià)格。

調(diào)頻市場(chǎng)的出清需要遵循出清規(guī)則以及電網(wǎng)運(yùn)行等約束，如式（24）至式（31）所示。

4.2.2 電能量市場(chǎng)與調(diào)頻市場(chǎng)聯(lián)合出清優(yōu)化模型

聯(lián)合出清方式下以電能量市場(chǎng)的購(gòu)電成本與調(diào)頻市場(chǎng)的成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，確定務(wù)機(jī)組的中標(biāo)量。

式中：fUN為總購(gòu)電成本。

約束條件為式（19）至式（22）、式（24）至式（31）以及式（33）、式（34）所示。

式中：ω，R和ω，R為對(duì)應(yīng)約束的對(duì)偶變量。

5 兩階段優(yōu)化模型求解方法

兩階段模型及其交替迭代求解流程如圖2 所示。圖中：α、β為兩個(gè)目標(biāo)的權(quán)重，且α+β=1。將第1 階段多目標(biāo)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化模型，采用粒子群算法求解。第2 階段博弈模型為混合整數(shù)非線性模型，難以直接求解，因而對(duì)其進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)化，以聯(lián)合出清模型為例，首先，采用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）定理，將下層出清模型轉(zhuǎn)化為KKT 條件，從而將雙層問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單層問(wèn)題；然后，利用大M法和強(qiáng)對(duì)偶定理將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為混合線性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解（具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄C）。

圖2 模型求解流程圖Fig.2 Flow chart of model solving

6 算例分析

6.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

換電站內(nèi)電池總數(shù)為2 000 個(gè)，單個(gè)電池容量為60 kW·h，額定充放電功率為20 kW，充放電效率為90%。根據(jù)DS 與CCS 的距離，將DS 劃分為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3，其運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)分別為1、2、3 h，對(duì)應(yīng)服務(wù)的換電EV 數(shù)量分別為4 000、2 500、1 500 輛。系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線如附錄D 圖D1 所示；假設(shè)系統(tǒng)總調(diào)頻需求等于總負(fù)荷的15%；單個(gè)時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)為1 h。表1 為參與電能量市場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組報(bào)價(jià)信息，表2 為參與調(diào)頻市場(chǎng)的調(diào)頻機(jī)組報(bào)價(jià)信息。

表1 發(fā)電機(jī)組申報(bào)信息Table 1 Bidding information of generation units

表2 調(diào)頻機(jī)組申報(bào)信息Table 2 Bidding information of frequency regulation units

6.2 仿真案例設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本文所提考慮換電用戶需求響應(yīng)的兩階段競(jìng)價(jià)策略的有效性，本文設(shè)置以下典型案例進(jìn)行分析，其中，案例5 用于分析換電站競(jìng)價(jià)行為對(duì)市場(chǎng)的影響。

案例1：出清模式為聯(lián)合出清模式，不考慮EV換電需求響應(yīng)，采用固定的換電價(jià)格。

案例2（本文競(jìng)價(jià)策略）：出清模式為聯(lián)合出清模式，考慮EV 換電需求響應(yīng)。

案例3：出清模式為順次出清模式，不考慮EV換電需求響應(yīng)，采用固定的換電價(jià)格。

案例4（本文競(jìng)價(jià)策略）：出清模式為順次出清模式，考慮EV 換電需求響應(yīng)。

案例5：換電站僅作為常規(guī)負(fù)荷，不參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。

6.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

1）EV 換電需求響應(yīng)對(duì)換電站的電池?cái)?shù)量及時(shí)序的影響

在聯(lián)合出清模式下，案例1 和案例2 的換電站內(nèi)冗余電池?cái)?shù)量及時(shí)序的仿真結(jié)果如圖3 所示。案例2通過(guò)EV 換電需求響應(yīng)策略優(yōu)化了可參與調(diào)頻的冗余電池?cái)?shù)量及時(shí)序，使得對(duì)應(yīng)時(shí)段9 至12 和時(shí)段16至21 期間（市場(chǎng)調(diào)頻需求高峰期）換電站內(nèi)的冗余電池?cái)?shù)量顯著增加，而時(shí)段0 至6 以及時(shí)段23、時(shí)段24期間（市場(chǎng)需求低谷期）冗余電池?cái)?shù)量有所降低。在順次出清模式下具有同樣的結(jié)論（見(jiàn)附錄D 圖D2）。

圖3 換電站內(nèi)冗余電池?cái)?shù)量仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of numbers of redundant batteries in battery swapping station

2）EV 換電需求響應(yīng)對(duì)市場(chǎng)出清結(jié)果的影響

由圖4 可知，換電站的充電行為主要集中在負(fù)荷低谷期，這既降低了充電成本，也實(shí)現(xiàn)了削峰填谷；換電站依據(jù)調(diào)頻市場(chǎng)需求調(diào)整了EV 需求響應(yīng)和調(diào)頻競(jìng)價(jià)決策，既提升了調(diào)頻服務(wù)效益，也有助力于調(diào)頻調(diào)度。具體分析如下。

圖4 市場(chǎng)出清結(jié)果以及換電站競(jìng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Market clearing results and bidding results of battery swapping station

如圖4（a）、（b）所示，在同一出清模式下，通過(guò)需求響應(yīng)策略調(diào)整冗余電池?cái)?shù)量和時(shí)序后，換電站集中在價(jià)格較低時(shí)段充電，在負(fù)荷高峰期時(shí)段，基本不進(jìn)行充電，且在圖4（b）中時(shí)段11、18 以及19 期間向電網(wǎng)反向放電。

如圖4（c）、（d）所示，調(diào)頻需求高峰時(shí)段，如時(shí)段15 至20，換電站調(diào)頻容量的中標(biāo)量相較于需求響應(yīng)前顯著上升，相對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)調(diào)頻容量?jī)r(jià)格有所降低。調(diào)頻里程出清結(jié)果具有同樣的結(jié)論（見(jiàn)附錄D圖D3）。附錄D 圖D4 展示了4 種案例下其他機(jī)組的中標(biāo)情況，可知出清價(jià)格與其對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)需求變化趨勢(shì)一致，出清價(jià)格直接反映了市場(chǎng)需求，換電站通過(guò)市場(chǎng)價(jià)格響應(yīng)市場(chǎng)需求。

3）出清模式對(duì)換電站競(jìng)價(jià)結(jié)果的影響

對(duì)比案例2 和案例4 的出清結(jié)果可知，在順次出清模式下，換電站優(yōu)先考慮電能量市場(chǎng)的效益，冗余電池優(yōu)先用于電能量市場(chǎng)進(jìn)行充放電調(diào)度，進(jìn)而導(dǎo)致參與調(diào)頻市場(chǎng)的可用容量降低。例如，在時(shí)段18 時(shí)，換電站在電能量市場(chǎng)中標(biāo)放電（見(jiàn)圖4（b）），導(dǎo)致同一時(shí)段換電站幾乎不參與調(diào)頻（見(jiàn)圖4（d））。而聯(lián)合出清模式下則是衡量2 個(gè)市場(chǎng)的效益，選擇利益更大的一方參與，如圖4（a）、（c）所示，換電站冗余電池主要參與收益更大的調(diào)頻市場(chǎng)，在該模式下調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)容量整體上大于順次出清模式。

4）換電站收益對(duì)比

不同案例下?lián)Q電站的收益如表3 所示。分別對(duì)比案例1、3 和案例2、4 可知，換電站參與電能量市場(chǎng)和調(diào)頻市場(chǎng)聯(lián)合出清所獲得的收益大于順次出清所獲得的收益。盡管聯(lián)合出清模式下電能量市場(chǎng)的購(gòu)電成本略大于順次出清模式，但前者在調(diào)頻市場(chǎng)能夠獲得更大的收益。

表3 不同案例下的換電站收益Table 3 Revenues of battery swapping station in different cases

此外，采用本文所提出的考慮換電需求響應(yīng)的兩階段優(yōu)化競(jìng)價(jià)策略，通過(guò)對(duì)冗余電池的數(shù)量和時(shí)序進(jìn)行調(diào)整，能夠在保障換電服務(wù)收益的同時(shí)，降低電能量市場(chǎng)充電成本，提高調(diào)頻服務(wù)收益。

5）換電站競(jìng)價(jià)策略對(duì)電能量市場(chǎng)和調(diào)頻市場(chǎng)的影響

為進(jìn)一步分析換電站競(jìng)價(jià)行為對(duì)市場(chǎng)的影響，以聯(lián)合出清模式的案例1、2 為例，與換電站不參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的案例5 進(jìn)行對(duì)比。

換電站無(wú)序充電使得峰值時(shí)段擴(kuò)大，不利于調(diào)峰調(diào)度。這是因?yàn)閾Q電站無(wú)序充電的部分時(shí)段負(fù)荷較高，疊加到市場(chǎng)負(fù)荷需求曲線上使對(duì)應(yīng)時(shí)段出清電價(jià)上升。而換電站根據(jù)市場(chǎng)需求情況對(duì)充放電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，可使購(gòu)電成本減小，并且由于換電站交易量的市場(chǎng)占比很小，使得換電站參與電能量市場(chǎng)競(jìng)價(jià)對(duì)市場(chǎng)價(jià)格的影響很小，僅部分時(shí)段變化10 元/（MW·h），可避免無(wú)序充電情況下的峰階段增加現(xiàn)象，有助于調(diào)峰調(diào)度目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)（具體驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)附錄D 圖D5 和圖D6）。

換電站參與調(diào)頻市場(chǎng)后，其提供的調(diào)頻資源占有一定的市場(chǎng)份額，使得調(diào)頻容量和調(diào)頻里程出清價(jià)格均明顯降低，緩解了調(diào)頻市場(chǎng)的調(diào)頻資源需求壓力，有助于電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)度。通過(guò)換電需求響應(yīng)優(yōu)化換電站內(nèi)電池冗余量后，可使換電站能夠較好地跟蹤調(diào)頻市場(chǎng)需求，使得調(diào)頻需求高峰時(shí)段調(diào)頻市場(chǎng)容量、里程價(jià)格進(jìn)一步下降（具體驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)附錄D 圖D7 和圖D8）。

7 結(jié)語(yǔ)

1）依據(jù)調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格制定換電站分時(shí)換電價(jià)格，可有效引導(dǎo)EV 用戶調(diào)整換電需求，在平抑換電需求波動(dòng)的同時(shí)，使冗余電池?cái)?shù)量及時(shí)序與調(diào)頻市場(chǎng)需求趨勢(shì)一致，提升換電站調(diào)頻投標(biāo)效益。

2）在市場(chǎng)價(jià)格的激勵(lì)下，換電站以滿足EV 換電需求為前提制定電能量市場(chǎng)和調(diào)頻市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略，可實(shí)現(xiàn)換電站與電力市場(chǎng)的利益共贏，有利于維系換電站市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)機(jī)制的穩(wěn)定性。

3）在不同的出清模式下，相較于不考慮EV 需求響應(yīng)的競(jìng)價(jià)策略，本文所提出的兩階段聯(lián)合優(yōu)化競(jìng)價(jià)策略，能夠進(jìn)一步降低換電站的充電成本，顯著提升其競(jìng)價(jià)收益，有助于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻。

未來(lái)，將進(jìn)一步考慮多個(gè)換電站之間的聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，分析多個(gè)換電站合作博弈以及非合作博弈的競(jìng)價(jià)策略對(duì)換電站收益以及市場(chǎng)調(diào)峰調(diào)頻的影響。

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