渠砚青，赵 爽，黄小群，李星星
（1.广州工商学院工学院，广东广州 510850；2.西北工业大学航海学院，陕西西安 710072）
引言
随着国家低碳政策的提出，以清洁无污染的二次能源电能为动力的电动汽车受到了各国的青睐。据国家统计局的统计预测电动汽车在2030 年将达到6000万辆[1]，假设每辆电动汽车电池是60 kwh 那幺总等效容量有50 亿kwh，相当于我国2019 年日平均用电量的五分之二。具有光明前景的电动汽车市场所产生的电能可以有效缓解我国资源问题，同时也将对传统的电力系统提出新的挑战。电动汽车车主的行驶里程和充电习惯多变且随机，传统电力系统成本较高、浪费资源等不足已经不能满足社会和经济的快速发展[2]。通过V2G（Vehicle to Grid）的智能电网中电动汽车与电网的互动协作功能可以将所有接入电网的车辆作为可调控的分布式储能装置，实现电网与电动汽车间的双向互动。
在20 世纪90 年代，由于电动汽车能量储存的可移动性和不可预见性，人们已认识到其储能能力不同于电网中的其它负荷，电动汽车V2G 技术处于萌芽阶段，并未找到很好的解决方案[3]。特拉华大学的威利特肯普顿与他带领的团队以15 辆Mini Cooper 电动汽车作为研究对象进行电网智能控制的实验[4]，进一步研究证明了V2G 技术在电动汽车上的应用价值和经济效益的可观性与可行性[5]。2014 年，美国西南研究院于2013 年研制出第一代V2G 集中控制系统，通过分析电网负荷水平，智能控制电动汽车的充电方法，从而自动延缓电动汽车的充电时间，标志着稳定传输电能的技术已经成熟。《推广电动汽车和充电基础设施指南》于2015 年发布，旨在大力倡导支持V2G 应用创新模式[6]。日本在电动汽车的研发上比较领先，近年来也在大力研究如何有效的把电动汽车电池上的电能反馈给电网，这些电能将用于发生突发状况的应急电源、为各种电器以及商务大厦提供电力，开启新的V2G 技术的发展。支持V2G 技术发展的多项政策已在日本实现了小规模应用示范。本论文从电动汽车用户和电网运行角度出发，阐述了电动汽车和电网的车网融合互动关系，对电动汽车制定有序充电模式，从电网各个时间段用电负荷的角度和电动汽车用户充电需求的角度出发，制定合理的电网分时电价政策。
1 电动汽车充放电对电网负荷的影响
1.1 电动汽车用户的用电需求弹性
弹性是指经济发展过程中对物质需求变化的反应灵敏程度，是指某一物质需求与另一物质需求变化的百分比，弹性系数随比值的变化而变化[7]。即：
1.2 日行驶里程
根据美国交通部对全美私人车辆的调查结果显示，基本日常生活中14%的车辆处于闲置停驶状态，43.5%的私家车日行驶里程在20 英里之内，有87.3%的私家车日行驶距离不超过60 英里，得到私家车每日行驶里程数的概率分布曲线，如公式（2）所示：
1.3 私家车出行习惯
为了分析大规模电动汽车接入电网对电网的影响，对电动汽车车主的出行行为做如下分析：
（1） 补贴政策，电动汽车的私家车用户，一方面可以获得国家补贴和电池的充放电折旧费，另一方面电动汽车用户可以利用在峰谷充放电的电价差获得额外的收入，减少运营成本。
（3） 因要对电池进行充放电工作，应该考虑电动汽车的实际运行充放电情况，将电动汽车电池的可用荷电状态SOC 范围确定为10%～90%[9]。
（4） 按照电动汽车车主一天的日常用车规律，上午电动汽车车主到达单位上班，17:00 离开单位下班。无序充电的模式时电动汽车每一时刻放电几率是一样的。
2 有序模式下峰谷电价时段优化
2.1 峰谷电价时段
按电力部门一天24 h，常规用电负荷和接入电动汽车充电负荷，制定合理的峰谷电价政策，选择合适的时间进行充电服务。峰谷电价政策的数学模型公式如下：
2.2 有序模式的V2G 时刻选择
电动汽车用户在有序模式下，响应分时电价政策，其充电与放电时刻选择按照如下两种情况。
利用峰谷电价差选择在用电低谷时期为电动车充电储存电量的用户，其中开始选择充电的时间由公式（6）表示：
利用峰谷电价差选择在用电高峰时期将电能放电至电网的车主，其中开始选择放电的时刻由公式（7）表示：
通过公式（6）和公式（7）可见，利用分时电价政策，车主可在谷（峰）电价时间段内的任意时刻去充（放）电。
2.3 优化模型
假设电动汽车用户都是为了自身最大利益化，降低电动汽车的使用费用，在峰谷电价政策的引导下，利用电价低谷阶段，给电动汽车充满电量，当电网用电紧张，负荷较大时，利用高峰电价向电力系统输送电能以获取经济利益。由此可见，峰谷电价时段的选择对于用户来说是非常重要的。同时，按照峰谷电价政策对电动汽车用户响应度 η的高低，也影响着电动汽车的日负荷功率曲线。因此需要考虑用户响应度η政策的制定的政策。其中，仍有1-η的车主不响应峰谷电价差，则将其充放电功率不按相关有序充电模式的进行充电。
根据某区域内电力系统用电的日负荷数据，设其负荷曲线为L0，同时利用蒙特卡洛随机模拟的方法，统计某地一天内N 台车每个时刻的充放电负荷大小，即为一天的充放电负荷曲线L1，其中，包含按照峰谷电价差政策选择去充放电的有序负荷η·N与（1- η）·N的无序负荷。根据这些用电负荷的大小，从而可以得到某地电力系统的实际用电负荷曲线为L（i）=L0（i）+L1（i）,1≤i≤24。
在计算统计的过程中，将车辆数N 与常规负荷L0一定时，电网实际负荷L 与峰谷电价时段和峰谷电价响应度有关。例如，模拟电动汽车总数N 为100 辆，假设电动汽车参与有序充放电的响应度为1.0，相同响应度下，当峰谷电价时段分别为[21 ：0 0 ，03 ： 0 0 ]、[1 0： 0 0， 14 ： 00]和[02 ：0 0 ，06 ： 0 0] 、[1 4： 0 0， 17： 00]时的电网负荷变化曲线见图1。
图1 不同峰谷时段的电网负荷曲线
以100 量电动汽车为模拟总数N，假设电动汽车响应度不同，η 为1.0 和0.5 为基础，峰谷电间价间段为[21 ：00 ,03 ：0 0 ]、[1 0： 0 0, 14 ： 00]，其中电网负荷变化曲线见图2。
图2 不同峰谷电价响应度的电网负荷曲线
2.4 算例分析
为验证上述所建优化数学模型，将城市A 中私家车为参考对象，即计算电动汽车100 辆为参考数据，以表1 中夏季与冬季日负荷曲线为例，应用优化模型对峰谷电价优化时段进行分析。
表1 A 市夏冬季典型日的负荷峰谷值
其中，根据夏季、冬季典型日用电量曲线，由于夏季天气原因，用电需求负荷量大，故负荷曲线较陡，而冬季用电需求分布广，负荷曲线较稳定。根据负荷曲线的变化，得到夏季与冬季利用峰谷电价差的优化结果见表2 和表3。
表2 夏季典型日峰谷电价时段优化前后的峰谷差率
表3 冬季典型日峰谷电价时段优化前后的峰谷差率
在高低响应强度不同的情况下，夏季优化前后电网负荷曲线变化见图3 和冬季优化前后电网负荷曲线图4。
图3 夏季高低响应度负荷曲线
图4 冬季高低响应度负荷曲线
由表3 和表4 的计算结果与图3 和4 的变化得出，在夏冬季中，将无序充放电的电动汽车接入电网，拉高用电负荷峰值，是电网的波峰值更加增大，使电网运行更不稳定。通过峰谷电价时段优化方法，在谷电价时段和峰电价时段，电动汽车负荷接入电网发挥了削峰填谷效果。若用户参与峰谷电价差给电动汽车充放电的响应度 η越高，则优化后电网的负荷峰谷差率越小，优化后的负荷曲线越平滑，即用户运营成本降低，电网运行越稳定。
3 结论
本论文根据电动汽车用户的充电行为习惯，以电动汽车充放电模型为基础，提出峰谷电价时段的优化模型，运用算例进行仿真验证。根据其结果显示：当无序充放电电动汽车时，电网日常用电负荷的波峰波谷差变大，而利用电动汽车V2G 技术中的峰谷差价，选择合适的电价优化充电时间，有序的充放电，不仅可以起到削峰填谷的作用，还可以降低电网的峰谷差率。所以根据电网用电负荷的实际情况，制定合理的峰谷电价时段，对电网运营经济型的提高起到至关重要的作用。
