關(guān)于分時(shí)電價(jià)下PHEV智能集中充電策略探討

1、關(guān)于分時(shí)電價(jià)下PHEV智能集中充電策略探討    0 引言PHEV(Plug-in Hybrid Electrical Vehicle)插電式混合動(dòng)力車(chē)，是一種結(jié)合內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種類(lèi)型驅(qū)動(dòng)的新型交通工具，具有清潔、低碳、低能耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)PHEV 內(nèi)具有電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、可與電網(wǎng)相連接的電力電子設(shè)備 1。V2G 技術(shù)是“車(chē)輛到電網(wǎng)”Vehicle to Grid的簡(jiǎn)稱(chēng)2 3, 是實(shí)現(xiàn)PHEV 與電網(wǎng)（一般是配電網(wǎng)饋線末端）相連接的新技術(shù)。PHEV 的 V2G 充電作為一種新的需求側(cè)響應(yīng)手段近年來(lái)引起越來(lái)越多的關(guān)注4，然而目前對(duì)于PHEV 的V2G 研究

2、主要集中于概念的引進(jìn)和可行性預(yù)測(cè)，對(duì)于V2G 如何實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)服務(wù)缺乏具體設(shè)深入的研究。文獻(xiàn)5從宏觀角度預(yù)測(cè)2040 年左右V2G 將在美國(guó)實(shí)現(xiàn)全面市場(chǎng)化；文獻(xiàn)6分析V2G 的自身發(fā)展限制，指出V2G 盡管潛力無(wú)限，但仍舊受到眾多因素的制約，最終的發(fā)展前景是能源價(jià)格、政府影響、民眾理念、技術(shù)水平以及國(guó)家戰(zhàn)略等多方面博弈的結(jié)果7 。文獻(xiàn)8給出了由供電側(cè)，ISO 和PHEV 用戶側(cè)三方參與的V2G 的概念示意圖，文獻(xiàn)9分別從調(diào)峰服務(wù)、旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)、調(diào)頻調(diào)壓服務(wù)比較V2G 在電力市場(chǎng)中應(yīng)該承擔(dān)的角色，指出PHEV 整體V2G 充電對(duì)于調(diào)峰市場(chǎng)所蘊(yùn)藏的巨大利益。美國(guó)國(guó)家可再生能源(NREL) 調(diào)研指出

3、10，假設(shè)PHEV 對(duì)電網(wǎng)提供7KW 的電能，10的PHEV 接入率，保守估算美國(guó)所有州的總發(fā)電量可以減少2511。文獻(xiàn)12分別以美國(guó)東西部電網(wǎng)負(fù)荷為例，測(cè)算PHEV 到家即時(shí)速充對(duì)電網(wǎng)的影響。結(jié)果表明：大量PHEV 以V2G 方式接入電網(wǎng)后會(huì)對(duì)加重原有峰荷負(fù)荷，進(jìn)一步拉大負(fù)荷的峰谷差距，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致負(fù)荷畸變。另一方面，用戶歸家即充的規(guī)律時(shí)段主要集中在傍晚用電高峰，電能單價(jià)為峰時(shí)電價(jià)，從而PHEV 用戶的充電成本缺乏經(jīng)濟(jì)性考量。綜上所述，如果V2G 的充電缺乏整體上智能協(xié)調(diào)控制，對(duì)供電側(cè)安全穩(wěn)定存在隱患；反之，考慮到PHEV 作為一種柔性負(fù)荷通過(guò)V2G 方式接入電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)PHEV 充電時(shí)段

4、的調(diào)度分配，合理有效地進(jìn)行整體智能控制不僅可以避免過(guò)負(fù)荷帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題、起到移峰填谷的調(diào)峰效果、縮減新增發(fā)電預(yù)算，而且可以給PHEV 一定程度上帶來(lái)充電成本的節(jié)約，充分體現(xiàn)了需求響應(yīng)的思想。為此，本文在明確V2G 的調(diào)峰角色基礎(chǔ)上，提出了一套適合PHEV 整體V2G 充電的策略，旨在適應(yīng)智能電網(wǎng)大環(huán)境，為PHEV 的V2G 實(shí)際市場(chǎng)化運(yùn)行提供新的思路。內(nèi)容主要分為以下部分：供電側(cè)與用戶側(cè)各自模型的建立，動(dòng)態(tài)估計(jì)插入算法的提出和算例仿真分析。1 數(shù)學(xué)模型本文以分時(shí)電價(jià)為背景提出一個(gè)由系統(tǒng)ISO 管理運(yùn)作監(jiān)督、供電側(cè)與用戶側(cè)雙方參與的PHEV 集中V2G 充電策略。其中供電側(cè)的目的在于對(duì)負(fù)荷進(jìn)行

5、削峰移谷；用戶側(cè)的目標(biāo)在于節(jié)省電費(fèi)成本。分時(shí)電價(jià)以峰谷兩部制為前提，上午07 時(shí)至晚間21 時(shí)為峰電價(jià)時(shí)段，晚間21 時(shí)后至次日07 時(shí)為谷電價(jià)。日前負(fù)荷曲線信息和電價(jià)信息根據(jù)日前預(yù)測(cè)作為已知量。參與策略的三方分別是PHEV 用戶、供電側(cè)和ISO 獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商。1.1 目標(biāo)函數(shù)和約束條件供電側(cè)的目的主要是削峰填谷，因此可以引入負(fù)荷最值差的最小化作為目標(biāo)函數(shù)，如下式（1）即：目標(biāo)函數(shù)中（1）意義為在研究時(shí)段a T 至b T 內(nèi)，對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)加入?yún)f(xié)議策略的每一輛PHEV選擇合適時(shí)段進(jìn)行充電，使形成的新負(fù)荷曲線峰谷差最?。谎芯繒r(shí)段變量i 在晚上a T 時(shí)至次日早上b T 時(shí)之間以小時(shí)為單位變化；j表

6、示PHEV的下標(biāo)，n(i)表示該研究時(shí)段i下的共有n(i)輛PHEV 參與策略協(xié)議； k L 表示日前負(fù)荷預(yù)測(cè)下第k 時(shí)段的負(fù)荷量， j P 表示第j 輛PHEV的平均充電功率，Xk 為0-1決策變量以決定該時(shí)段是否充電；Tbk iU=表示集合，下標(biāo)k在當(dāng)前研究時(shí)段i 至研究時(shí)段上限Tb 間移動(dòng)等式（2）作為約束條件，反應(yīng)該輛PHEV 充電用時(shí)的平衡。j T 表示當(dāng)前研究時(shí)段i 下第j 輛PHEV 所需要的充電時(shí)間。式（3）、（4）表示PHEV 的加入?yún)f(xié)議的時(shí)刻、充電完成時(shí)刻不應(yīng)該超過(guò)研究時(shí)段的上下限。不等式（5）是模型的一個(gè)重要前提條件，供電側(cè)的PHEV 需求側(cè)響應(yīng)成本應(yīng)當(dāng)小于PHEV 作為

7、一種新的生活用電負(fù)荷引起的新增峰荷裝機(jī)成本，另言之，供電側(cè)給予PHEV 用戶的充電費(fèi)用折扣的總量應(yīng)該小于由于PHEV 負(fù)荷引起的新增能效電廠成本。式中DR C 為需求側(cè)響應(yīng)成本，Cg 為新增峰值負(fù)荷裝機(jī)成本。PHEV集中充電另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是對(duì)加入策略協(xié)議的PHEV 采用連續(xù)充電方式還是間斷充電方式。考慮到PHEV 車(chē)載電池在短時(shí)間內(nèi)多次充電啟停會(huì)對(duì)電池使用壽命造成極大的影響，而車(chē)載蓄電池作為PHEV 的核心部件造價(jià)昂貴，因此引入式（6）、（7）充電連續(xù)性作為約束條件。（7）式中Ts為根據(jù)X 變量確定的該P(yáng)HEV 起始充電時(shí)段，其中符號(hào)表示“定義為”。另外，表示PHEV 用戶不加入V2G

8、集中充電協(xié)議即到即充自主方式下負(fù)荷量，如下（8）式所示。1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于供電側(cè)的削峰移谷要求，除了負(fù)荷峰谷差最小作為目標(biāo)函數(shù)外，考慮另設(shè)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：負(fù)荷數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和負(fù)荷率，前者較好地體現(xiàn)了負(fù)荷的波動(dòng)性，后者體現(xiàn)了負(fù)荷的利用率。如下（9）、（10）所示:其中Li, p是PHEV充電后每個(gè)時(shí)段的負(fù)荷量， P L 是PHEV 充電后的平均負(fù)荷量。av P 是PHEV 充電后的負(fù)荷平均功率， max P 是充電后負(fù)荷最大功率。負(fù)荷率L K 是一小于1 的數(shù)，L K 越接近1，說(shuō)明負(fù)荷利用率越大。以上目標(biāo)函數(shù)以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以充分對(duì)比PHEV 集中智能充電下的新負(fù)荷曲線以及PHEV 集中自

9、然充電下的負(fù)荷削峰移谷的效果。2 動(dòng)態(tài)估計(jì)插值思想對(duì)上述模型中目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，有以下方面需要考慮一，日前預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線的MW 級(jí)功率與PHEV kW 功率數(shù)量級(jí)的銜接；二，負(fù)荷邊界條件的分析判定，即由于PHEV 充電連續(xù)性可能引起的充電用時(shí)越界情況；三，局部負(fù)荷奇異的特殊情況，例如日前預(yù)測(cè)峰谷負(fù)荷時(shí)段相鄰。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于動(dòng)態(tài)估計(jì)插值思想的PHEV 削峰移谷方法。該方法的總體思想是逐個(gè)時(shí)段對(duì)該時(shí)段下參與協(xié)議的PHEV 進(jìn)行分類(lèi)，然后以每一輛參與協(xié)議策略PHEV 的功率為基值對(duì)日前預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線進(jìn)行功率單位歸一化；其次在充分考慮邊界條件和負(fù)荷曲線奇異性的基礎(chǔ)上結(jié)

10、合PHEV 自身充電用時(shí)要求進(jìn)行負(fù)荷估計(jì)，尋找合適的時(shí)段對(duì)該P(yáng)HEV 進(jìn)行插值。具體流程步驟如下：Step 1 ：準(zhǔn)備工作：讀取日前負(fù)荷預(yù)測(cè)信息、分時(shí)電價(jià)信息、確定策略的研究時(shí)段；讀取初始研究時(shí)段下參與協(xié)議策略的PHEV 數(shù)量；Step 2 ： 從充電用時(shí)長(zhǎng)短角度對(duì)初始研究時(shí)段下參與協(xié)議的若干輛PHEV 進(jìn)行分類(lèi)、標(biāo)號(hào)和計(jì)數(shù)；Step 3 ：從充電用時(shí)最大的PHEV 類(lèi)型起始，對(duì)日前負(fù)荷曲線中的負(fù)荷量以該類(lèi)型下每一個(gè)PHEV 的平均功率為基值進(jìn)行標(biāo)么化（單位化）；Step 4 ： 在已經(jīng)標(biāo)么化的負(fù)荷曲線上搜尋最大、最小值；在最小值所對(duì)應(yīng)的時(shí)段h 填入該P(yáng)HEV 所需充電用時(shí)一個(gè)小時(shí)，該P(yáng)HEV

11、 余下的充電時(shí)段數(shù)要和時(shí)段h 連續(xù)；Step 5 ：針對(duì)該P(yáng)HEV 構(gòu)造一個(gè)時(shí)段集合組H，集合組下每個(gè)時(shí)段集合U 內(nèi)滿足所包含元素?cái)?shù)量應(yīng)該等于該P(yáng)HEV 余下充電時(shí)段數(shù)且與上述h 相連續(xù)；Step 6 ：檢測(cè)邊界條件。根據(jù)研究時(shí)段界限，逐一判斷集合組H 內(nèi)若干時(shí)段集合U 是否存在越界情況；刪除越界的時(shí)段集合，更新時(shí)段集合組H；Step 7 ：檢測(cè)奇異負(fù)荷。這里奇異負(fù)荷定義為峰谷同時(shí)出現(xiàn)在時(shí)段U 中。對(duì)更新后的新時(shí)段集合組H 中的所有時(shí)段集合U 逐個(gè)搜索其包含的元素中是否存在負(fù)荷峰值，構(gòu)造一個(gè)集合N，其元素為每個(gè)時(shí)段集合U 包含的峰值個(gè)數(shù)，計(jì)算集合N 中的最小值m；若最小值等于0，即存在正常時(shí)段

12、集合（非奇異），取出所有N 中等于0 所對(duì)應(yīng)的時(shí)段集合U 二次更新集合組H；如果m 不等于0，即所有時(shí)段集合U 均奇異，取出所有N 中等于m 所對(duì)應(yīng)的時(shí)段集合二次更新集合組H；Step 8： 逐個(gè)對(duì)集合組 H 下各個(gè)時(shí)段集合U 中元素進(jìn)行求和得集合S， 將內(nèi)部元素從小到大排列；Step 9：選擇最小S 所對(duì)應(yīng)的U，將該輛PHEV 余下的若干小時(shí)插入充電，標(biāo)志該類(lèi)型的第一輛PHEV 充電完畢，刷新負(fù)荷曲線；Step 10：確定該P(yáng)HEV初始充電時(shí)段，計(jì)算該P(yáng)HEV充電成本，轉(zhuǎn)入該類(lèi)型下一輛PHEV；Step 11：循環(huán)執(zhí)行Step 3 至Step 10，直到該類(lèi)型所有PHEV 充電完成，刷新負(fù)荷

13、曲線，轉(zhuǎn)入下一類(lèi)型PHEV；Step 12：循環(huán)執(zhí)行Step3 至Step 11，完成余下類(lèi)型PHEV 的充電，刷新負(fù)荷曲線，至此標(biāo)志初始研究時(shí)段下所有PHEV 充電完成，進(jìn)入下一研究時(shí)段；Step 13：循環(huán)執(zhí)行Step 2 至Step 12，動(dòng)態(tài)更新各研究時(shí)段下的負(fù)荷曲線，形成最終削峰填谷負(fù)荷曲線，計(jì)算PHEV 充電總成本；Step 14：工作完成。3 一些關(guān)鍵問(wèn)題的討論動(dòng)態(tài)估計(jì)插值思想的提出PHEV 的V2G 集中充電應(yīng)用于供電側(cè)的削峰移谷成為可能，與此同時(shí)，用戶在PHEV 需要充電時(shí)可能會(huì)綜合考慮以下一些因素，例如自身下次出行的時(shí)間、里程，充電用時(shí)等等，因此有必要對(duì)策略中的另一主體用戶

14、側(cè)建立公平合理適用的成本模型。結(jié)合算法特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用引入三個(gè)決定成本的折扣因素。3.1 信用度因素用戶選擇加入?yún)f(xié)議代表策略的生效，考慮到PHEV 充電最終控制端位于用戶側(cè)，如果加入?yún)f(xié)議的PHEV 用戶由于突發(fā)緊急情況或者意外事件需要在協(xié)議規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使用PHEV，即用戶單方面違反協(xié)議內(nèi)容。這種情況下，即電池未充至期望SOC 狀態(tài)用戶強(qiáng)行解除V2G 模式，從供電側(cè)角度來(lái)說(shuō)，PHEV 的離開(kāi)意味實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削峰移谷的核心工具的缺失。因此用戶是否按時(shí)按量完全履行協(xié)議是衡量其享有折扣程度的一個(gè)重要因素?？紤]在用戶成本折扣計(jì)算中設(shè)定用戶V2G 充電信用度折扣Dc 和充電信用度概念Cr 。V2G 充電信用度概

15、念Cr 定義為一定時(shí)間周期內(nèi)PHEV 正常履行協(xié)議的次數(shù)與參與協(xié)議的總次數(shù)的比值。3.2 能用度因素供電側(cè)調(diào)峰動(dòng)態(tài)估計(jì)插值下PHEV 被調(diào)度充電的時(shí)段各異，同樣參加V2G 集中充電協(xié)議的某些PHEV 被安排的充電時(shí)段靠前，某些PHEV 被安排的時(shí)段相對(duì)靠后，盡管加入策略意味著充電時(shí)間支配權(quán)的轉(zhuǎn)移已經(jīng)實(shí)施，然而從用戶的角度，希望能盡早的滿時(shí)滿量充電以應(yīng)對(duì)某些緊急情況下PHEV出行需要。因此綜上分析，考慮引入第二個(gè)折扣概念PHEV充電能用度Ca和能用度折扣Da。PHEV能用度Ca定義為1- (Ts ?Ta )/ (Tb ?Ta ) ;其中Ta和Tb分別表示協(xié)議初始和結(jié)束時(shí)刻，Ts為安排的起始充電時(shí)

16、刻，也即PHEV開(kāi)始充電的絕對(duì)位置。由PHEV 能用度的定義易見(jiàn)PHEV 被調(diào)度充電越早，用戶對(duì)PHEV 的能用度越大，反之亦然。3.3 充電用時(shí)因素PHEV 的充電用時(shí)是區(qū)分PHEV 類(lèi)型的一個(gè)重要標(biāo)志，PHEV 充電時(shí)間越長(zhǎng)越大代表提供給供電側(cè)的電能越多，理應(yīng)獲得更多的充電折扣；此外在供電側(cè)調(diào)峰動(dòng)態(tài)估計(jì)插值下，同研究時(shí)段下充電用時(shí)高的PHEV 由于充電電量大，移峰填谷次序上優(yōu)先。結(jié)合以上兩點(diǎn)原因，考慮引入第三個(gè)折扣概念充電用時(shí)折扣Dt和充電用時(shí)因子Tphev。3.4 最終成本計(jì)算綜合以上三個(gè)因素，PHEV 最終電費(fèi)折扣是信用度折扣、能用度折扣和充電用時(shí)折扣三者的函數(shù)。假設(shè)研究時(shí)段為峰谷分時(shí)

17、電價(jià)中的谷時(shí)段的內(nèi)集，從PHEV 用戶整體的角度，在分時(shí)電價(jià)PHEV 集中充電整體成本為：4 算例與仿真本文以美國(guó)東北部紐約州的長(zhǎng)島地區(qū)為研究對(duì)象基于動(dòng)態(tài)估計(jì)插值思想編寫(xiě)程序，在Visual C+ 6.0 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)完成。合理假設(shè)長(zhǎng)島地區(qū)汽車(chē)中PHEV 保有率25 5，假設(shè)其中60的PHEV 用戶加入集中充電三方協(xié)議，因此計(jì)算得共214，780 輛PHEV 參與集中充電。算例中樣本取自2010 年1 月1 日長(zhǎng)島地區(qū)ISO 發(fā)布數(shù)據(jù)13，研究時(shí)段為晚上21 時(shí)至次日上午07 時(shí)，取40$/MW 平均值谷電價(jià)帶入計(jì)算。PHEV 電池待充電量角度將PHEV 分成， 10KWh、8KWh、6KWh、

18、4KWh 和2KWh五種類(lèi)型 5,則PHEV 對(duì)應(yīng)的充電用時(shí)為5 小時(shí)至1 小時(shí)，據(jù)統(tǒng)計(jì)PHEV 中以充電用時(shí)3-4小時(shí)中小型車(chē)為主 5，因此合理假設(shè)對(duì)應(yīng)PHEV 所占總數(shù)的百分比為10、20、30、20、10。另外考慮各時(shí)段下參與協(xié)議策略的PHEV 數(shù)量隨著研究時(shí)段的推移成遞減趨勢(shì)，這里假設(shè)各時(shí)段PHEV 數(shù)量呈等比遞減關(guān)系?？紤]次日4 時(shí)后參與協(xié)議PHEV 數(shù)量過(guò)少（<150）以及程序下PHEV 最大充電用時(shí)5 小時(shí)越界，因此PHEV 均在次日凌晨四時(shí)前進(jìn)入V2G 模式。表1 給出各時(shí)段下各類(lèi)型PHEV 加入?yún)f(xié)議策略的PHEV 數(shù)量：4.1 供電側(cè)結(jié)果分析給出了PHEV 兩種充電方式下各時(shí)段最終負(fù)荷數(shù)據(jù)，這里假設(shè)PHEV 自主充電代表用戶選擇即時(shí)充電。從表中可以看出，日前預(yù)測(cè)負(fù)荷的目標(biāo)函數(shù)峰谷差為657.0MW，當(dāng)PHEV 用戶選擇自主即時(shí)充電時(shí)最終整體負(fù)荷峰谷值進(jìn)一步拉大至869.0MW；對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)，日前預(yù)測(cè)負(fù)荷下的標(biāo)準(zhǔn)差值為218.10MW，負(fù)荷率為0.83，如果PHEV 用戶