基于用戶(hù)響應(yīng)度的峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化模型

基于用戶(hù)響應(yīng)度的峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化模型

0電動(dòng)汽車(chē)充放電優(yōu)化策略隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的加劇，電動(dòng)汽車(chē)在節(jié)能減排方面的顯著優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到重視。2021—2030年是我國(guó)電動(dòng)私家汽車(chē)大規(guī)模發(fā)展的階段。如果大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段充電,將導(dǎo)致負(fù)荷“峰上加峰”,給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)較大負(fù)擔(dān),影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響及其充放電優(yōu)化控制策略已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)提出插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(plug-inhybridelectricvehicle,PHEV)充電對(duì)配網(wǎng)日負(fù)荷曲線(xiàn)和線(xiàn)損等指標(biāo)影響的優(yōu)化策略,但未考慮電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量實(shí)時(shí)變化的概率特點(diǎn)。文獻(xiàn)建立了基于低谷填入思想的PHEV集中充電模型,但未考慮電動(dòng)汽車(chē)放電工作的數(shù)學(xué)模型及其削峰作用。文獻(xiàn)提出基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的有序充電算法,但未考慮大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)的放電工作對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)建立了基于谷電價(jià)的電動(dòng)汽車(chē)有序充電算法,但未考慮峰電價(jià)時(shí)段優(yōu)化及有序放電問(wèn)題。文獻(xiàn)提出了V2G充放電控制算法,但未考慮V2G充放電時(shí)刻的概率分布特點(diǎn)。文獻(xiàn)建立了基于改進(jìn)粒子群算法(particleswarmoptimization,PSO)的電動(dòng)車(chē)充放電策略,但未考慮私家車(chē)主的出行習(xí)慣以及大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)充放電功率的概率特性。文獻(xiàn)提出區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)充放電控制策略,但未考慮車(chē)載電池的容量約束和私家車(chē)主的出行習(xí)慣。文獻(xiàn)分析了V2G參與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性及實(shí)現(xiàn)的基本思路,但未研究其優(yōu)化運(yùn)行策略。本文以私家電動(dòng)汽車(chē)常規(guī)充放電為研究對(duì)象,根據(jù)私家車(chē)主的出行習(xí)慣,構(gòu)建無(wú)序模式的放電概率模型和用戶(hù)響應(yīng)峰谷電價(jià)差的有序充放電時(shí)刻選擇算法。使用蒙特卡洛模擬法,計(jì)算得到計(jì)及峰谷電價(jià)響應(yīng)度的電動(dòng)汽車(chē)充放電功率曲線(xiàn)。建立以電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差率最小為目標(biāo)的峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化模型,使用遺傳算法對(duì)峰谷電價(jià)時(shí)段進(jìn)行尋優(yōu),并通過(guò)算例驗(yàn)證了模型的正確性。1私家車(chē)主要的移動(dòng)習(xí)慣1.1日行駛距離概率分布密度曲線(xiàn)根據(jù)美國(guó)交通部對(duì)全美家用車(chē)輛的調(diào)查結(jié)果(NHTS),得到私人電動(dòng)汽車(chē)日行駛距離的概率分布密度曲線(xiàn),如公式(1)所示。式中:μD=3.20,σD=0.88;x為行駛里程,0<x≤200。1.2電動(dòng)汽車(chē)充放電運(yùn)行特性為定量分析電動(dòng)汽車(chē)充放電工作對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)的影響,對(duì)私家車(chē)主的出行習(xí)慣做如下簡(jiǎn)化。1)參與V2G的私家車(chē)主均可得到補(bǔ)貼和電池充放電折舊費(fèi),而且響應(yīng)峰谷電價(jià)差的私家車(chē)主還可得到額外的充放電差價(jià)收入。2)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池容量Cbattery=20~40kW×h,平均能耗W=0.15kW×h/km,電動(dòng)汽車(chē)的平均速度Vspeed=20~30km/h。3)電動(dòng)汽車(chē)的充放電功率Pcd在3~5kW內(nèi)平均分布。4)考慮充放電深度、電池壽命和充放電損耗等因素,車(chē)載電池的可用荷電狀態(tài)(stateofcharge,SOC)為10%uf07e90%。5)以1d為周期,私家車(chē)主早上09:00均會(huì)到達(dá)單位,下午17:00開(kāi)始離開(kāi)單位。6)無(wú)序模式下,電動(dòng)汽車(chē)停放在單位期間每個(gè)時(shí)刻的放電概率均相同。2電動(dòng)汽車(chē)放電概率電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間能量的雙向互動(dòng)即為V2G,有充電和放電2種工作狀態(tài)。無(wú)序V2G模式指私家車(chē)主的充放電行為由其出行習(xí)慣決定,不受峰谷電價(jià)差的影響。1)充電模型。無(wú)序模式下充電時(shí)刻服從正態(tài)分布,其概率密度函數(shù)為式中:μs=17.6,σs=3.4;t為充電時(shí)刻?；?.2節(jié)出行習(xí)慣2,可推得充電持續(xù)時(shí)長(zhǎng):式中Tchg為充電時(shí)長(zhǎng),h。2)放電模型。根據(jù)1.2節(jié)出行習(xí)慣6,可得一天24h私家電動(dòng)車(chē)的放電概率為式(4)表明在09:00—17:00時(shí)段,電動(dòng)汽車(chē)放電概率為1/8,其余時(shí)段放電概率為0。根據(jù)路程、速度及時(shí)間之間的關(guān)系,可得放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為式中:Tdischg為放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng),h;LD為電動(dòng)汽車(chē)的日行駛距離。式(5)表明放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng)與車(chē)載電池容量、每公里平均能耗、放電功率,以及每天行駛距離等因素有關(guān)。由式(1)(5)可得放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的概率密度函數(shù)為式中:μD=3.20,σD=0.88,0≤t<4.8。3有序模式下的峰谷價(jià)格調(diào)整3.1峰谷電價(jià)響應(yīng)度電力部門(mén)通過(guò)制定一天24h的峰谷電價(jià),對(duì)車(chē)主充放電時(shí)刻的選擇進(jìn)行引導(dǎo)。峰谷電價(jià)數(shù)學(xué)模型如公式(7)所示。式中:pv谷電價(jià),pp為峰電價(jià),pn為平電價(jià),且pv<pn<pp;[tc1,tc2]為谷電價(jià)時(shí)段;[td1,td2]為峰電價(jià)時(shí)段。一天內(nèi)有且只有1個(gè)峰電價(jià)時(shí)段和1個(gè)谷電價(jià)時(shí)段,其余時(shí)段均為平電價(jià)時(shí)段。定義1:峰谷電價(jià)差δ為峰谷電價(jià)差值與谷電價(jià)的比值,其計(jì)算如公式(8)所示。峰谷電價(jià)差δ定量描述了峰電價(jià)相對(duì)于谷電價(jià)的增幅。定義2:峰谷電價(jià)響應(yīng)度η即在峰谷電價(jià)差的引導(dǎo)下,選擇谷電價(jià)時(shí)段充電、峰電價(jià)時(shí)段放電的私家車(chē)主比例。其計(jì)算如公式(9)所示。式中:n是響應(yīng)峰谷電價(jià)差的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量;N是區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)總數(shù)量,0≤η≤1。3.2tdi充電持續(xù)時(shí)長(zhǎng)1)有序模式的充電時(shí)刻選擇。響應(yīng)峰谷電價(jià)差的車(chē)主,選擇谷電價(jià)時(shí)段充電,其開(kāi)始充電時(shí)刻tsc的選擇由式(10)決定。式中:tc1、tc2為谷電價(jià)時(shí)段的起止時(shí)刻;tc是充電持續(xù)時(shí)長(zhǎng);k1為區(qū)間的隨機(jī)數(shù)。2)有序模式的放電時(shí)刻選擇。響應(yīng)峰谷電價(jià)差的車(chē)主,選擇峰電價(jià)時(shí)段放電,其開(kāi)始放電時(shí)刻tsd的選擇由公式(11)決定。式中:td1、td2為峰電價(jià)時(shí)段的起止時(shí)刻;td為放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng);k2為區(qū)間的隨機(jī)數(shù)。公式(10)(11)表明:當(dāng)用戶(hù)充(放)電時(shí)長(zhǎng)超過(guò)谷(峰)電價(jià)時(shí)段的長(zhǎng)度,用戶(hù)選擇谷(峰)電價(jià)起始時(shí)刻開(kāi)始充(放)電;當(dāng)充(放)電時(shí)長(zhǎng)小于谷(峰)電價(jià)時(shí)段的長(zhǎng)度,其可選擇在谷(峰)電價(jià)時(shí)段內(nèi)充滿(mǎn)電的任意時(shí)刻開(kāi)始充(放)電。3.3負(fù)荷特性?xún)?yōu)化假設(shè)私家車(chē)主都是理性的,其希望在谷電價(jià)時(shí)段內(nèi)將所需電量全部充滿(mǎn),在峰電價(jià)時(shí)段放電工作,以期獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。因此峰谷電價(jià)時(shí)段將對(duì)私家車(chē)主充放電時(shí)刻選擇產(chǎn)生明顯影響。同時(shí),峰谷電價(jià)響應(yīng)度η的不同,也將對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充放電功率的日負(fù)荷曲線(xiàn)有較大影響。因此峰谷電價(jià)時(shí)段和η是峰谷電價(jià)政策制定需要考慮的關(guān)鍵因素。在峰谷電價(jià)差的引導(dǎo)下,仍有1-η的車(chē)主不響應(yīng)峰谷電價(jià)差,則該部分車(chē)主的充放電功率仍按無(wú)序模式的模型進(jìn)行計(jì)算。設(shè)區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷曲線(xiàn)為L(zhǎng)0,使用蒙特卡洛模擬法計(jì)算一天24h內(nèi)各時(shí)刻N(yùn)臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)的充放電負(fù)荷,得到電動(dòng)汽車(chē)充放電負(fù)荷的典型日負(fù)荷曲線(xiàn)L1,其包括η×N輛電動(dòng)汽車(chē)選擇谷(峰)電價(jià)時(shí)段充(放)電的有序負(fù)荷和(1-η)×N輛電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)序負(fù)荷,則該區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷曲線(xiàn)L(i)=L0(i)+L1(i),1≤i≤24。當(dāng)N和L0一定時(shí),L與峰谷電價(jià)時(shí)段[tc1,tc2]、[td1,td2]和峰谷電價(jià)響應(yīng)度η有關(guān)。通過(guò)制定不同的峰谷電價(jià)時(shí)段和峰谷電價(jià)響應(yīng)度,即可改變?cè)摰貐^(qū)的負(fù)荷特性。例如,圖1中,區(qū)域負(fù)荷為國(guó)內(nèi)A市夏季典型日負(fù)荷,模擬電動(dòng)汽車(chē)總數(shù)N為20萬(wàn)輛,假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)參與有序充放電的響應(yīng)度η為1.0,在同一響應(yīng)度下,當(dāng)峰谷電價(jià)時(shí)段分別為[21:00,03:00]、[10:00,14:00]和[02:00,06:00]、[14:00,17:00]時(shí)的電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)如圖1所示。圖2中,區(qū)域負(fù)荷為國(guó)內(nèi)A市夏季典型日負(fù)荷,模擬電動(dòng)汽車(chē)總數(shù)N為20萬(wàn)輛,假設(shè)峰谷電價(jià)時(shí)段為[21:00,03:00]、[10:00,14:00],當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)參與有序充放電的響應(yīng)度η分別為1.0和0.5時(shí)的電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)如圖2所示。分析圖1和圖2可知,峰谷電價(jià)響應(yīng)度η相同時(shí),不同峰谷電價(jià)時(shí)段將使區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差率或增大或減小;峰谷電價(jià)時(shí)段相同時(shí),不同的峰谷電價(jià)響應(yīng)度亦將使區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差率或增大或減小。針對(duì)不同城市的電網(wǎng)負(fù)荷情況,制定相應(yīng)的最優(yōu)峰谷電價(jià)時(shí)段,可改善其負(fù)荷曲線(xiàn),減小峰谷差。因峰谷電價(jià)響應(yīng)度具有區(qū)域特性,與區(qū)域內(nèi)私家車(chē)主的用電習(xí)慣、消費(fèi)水平、收入水平以及峰谷電價(jià)差等因素有關(guān),本文暫不分析這些因素,進(jìn)行算例分析時(shí)η分別考慮高響應(yīng)度和低響應(yīng)度兩種情況,其中高響應(yīng)度η取1.0,低響應(yīng)度η取0.5。設(shè)l(tc1,tc2,td1,td2)為考慮V2G的區(qū)域負(fù)荷曲線(xiàn)峰谷差率隨機(jī)函數(shù),為得到電動(dòng)汽車(chē)削峰填谷的最優(yōu)結(jié)果,建立如下最優(yōu)化模型。式中:LE(tc1,tc2,td1,td2)是通過(guò)蒙特卡洛仿真得到的l(tc1,tc2,td1,td2)的期望;[tc1,tc2]為谷電價(jià)時(shí)段;[td1,td2]為峰電價(jià)時(shí)段;Z為負(fù)荷曲線(xiàn)的峰谷差率。程序以種群(tc1,tc2,td1,td2)i作為輸入?yún)?shù),使用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu),得到最優(yōu)峰谷電價(jià)時(shí)段、最小峰谷差率以及優(yōu)化前后的電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn),算法流程如圖3所示。優(yōu)化算法求解的主要過(guò)程如下:1)初始化種群。在取值范圍內(nèi)隨機(jī)生成200個(gè)初始個(gè)體(tc1,tc2,td1,td2)i。每個(gè)變量均使用20位二進(jìn)制數(shù)表示,則每個(gè)變量的精度均達(dá)到10-5。2)判斷生成的峰谷電價(jià)時(shí)段種群是否滿(mǎn)足優(yōu)化模型的邊界條件,如果不滿(mǎn)足,則丟棄此種群。3)計(jì)算無(wú)序充放電功率Lfree(i),基于滿(mǎn)足優(yōu)化模型邊界條件的峰谷電價(jià)時(shí)段,計(jì)算響應(yīng)峰谷電價(jià)差的有序充放電功率Lop(i)和考慮電動(dòng)汽車(chē)充放電功率的實(shí)際電網(wǎng)負(fù)荷L(i)。4)計(jì)算負(fù)荷峰谷差率Z(i),并記錄產(chǎn)生最小峰谷差率的時(shí)段(tc1,tc2,td1,td2)k。5)以峰谷差率Z(i)作為適應(yīng)度函數(shù)F(i),并采用隨機(jī)遍歷抽樣法選擇父本,保證削峰填谷效果較好的基因被保留下來(lái)進(jìn)行遺傳。6)對(duì)選擇的父本個(gè)體進(jìn)行單點(diǎn)交叉與變異,其中交叉概率Pc=0.7,變異概率Pm=0.01。7)反復(fù)迭代尋優(yōu),直到達(dá)到最大遺傳代數(shù)。4負(fù)荷峰谷分析為驗(yàn)證本文優(yōu)化模型,以國(guó)內(nèi)A市(人口近千萬(wàn),預(yù)測(cè)以人口總數(shù)的2%作為電動(dòng)汽車(chē)保有量,即電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量為20萬(wàn)輛)夏季和冬季典型日負(fù)荷曲線(xiàn)為例(表1),使用本文模型對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化前后的典型日功率需求進(jìn)行計(jì)算,分析計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)有序充放電的峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化。其中,A市夏季典型日的負(fù)荷曲線(xiàn)較陡,冬季典型日的負(fù)荷曲線(xiàn)較平滑,即夏季典型日的負(fù)荷需求較集中,冬季典型日的負(fù)荷需求較分散。基于A(yíng)市夏季典型日的負(fù)荷曲線(xiàn),可得其峰谷電價(jià)時(shí)段的優(yōu)化結(jié)果如表2和圖4所示。表2結(jié)果顯示,在夏季典型日,無(wú)序充放電的電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng),沒(méi)起到削峰填谷作用,反而增加了電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差率;使用峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化后,電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差率明顯減小,且峰谷電價(jià)響應(yīng)度η越高,優(yōu)化后電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差率越小。圖4表明,無(wú)序充放電的電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng),將拉高用電負(fù)荷峰值,產(chǎn)生峰上加峰的結(jié)果,增加電網(wǎng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性。通過(guò)峰谷電價(jià)時(shí)段對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充放電行為進(jìn)行優(yōu)化后,在谷電價(jià)時(shí)段,電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷發(fā)揮了填谷效果;在峰電價(jià)時(shí)段,電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)了削峰目標(biāo)?；贏(yíng)市冬季典型日的負(fù)荷曲線(xiàn),可得其峰谷電價(jià)時(shí)段的優(yōu)化結(jié)果如表3和圖5所示。表3結(jié)果顯示,在冬季典型日,無(wú)序充放電的電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng),增加了電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差率;使用峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化后,電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差率減小約13%,且峰谷電價(jià)響應(yīng)度η越高,優(yōu)化后電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差率越小。分析圖5可得,無(wú)序充放電的電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng),拉高用電負(fù)荷峰值,增加了電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差率。通過(guò)峰谷電價(jià)時(shí)段對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充放電進(jìn)行優(yōu)化后,電動(dòng)汽車(chē)充放電負(fù)荷平滑了電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn),且響應(yīng)度越高,優(yōu)化后的負(fù)荷曲線(xiàn)越平滑。5峰谷電價(jià)響應(yīng)度計(jì)算方法本文構(gòu)建了電動(dòng)汽車(chē)有序模式和無(wú)序模式的放電模型,建立了峰谷電價(jià)時(shí)段