基于电动汽车充电价格机制的配电网调峰方法

陈姝敏，张秀钊，李劲松

（1.云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心，昆明 650011；2.昆明供电局计量中心，昆明 650011）

0 前言

配电系统是电力系统联系用户的关键环节，事关用户供电的安全可靠性和供电质量，也是直接体现电力系统的智能化水平和环保效益的环节。大量电动汽车接入电网充电，将会带来用电负荷的快速增长，增加配电网的投资与运行成本，也可能进一步加剧用电负荷峰谷差。与此同时，电动汽车的可控负荷和移动储能特性使得其成为负荷侧核心可调资源，这些资源的有效利用可为电网的建设与运行优化提供强有力的支撑，从而促进电动汽车与电网的协调发展。因此，伴随电动汽车充放电技术的成熟发展，可以将电动汽车作为一种灵活的充电负荷及储能装置，为电力系统提供削峰平谷等服务，最大限度实现电力的平衡，逐步参与到电网调峰、备用、紧急电源供应等供电服务中来。

针对云南现有充电桩的负荷特性，分析电动汽车充电对改线路负荷特性的影响，给出系列基于电动汽车充电价格机制的配电网调峰方法。经仿真验证，该调峰方法切实有效地改善了大量电动汽车充电时的负荷特性，值得在充电桩实际运营中试用。

1 昆明现有充电负荷特性分析

从图中负荷分析来看，公交车因为有特有的运营时间，一般在下午14:00至16:00之间充电。经询问得知，考虑到夜间充电需要花费额外的人工费用等，且充电费用占公交运营费用较少，因此，这个公交车场的充电时间主要是依据车辆使用和人员作息时间来安排的。

出租车和私家车的充电特性都相对离散，随机性较强，特别是并未利用电网的低谷时段进行充电，导致充电负荷所在专有变负荷波动增大。

图1 霖雨路公交车场5月平均充电负荷特性曲线

图2 昆明中北交通旅游（集团）有限责任公司专有变（含出租车充电）2017年12月17日负荷曲线

图3 昆明锦江大酒店专有变（含私家车充电）2017年12月17日负荷曲线

2 蒙特卡洛法模拟电动汽车充电特性

由上节分析可知公共服务用车具有固定用途、固定停放场所和固定行驶特性的特点，其充电需求也可看作是相对稳定的集中负荷。而私人出行用车情况一般只受用户的个人意志和电池容量的限制，这使得私人用车的充电需求具有很大的自由度和不确定性。

2.1 私人充电特性理论分析

电动汽车的充电特性主要是受充电功率、充电开始时间和充电持续时间的影响。因为没有搜集到中国的汽车使用统计数据，中国汽车使用习惯统计数据可以借鉴十多年前美国的使用习惯，因此本文用美国数据进行分析。根据2001年美国交通部（National Household Travel Survey, NHTS）对全美家用车辆的调查结果显示电动汽车在常规充电方式下，其充电功率较小，充电时间较长，因此充电频率不会很高，可以假设私人电动汽车在常规充电方式下一天内只充一次电。而且在白天电动汽车常常用于出行，常规充电的时间又比较长，因此在研究时可以假设电动汽车用户在一天内最后一次返回停驻地即开始充电。

图4 结束最后一次出行的时间概率

私人出行车辆用户最后一次返回停驻地的时刻具有明显的规律性。私人车辆返回停驻地的时间主要集中在14:00至22:00之间，并在17:00达到高峰。按照之前的假设，用户最后一次返回停驻地即开始对电动汽车进行充电。为了得到电动汽车在任意时刻开始充电的概率分布情况，利用极大似然的估计方法对上述柱状图进行拟合，从而得到连续的电动汽车开始充电时间概率密度曲线。通过拟合方法可知，充电开始时刻的概率密度函数为：

其中，TSC表示充电开始时刻，结束最后一次出行的时间概率如图4所示。

(2)扩大贷款范围，建立诚信档案，开发旅游金融产品。银行要落实优惠政策，加大优惠力度，推进普惠金融，积极响应政府号召，建立专门的旅游业贷款途径，提升金融服务水平。完善企业的信用档案，加强诚信建设，对信用良好的贷款主体给予贷款额、期限等多方面的优惠，银行贷款的抵押担保政策针对不同的企业可以适当浮动，以保证尽可能多的支持。积极开发旅游金融产品。开发旅游金融产品，推出如景区门票收益权质押贷、景区股权质押贷等特色产品，满足不同客户的金融需要。

电动汽车的充电持续时间与电动汽车电池的荷电状态有直接的关系。按照上述的假设，用户最后一次返回停驻地即开始充电，并且采用恒功率的充电方式，则电动汽车的持续充电时间与电动汽车的日行驶里程唯一相关。电动汽车的日行驶里程主要分布在30 km至100 km之间，超过260 km的很少。若电动汽车的百千米耗电量W是恒定的，且电动汽车的充电功率是一个定值，考虑充电机的充电效率，则电动汽车的持续充电时间可由公式(2)计算得出：

式中，Tc表示充电持续时间，Lev表示电动汽车电池容量区间水平，Pcm表示充电功率，kx表示充电系数，利用上式分析电动汽车用户在无序充电状态下的开始充电时刻和充电持续时间的概率分布特性，利用蒙特卡洛模拟法即可得到一天内一辆电动汽车的充电期望值。

1）以概率密度函数fTsc(x)和fTc(x)为样本，构建两个容量为N的数组Tsc和Tc，分别表示电动汽车开始充电时间和充电持续时间，并且使得数组中的N个数随机排列。

2）构建一个容量为24*N的二维数组T，记录一天以内24小时电动汽车的充电状态。并判断在tk时刻电动汽车j的充电状态，如果处于充电状态，则记tk(j)=1。

3）统计样本中tk(j)=1的个数n，那么n/N表示电动汽车的充电概率，因此电动汽车在tk时刻充电的功率期望值为：

4）按照步骤3中提出的计算方法，计算一天内24个时刻的电动汽车充电功率的期望值，得到单台电动汽车一天内的充电负荷。

得到电动汽车的充电负荷特性，也就得到了电动汽车充电桩的充电负荷特性。取样本容量N=10000，重复操作100次求得平均值，得到电动汽车充电站一天内的充电负荷期望值。

2.2 私人充电特性在昆明某区域的模拟

选定昆明某区域，利用上述方法进行分析，假设选定区域存在100辆车，有充电桩3个慢速充电桩和3个快速充电桩。再根据昆明市交通流量信息：昆明市中心城区交通时辰分布，全天呈现两个高峰，机动车早高峰出现在8-9点，高峰系数为9.4%（高峰小时系数是指一日内客流集中的某一个小时的流量占该处全日客流量的比重）；晚高峰出现在17-18点，高峰系数为9.2%，得到区域的充电需求热点图，如图5。

图5 区域内充电需求热点图

图6 电动汽车充电功率特性曲线

图7 选取区域10 kV某线路负荷数据图（该线路为一个全为电炊用户的小区供电）

图8 叠加电动汽车充电后负荷特性曲线

若对充电行为不加入任何干扰，用户一般都会选择在行车行为结束后，立刻进行充电，通过模拟分析，得到如图6所示的负荷。

从上图可以看出，由于没有响应政策的引导机制，电动汽车充电行为相对散乱，导致整个区域充电负荷随机波动较强，晚高峰时段形成的冲击负荷也较多。由于电网没有加以引导，用户在完成行车后，立刻选择充电，导致整个充电行为随机性很强，进一步加大负荷波动特性，不利于“削峰填谷”效果的实现。

从图8来看，电动汽车的充电负荷的波动特性明显反映在综合特性曲线中，并且在峰值时刻造成峰上加峰，此区域配电网峰负荷增加约12%，不利于区域电网的运行调度。

3 基于充电价格机制配电网调峰法

对于私人充电客户来说，虽然现在电网运营企业普遍给出了丰、平、谷电价的优惠政策。但是由于电动汽车车主的作息需要，不能按照电网预期在深夜出门充电。本文提出一种利用充电桩内置装置，搜集客户充电需求及电网负荷特性，并根据需要自动充电的配网调峰方法，适用于电动车用户自己停车位边的充电桩，可以长时间占用，且充电电流较小的应用场景。该方法的优势在于，充电装置积极搜集充电客户的需求，且根据配电网负荷特性自动生成满足客户充电需求且花费最小的充电方案。该充电桩内置算法控制充电桩尽量在充电费用低的时段充电，尽量避开充电费用高时段充电。且此控制装置具备根据最优充电方案使充电桩具备自动充电和断开的功能。按照充电装置的自动定时充电，既可以为客户节省充电成本，也为配电网就地调峰提供了可能。具体如下：

由电网运营部门根据充电桩所在配电线路的负荷特性，确定用电高峰时段、平期时段和低谷时段，并给出不同时段的充电费用，写入充电桩控制装置；

由充电客户连接好电动汽车和充电桩后，输入待充电电动车的允许充电时段（什么时候可以充电，比如从当天17:00至第二天早上6:00均可充电）和大概的需要充电时长（例如5 h）；

充电桩内置装置，判断允许充电时段满足时间关系，根据需要充电时长及满足时间关系的允许充电时段生成最优定时充电方案，即满足客户需求的，最省钱充电方案。如上例，在当天24:00至次日凌晨5:00定时充电，为当条线路的负荷谷时期，充电价格最便宜，电网负荷也最轻，也能满足客户出行要求。

根据最优充电方案、用电时段和预设价格方案生成预充电花费，显示给充电客户看，并由充电客户确认充电。

按照上述步骤，假设选定区域内的充电电价为峰谷时段电价，采用电价诱导方式再次模拟分析。考虑该区域按照峰谷电价进行充电引导，例如：电价策略按照充电价格调整为峰时(1.0044元/度)、平时(0.6950元/度)、谷时(0.3946元/度)三类，充电服务费收费标准为0.8元/度。

图9 电价引导后的充电负荷特性曲线图

由于充电桩内部装置可以实现知道当地线路的负荷特性，又能根据充电客户需求自动安排电动汽车在可能的负荷谷时段、平时段进行充电，大大改善了配电线路的充电负荷特性，有利于配电网就地调峰。

图10 电价引导前后的充电负荷特性曲线对比图

可知在现阶段电动汽车整体数量较少的前提下，配电网峰负荷增加较少（约6%），但是填谷效果很明显。当电动汽车进一步发展后，基于电价引导策略的充电桩配电网调峰方法优势会进一步提升。

4 结束语

1）若不进行政策引导，模拟昆明某3×4 km区域内大量电动汽车（100辆）充电时，配电网峰负荷可增加约12%。

2）根据充电桩内置人机交互控制装置。该装置搜集客户充电需求，并在满足充电需求的情况下，控制充电桩自动充电（断开），使充电尽量在桩所在的配电网线路负荷低谷（平期）时段，使客户充电费用最低。

3）经仿真计算，应用上述充电桩自动控制装置，在较大区域内仿真，可见在电动汽车数量为100辆的情况下，区域内负荷高峰增长较少（约6%），但填谷效果明显。

4）在电动汽车负荷高速增长的情况下，若充电服务费和电价政策不能支持调峰引导措施，为电网安全及投资效益考虑，可根据充电线路负荷特性，对充电负荷进行本地控制，同样可以达到配电网调峰的效果。

综上所述，电动汽车充电桩内置负荷控制自动充电装置能明显的调整大量电动汽车充电负荷分布，起到一定的削峰填谷的作用，值得试点应用。