国网电力科学研究院有限公司 吴巨爱，薛禹胜，谢东亮等：电动汽车参与运行备用的能力评估及其仿真分析

 

 

本文引文信息

吴巨爱, 薛禹胜, 谢东亮, 等. 电动汽车参与运行备用的能力评估及其仿真分析 [J]. 电力系统自动化, 2018, 42(13): 101-107. DOI: 10.7500/ AEPS20180130012.

WU Juai, XUE Yusheng, XIE Dongliang, et al. Evaluation and Simulation Analysis of Reserve Capability for Electric Vehicles [J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(13): 101-107. DOI: 10.7500/ AEPS20180130012.

 

 

 

电动汽车参与运行备用的能力评估及其仿真分析

DOI: 10.7500/AEPS20180130012

吴巨爱，薛禹胜，谢东亮，岳东，文福拴，赵俊华

 

 

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 研究背景

 

电动汽车（electric vehicle, EV）的备用能力按调节方向可分为上备用（向电网反向放电或降低充电功率以应对频率降低）能力和下备用（降低放电功率或增加充电功率以应对频率升高）能力2类，按照稳定提供一定容量备用的服务时间还可进一步细分为短时（1 h到几h）、长期（1日到几日）等。EV参与运行备用的能力与当前充/放电功率、当前荷电量状态（state of charge, SOC）、电池组容量、最大充/放电功率、以及用车开始和结束时间等因素有关；由于其中的一些因素为时变因素，因此充电过程中EV提供备用的能力也呈现出时变特征。更重要的是，作为一种可调控负荷，EV的备用能力决定于需求弹性，而EV的需求弹性又由充电合约决定，充电合约最终由用户参与意愿决定。然而，现有研究却在问题形式化时忽视了与用户参与意愿有关的参量。既然用户参与意愿在确定EV备用能力方面具有决定性作用，就有必要在EV参与备用研究中计及用户行为的研究。

 

本文首先设计了兼顾系统调控需求与用户出行需求的充（放）电合约机制，提出了EV短时备用能力计算方法和响应电价变化的有序充/放电策略。基于上述模型或方法，实例分析了典型EV单体及集群在不同充电策略下，向电网提供多种可调控备用容/电量产品的能力。

 

2

 支持EV参与备用的充电合约设计

 

充电合约需要满足用户的各类出行需求，包括不确定性需求。因此EV的电量需始终大于与用户约定的某一数值（称为保底电量E_ms），以保障用户不定时用车需求。根据EV刚接入电网时起始电量的不同，充（放）电策略可按以下2步考虑：

 

1）E_start < E_ms时，立即以最大充电功率（如图1中①~②）充电至保底电量，然后启用下一步的充电策略。

 

2）E_start  ≥ E_ms时，进一步应用给定的充（放）电策略。考虑到在计划的充电结束时间内需达到或超过期望电量（图1中状态④），本步充（放）电策略输出在“时间-电量”平面上留下的路径只能处于图1阴影区域所示的“充/放电可行域”内。

图1  EV充/放电可行域

 

因此，支持EV参与电网备用服务的充电合约至少包括以下参数：“入网时间”、“离网时间”、“起始电量”、“保底电量”、“期望电量”、“充电价格”等。

 

3

 EV备用能力的评估方法

 

对时间轴离散化，将一个调度周期T分割为n个长度为∆t的时段。在充/放电可行域的约束下，通过机理分析推导出EV单体的上、下备用能力可按式（1）、式（2）计算：

其中v(k)表示第k个时间段EV是否在线的状态（“1”表示在线，“0”表示离线）；P(k)为当前运行功率；P_Gmax+P(k)为功率边界的影响；E(k)–E_min(k+1)为第k个时段内的最大可放电量，[E(k)–E_min(k+1)]/∆t+P(k)则为考虑当前工况下EV的可放电量潜力，反映出电量边界的影响。上述表达式意在通过比较功率边界与电量边界，计算出各时段EV的上、下备用容量。

 

4

 充电策略

 

除车辆本身的状态、下次出行的需求以外，EV的备用能力与充电策略的选择也密切相关。本文中，选取表1所列的4种典型充（放）电策略，进而考察不同策略对EV备用能力的影响。“延时3 h充电”为考虑夜间用电高峰时间分布特征的一种延时充电策略。其中策略4采用的优化目标旨在运营商的效益最大化，运营商效益主要包括充电费收入、备用服务收入2部分，同时扣除购电成本。

 

表1  充（放）电策略

5

 仿真分析

 

5.1

  不同策略下EV单体的备用能力

 

设置EV单体的技术参数以及仿真中备用措施（reserve measure, RM）能力市场的规则。RM能力市场时间尺度指当EV的备用能力被调度时，需要在该时段内能够提供恒定容量的等效电量。

 

图2为起始SOC=50%时表1各策略下单个EV 的1 h备用能力（指EV具备在1 h内持续提供一定容量备用的能力，1 h在图2中占横轴的一格）的仿真结果。策略1中当充电功率大于0的时候EV具有提供上备用的能力，上备用容量等于实时充电功率，此时EV相当于可中断负荷。相比策略1，策略2中EV提供上备用的能力发生时移，同时延时充电给EV预留出提供下备用的空间，下备用容量等于最大充电功率。相比策略2，策略3中EV的放电潜能得以释放，提供上备用的能力大幅提升；可放电的EV是一类需求侧分布式发电资源，而不仅仅被视为可中断负荷。策略4中设置现货电价π_e = 0.5元/kW·h，备用容量价格π_cu = π_cd = 0.05元/kW·h；相比未经优化的其它策略，此策略下EV上、下备用能力均有明显提高，反映出EV向电网提供有偿备用服务符合充电商效益最大化的目标。

图2  起始SOC=50%时不同策略下EV单体的1 h备用能力

 

5.2

  EV集群的备用能力

 

充电电价依据现阶段居民峰谷电价；取上、下备用容量价格为0.05元/kW·h。签约用户理论上可向电网申报的上、下备用能力如图3所示。图3同时给出了用户响应受控合约前后，EV集群的充电功率变化情况。

图3  有序充/放电下EV集群理论可申报的1 h备用能力

 

5.3

  RM市场设计的影响

 

市场设计的时间尺度决定了合约的生效时长，对持续服务能力非常有限的EV来说，该参数对EV的备用能力有显著影响。在时间尺度限定下EV只能申报该时段内可提供的持久性备用能力，这通常对应取时段内最低的RM容量，以确保服务的可用性。仿真结果表明，时间尺度越小EV集群可申报的RM容量越大，越小时间尺度的RM能力市场越能发挥EV的潜在价值。

 

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 结语

 

本文在平衡用户出行和向电网提供备用服务的矛盾需求的前提下，设计了合理的EV受控充电的合约机制；通过对上述机制下EV充（放）电过程的分析，提出EV单体上、下备用能力的定量评估方法，给出不同充电策略下EV单体备用能力的典型时间分布。基于给定的用户响应意愿，对典型EV集群在典型电价机制下的备用能力进行了实例分析。为了充分发挥EV的备用潜能，RM能力市场应进一步区分为多时间尺度，同时应建立反映系统实际备用需求的RM容量电价机制，在充电合约中针对不同需求响应能力给出不同费率，才能调动EV真正发挥其备用能力。