電動(dòng)汽車V2G技術(shù)

電動(dòng)汽車V2G技術(shù)V2G概述V2G機(jī)組組合V2G約束條件V2G算例分析一、V2G概述目前，可再生能源系統(tǒng)（如太陽能，風(fēng)能等）正被大量接入電力系統(tǒng)中，由于其不連續(xù)性會(huì)引起發(fā)電的波動(dòng)，所以迫切需要其他能源（如電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)）進(jìn)行補(bǔ)償，以平滑可再生能源的自然可變性，保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定并抑制由反向功率流引起的電壓上升。

V2G的概念就是針對上述問題提出的，其核心思想就是利用大量電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能源作為電網(wǎng)和可再生能源的緩沖。1.1背景VGvehiclegrid2to電能電能當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過高時(shí)，由電動(dòng)汽車儲(chǔ)能源向電網(wǎng)饋電；而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)，用來存儲(chǔ)電網(wǎng)過剩的發(fā)電量，避免造成浪費(fèi)。通過這種方式，電動(dòng)汽車用戶可以在電價(jià)低時(shí)，從電網(wǎng)買電，電網(wǎng)電價(jià)高時(shí)向電網(wǎng)售電，從而獲得一定的收益。1.2V2G的結(jié)構(gòu)V2G示意*在電力市場中，后三種功能屬于輔助服務(wù)范疇削峰填谷在負(fù)荷低谷充電、在高峰負(fù)荷期間放電延伸，與新能源發(fā)電出力相配合調(diào)頻參與一次調(diào)頻(可本地控制)參與二次調(diào)頻(納入AGC系統(tǒng))調(diào)壓維持電壓水平合格參與無功優(yōu)化備用旋轉(zhuǎn)備用/可中斷負(fù)荷應(yīng)急電源V2G的主要功能實(shí)際就是有序充放電行為與控制削峰填谷被認(rèn)為是較有潛力的應(yīng)用：電網(wǎng)需要的調(diào)頻容量較小，約占高峰負(fù)荷的1%對電池淺充淺放，對電動(dòng)汽車影響較小V2G參與調(diào)頻1.3V2G的優(yōu)越性效率高污染小與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車具有更高的能源利用效率，對傳統(tǒng)燃油汽車和電動(dòng)汽車“從礦井到車輪”能量效率分析表明，電動(dòng)汽車的能源利用效率比傳統(tǒng)燃油汽車高出46%以上。應(yīng)用V2G模式的電動(dòng)汽車由于動(dòng)力裝置的區(qū)別，以電動(dòng)機(jī)取代燃油機(jī)，使用清潔的二次能源電能為汽車提供動(dòng)力，在行駛過程中并不會(huì)產(chǎn)生CO2排放，即使我們考慮到電力生產(chǎn)過程的C02排放，相較于傳統(tǒng)汽車而言，純電動(dòng)汽車也具有13%～68%的碳減排潛力，而混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的碳減排能力也能達(dá)到30%。機(jī)組組合應(yīng)對負(fù)荷波動(dòng)保證系統(tǒng)可靠性降低發(fā)電成本的重要方式二.V2G機(jī)組組合電力調(diào)度中心根據(jù)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況、常規(guī)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果和電動(dòng)汽車行為特性預(yù)測結(jié)果，優(yōu)化電動(dòng)汽車的充電價(jià)格曲線，引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶選擇在電價(jià)較低的時(shí)間段進(jìn)行充電，達(dá)到電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的轉(zhuǎn)移，減小系統(tǒng)發(fā)電成本，形成經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)劃。基于需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車充電策略在滿足電動(dòng)汽車用戶出行約束的基礎(chǔ)上，為降低電動(dòng)汽車用戶的充電成本，根據(jù)電網(wǎng)電價(jià)曲線，用戶可以設(shè)定充電電價(jià)觸發(fā)值pset，當(dāng)電網(wǎng)電價(jià)大于設(shè)定的充電電價(jià)觸發(fā)值pset時(shí)，停止充電，而當(dāng)電網(wǎng)電價(jià)小于設(shè)定的充電電價(jià)觸發(fā)值pset時(shí)，電動(dòng)汽車充電，其目標(biāo)函數(shù)為約束條件充電狀態(tài)約束充電功率約束荷電狀態(tài)約束所需充電時(shí)間約束用戶出行約束三.V2G約束條件對于普通電動(dòng)汽車用戶，讓其自己優(yōu)化設(shè)定充電電價(jià)觸發(fā)值pset困難較大，因此可以把該權(quán)利移交給充電樁。每當(dāng)有新的電動(dòng)汽車接入充電樁時(shí)，充電樁的充電控制系統(tǒng)按照如下3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的有序充電。步驟一：獲取電動(dòng)汽車的充電需求。充電樁通過電動(dòng)汽車上的電池能量管理系統(tǒng)獲取電動(dòng)汽車的電池容量WC、當(dāng)前電池荷電狀態(tài)SOCstart。為了合理制定充電電價(jià)觸發(fā)值pset，用戶需設(shè)定離開時(shí)期望的荷電狀態(tài)SOCset以及離開時(shí)間tend。步驟二：計(jì)算能否滿足充電需求。充電控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的信息計(jì)算滿足充電需求所需的充電時(shí)間Tneed，當(dāng)充電所需要的時(shí)間Tneed＞tend—tstart，即滿足不了用戶設(shè)定的充電需求時(shí)，充電樁應(yīng)發(fā)出警告讓用戶更改離開時(shí)間tend或離開時(shí)期望的荷電狀態(tài)SOCset，直到能滿足充電需求為止。步驟三：優(yōu)化充電電價(jià)觸發(fā)值pset。充電控制系統(tǒng)讀取電網(wǎng)電價(jià)信息并根據(jù)電動(dòng)汽車狀態(tài)參數(shù)優(yōu)化充電電價(jià)觸發(fā)值pset，并進(jìn)行充電?；谛枨箜憫?yīng)的電動(dòng)汽車充電調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)在某一價(jià)格曲線下，電動(dòng)汽車的充電收入為調(diào)度中心以電網(wǎng)公司收益最大化為目標(biāo)，則經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為采用遺傳算法對模型進(jìn)行求解，每條染色體代表一種充電電價(jià)曲線，染色體長度為待優(yōu)化電價(jià)數(shù)，以1h為最小時(shí)間間隔，則一天共有24個(gè)待優(yōu)化電價(jià)，采用實(shí)數(shù)編碼策略。電力調(diào)度中心的經(jīng)濟(jì)調(diào)度求解流程以26機(jī)24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例來驗(yàn)證上述模型與方法的可行性與有效性，電網(wǎng)常規(guī)負(fù)荷如圖下圖所示。假設(shè)某地區(qū)的汽車數(shù)量為100萬輛，電動(dòng)汽車滲透率為5%。假設(shè)充電樁數(shù)量能夠滿足電動(dòng)汽車的充電需求，充電功率為3kW，充電效率為90%，電動(dòng)汽車的電池容量為25kW·h。將電動(dòng)汽車充電場所分為工作區(qū)和住宅區(qū)，其相關(guān)參數(shù)如表所示，到達(dá)時(shí)間和離開時(shí)間近似服從正態(tài)分布，起始荷電狀態(tài)近似服從均勻分布。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，通過與充電樁的信息交互，可以統(tǒng)計(jì)得到電動(dòng)汽車的行為特性。實(shí)行動(dòng)態(tài)充電電價(jià)前的平均充電電價(jià)為0.65元/（kW·h），動(dòng)態(tài)充電電價(jià)的最小、最大值分別為0.3元/（kW·h）和1元/（kW·h）。電網(wǎng)常規(guī)負(fù)荷曲線充電場景比例到達(dá)時(shí)間離開時(shí)間起始荷電狀態(tài)離開時(shí)設(shè)定荷電狀態(tài)工作區(qū)充電35.5%N(9,0.52)N(18,0.52)U(0.3,0.4)0.8或0.9（各占50%）住宅區(qū)充電64.5%N(19,1.52)N(7,0.52)U(0.2,0.3)1電動(dòng)汽車相關(guān)參數(shù)通過經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化得到的電動(dòng)汽車充電電價(jià)如圖2-4所示，從圖中可以看出，為了引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶轉(zhuǎn)移充電負(fù)荷，降低電網(wǎng)調(diào)度成本，電動(dòng)汽車充電電價(jià)曲線基本上和電網(wǎng)負(fù)荷曲線的變化趨勢一致，即在負(fù)荷低谷時(shí)充電電價(jià)低，在負(fù)荷高峰時(shí)充電電價(jià)高。假設(shè)某輛電動(dòng)汽車在9:00接入電網(wǎng)，初始荷電狀態(tài)為0.4，離開時(shí)間和設(shè)定的荷電狀態(tài)分別為18:00和0.9，則在該充電電價(jià)下，該輛電動(dòng)汽車的充電功率如圖4所示。從圖中可以看出，在電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，其首先會(huì)在滿足出行需求的基礎(chǔ)上根據(jù)電網(wǎng)充電電價(jià)曲線設(shè)定充電電價(jià)觸發(fā)值pset=0.92元，當(dāng)充電電價(jià)≤觸發(fā)值時(shí)進(jìn)行充電，反之則不進(jìn)行充電。該充電策略既能保證電動(dòng)汽車用戶的出行需求，同時(shí)又能降低電動(dòng)汽車用戶的充電成本。電動(dòng)汽車充電電價(jià)與單輛電動(dòng)汽車充電功率曲線系統(tǒng)總負(fù)荷場景負(fù)荷值/MW峰谷差率負(fù)荷曲線方差機(jī)組組合成本/萬元峰荷谷荷無電動(dòng)汽車2859182436.2%10.598×10473.8無序充電2875182636.5%11.444×10476.0經(jīng)濟(jì)調(diào)度2859192132.8%8.654×10475.4負(fù)荷曲線特征參數(shù)和機(jī)組組合成本電動(dòng)汽車滲透率靈敏度分析電動(dòng)汽車滲透率對峰谷差率的影響電動(dòng)汽車滲透率對機(jī)組組合成本的影響（1）提出了一種基于需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車充電策略，能夠根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)信息優(yōu)化電動(dòng)汽車用戶充電電價(jià)觸發(fā)值。該充電策略既能保證滿足電動(dòng)汽車用戶的出行需求，同時(shí)又能降低電動(dòng)汽車用戶的充電成本。（2）建立了基于需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，通過優(yōu)化制定電動(dòng)汽車充電電價(jià)，轉(zhuǎn)移充電負(fù)荷，降低了系統(tǒng)的峰谷差率和機(jī)組組合成本，適用于對大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度。電動(dòng)汽車的雙層調(diào)度模式宏觀層中，電力公司為了改善負(fù)荷曲線或緩解系統(tǒng)的電力不平衡問題，電力公司調(diào)度部門通過負(fù)荷預(yù)測與電網(wǎng)供需情況，公布次日需要削減負(fù)荷的時(shí)段，并根據(jù)負(fù)荷聚合商上報(bào)的出力和報(bào)價(jià)等投標(biāo)信息，制定次日的調(diào)度計(jì)劃，與負(fù)荷聚合商簽訂合同，規(guī)定每個(gè)負(fù)荷聚合商需要向電網(wǎng)反饋電能的時(shí)段、出力以及相應(yīng)的報(bào)酬。若電網(wǎng)運(yùn)行良好，沒必要對電動(dòng)汽車進(jìn)行放電調(diào)度來削減電網(wǎng)的高峰負(fù)荷，則可不公布次日需要削減負(fù)荷的時(shí)段，負(fù)荷聚合商不參與需求側(cè)放電競價(jià)，電動(dòng)汽車將通過選擇在電價(jià)較低的時(shí)段充電以改善電網(wǎng)的負(fù)荷曲線。微觀層中，負(fù)荷聚合商通過與電動(dòng)汽車用戶簽訂合同獲得其充放電控制權(quán)。鑒于我國目前的電力市場機(jī)制，電動(dòng)汽車充電電價(jià)仍執(zhí)行電力公司發(fā)布的充電電價(jià)，電動(dòng)汽車用戶充電產(chǎn)生的充電費(fèi)用仍上繳電力公司，負(fù)荷聚合商不參與市場買電行為，負(fù)荷聚合商的作用僅僅是將分散的電動(dòng)汽車儲(chǔ)能資源進(jìn)行有效整合，為電力公司提供需求響應(yīng)資源，并從中獲得相應(yīng)報(bào)酬，同時(shí)支付一定的補(bǔ)償費(fèi)用給電動(dòng)汽車用戶。負(fù)荷聚合商在日前通過對次日電動(dòng)汽車行為特性的預(yù)測，預(yù)測次日向電網(wǎng)反饋電能的時(shí)段所能提供的出力，并在日前市場參與需求側(cè)放電競價(jià)。根據(jù)中標(biāo)情況，負(fù)荷聚合商需實(shí)時(shí)優(yōu)化電動(dòng)汽車的充放電調(diào)度，使得在滿足電動(dòng)汽車用戶的充電需求的同時(shí)降低充電成本和調(diào)度偏差，最大化其利潤。負(fù)荷聚合商的出力投標(biāo)決策模型電力公司首先需要公布次日電動(dòng)汽車向電網(wǎng)反饋電能的時(shí)段以便負(fù)荷聚合商對可放電容量進(jìn)行預(yù)測，假設(shè)共有M個(gè)時(shí)段（x=1,2,…M）需要削減負(fù)荷。由于在負(fù)荷削減時(shí)段以外向電網(wǎng)反饋電能時(shí)電力公司并不給予報(bào)酬，因此負(fù)荷聚合商只在x時(shí)段內(nèi)對電動(dòng)汽車進(jìn)行放電調(diào)度。假設(shè)負(fù)荷聚合商的調(diào)度周期為T，根據(jù)電力公司公布的負(fù)荷削減時(shí)段（x?

T），通過對次日電動(dòng)汽車行為特性的預(yù)測，負(fù)荷聚合商以最大化負(fù)荷削減量（電動(dòng)汽車放電量）為目標(biāo)對可控容量進(jìn)行預(yù)測，為參與需求側(cè)放電競價(jià)提供參考。式中，QDA為日前預(yù)測的電動(dòng)汽車放電量；nDA為日前預(yù)測的電動(dòng)汽車數(shù)量；Pdc(x,i)為第i輛電動(dòng)汽車在x時(shí)段的可放電功率；Δx為時(shí)段間隔。約束條件用戶出行需求約束充放電狀態(tài)約束荷電狀態(tài)約束電力公司調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化模型假設(shè)一共有m家負(fù)荷聚合商，在日前市場，負(fù)荷聚合商向電力公司上報(bào)各時(shí)段的需求響應(yīng)資源供應(yīng)量和報(bào)價(jià)后，為促進(jìn)負(fù)荷聚合商之間的競爭，電力公司調(diào)度部門按需求側(cè)統(tǒng)一邊際成本結(jié)算的負(fù)荷調(diào)度成本最低為目標(biāo)優(yōu)化制定調(diào)度計(jì)劃，式中，PMP(x)為x時(shí)段的需求側(cè)邊際成本，為競價(jià)成功者中的最高報(bào)價(jià)；D(x,k)為x時(shí)段負(fù)荷聚合商k競價(jià)獲得的負(fù)荷削減量；p(x,k)為x時(shí)段負(fù)荷聚合商k的報(bào)價(jià)；QDA(x,k)為x時(shí)段負(fù)荷聚合商的k投標(biāo)的電力削減量；R(x)為電力公司在x時(shí)段所需的系統(tǒng)總削減量。電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化模型電動(dòng)汽車不參與調(diào)度時(shí)的充電成本式中，F(xiàn)ci為第i輛電動(dòng)汽車不參與調(diào)度時(shí)的充電成本；c(t)為t時(shí)刻電動(dòng)汽車的充電電價(jià)，tbi為第i輛電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí)間，tei為第i輛電動(dòng)汽車離開電網(wǎng)時(shí)間。調(diào)度流程四.V2G算例分析由于電動(dòng)汽車所特有的行為特性，可將電動(dòng)汽車充電場所分為工作區(qū)和住宅區(qū)，相應(yīng)的可將其調(diào)度周期分為白天和晚上，以白天為例對算例進(jìn)行分析，調(diào)度周期為6:00~19:00，并做出如下假設(shè)，晚上的調(diào)度方法與此類似。a.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量服從[20,30]（kWh）上的均勻分布；b.電動(dòng)汽車充電樁以恒功率對電池進(jìn)行充放電，充放電功率分布為3kW和4kW，充放電效率均為90%；c.電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí)的荷電狀態(tài)服從N(0.6,0.12)的正態(tài)分布，用戶設(shè)定的離開電網(wǎng)時(shí)的荷電狀態(tài)為0.8或0.9（各占50%）；d.電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電時(shí)刻、離開電網(wǎng)時(shí)刻、電池容量、電池初始荷電狀態(tài)、設(shè)定的離開電網(wǎng)時(shí)的荷電狀態(tài)為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量；e.電動(dòng)汽車電池的損耗并不長時(shí)間處于極端狀態(tài)，因此取單位電量補(bǔ)償費(fèi)率r為0.5元/kWh；分類時(shí)段電價(jià)（元/kWh）峰時(shí)段8:00-12:00；17:00-21:001.082平時(shí)段12:00-17:00；21:00-24:000.649谷時(shí)段0:00-8:000.316可控容量預(yù)測電動(dòng)汽車離開電網(wǎng)分布情況電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)分布情況電力公司日前調(diào)度計(jì)劃制定負(fù)荷聚合商投標(biāo)功率/MW能量報(bào)價(jià)(元/kWh)時(shí)段1時(shí)段2時(shí)段3時(shí)段4時(shí)段5時(shí)段6時(shí)段7時(shí)段8A7.58.59999991.5B44.55555552C14141515151515151.2D555666661.9E9.59.51010101010101.4電力公司確定9:30~11:30共8個(gè)時(shí)段各自所需削減的功率分別為25MW、30MW、35MW、40MW、45MW、40MW、35MW、30MW，調(diào)度計(jì)劃允許的最大偏差值δmax=0.1MW，超出部分罰款為γ=2000元/MWh。根據(jù)2.2節(jié)的日前調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化模型，制定使電力公司負(fù)荷調(diào)度成本最小的調(diào)度計(jì)劃，即各時(shí)段負(fù)荷聚合商的中標(biāo)情況負(fù)荷聚合商的投標(biāo)信息負(fù)荷聚合商的中標(biāo)情況負(fù)荷聚合商中標(biāo)功率/MW時(shí)段1時(shí)段2時(shí)段3時(shí)段4時(shí)段5時(shí)段6時(shí)段7時(shí)段8A1.56.5999995B

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C1414151515151515D

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