基于充电权交易的区域充电微市场运营策略

张纲1,逯帅1,刘永相2,吴春燕1,江冰2,冯义2,许庆强3,肖宇华3  

(1.清华四川能源互联网研究院,四川省 成都市 610200;2.国网电动汽车服务有限公司,北京市 西城区 100032;3.国网江苏省电力有限公司,江苏省 南京市 210000)

摘要

为解决高电动汽车渗透率下充电需求受到配电设施容量限制的矛盾,提出了基于充电权在“微市场”中进行交易的电动汽车集群运行控制技术。在配电网中某一特定区域内某一时间段充电桩集群总充电功率受限时,通过电动汽车充电权在“微市场”机制下交易的市场化手段,实现在用户参与下的电动汽车充电需求自动调整,从而减少用电高峰时段的总充电功率,实现配电网特定区域内用电负荷削峰填谷。应用该策略,安装于一个配网变压器下的充电桩的总功率可以大于变压器容量与其它负荷用电尖峰的差值,大幅增加充电桩安装数量,满足更多用户的充电需求,同时保障用电安全,提高供电设施利用率,延缓供电设施升级改造的需求。

关键词 : 微市场;电动汽车;充电权;有序充电;运营策略

基金项目:国家电网公司科技项目(SGJS0000YXJS1800187)。 Science and Technology Foundation of SGCC (SGJS0000YXJS1800187).

0 引言

电动汽车由于节能环保的优势,得到了广泛关注和快速发展[1-2]。根据国际能源署发布的《2018全球电动汽车展望》报告,截至2017年,全球道路上行驶的电动汽车总量超过300万辆,中国电动汽车保有量达123万辆,成为电动汽车数量最多的国家[3]。根据《中国新能源汽车产业发展报告(2018)》,按照国务院颁布的发展规划,2020年中国新能源汽车保有量预测超过600万辆[4]

随着电动汽车数量的快速增长,电动汽车充电需求对电网(特别是用电负荷高峰时段)的稳定运行带来了明显冲击[5-7]。电动汽车有序充电控制对降低电动汽车充电对电网的影响具有重要意义[8-10]。在电动汽车发展仍处于初期阶段的20世纪80年代,美国亚利桑那州立大学电力系统研究中心的G.T.Heydt就已经开展了电动汽车充电对电网冲击的研究,该研究指出,随着电动汽车渗透率的提高,充电高峰负荷有可能和其它负荷高峰负荷叠加,避峰充电控制可以有效提高电网负荷率[11]

目前电动汽车有序充电的研究重点主要围绕不同的优化模型和求解算法。文献[12]对插电混合式电动汽车对居民区配网的冲击及其控制策略进行了研究,电动汽车被视为独立需求主体,居民充电桩群由调度中心实时控制,可以有效降低配网损耗,并提升电网负荷率。文献[13]对电网直接控制家用电动汽车充电桩的优化算法进行了研究,优化用户充电时间,使得用户获取最低的用电价格。文献[14]的目标函数同时考虑电压稳定、功率损耗、电能成本和污染物排放,评估电动汽车渗透对目标函数值的影响。文献[15]提出了一种在保证电动汽车用户充电需求和电网电压稳定的前提下,使停车场收益最大化的电动汽车有序充放电控制策略。文献[16]提出了同时考虑负荷峰谷差和负荷平滑性的多目标优化策略,并采用基于自适应变异粒子群算法进行求解。文献[17]采用改进粒子群算法求解充放电策略问题,具有更优越的全局搜索性能。

在配网设施比较陈旧的老城区、老居民小区,充电难和配网容纳充电设施能力有限的矛盾形成限制电动汽车发展的瓶颈。在电动汽车保有量快速发展的城市,已经出现用电高峰时段电网对已保有充电装置限制供电的情况,而电力设施的升级改造需要大规模资金投入,在人口拥挤的城区和居民区,安装场地也是限制电力设施升级的关键因素。对于变压器容量不足的小区,目前主要是限制居民自有车位安装充电桩,充电桩安装总功率受限于小区变压器容量和小区用电尖峰的差值,但在后半夜用电低谷时段,变压器容量无法得到充分利用。针对上述问题,已经有学者开展了相关研究,通过电动汽车有序充电控制来满足总充电功率受限情况下电动汽车的充电需求。文献[18]提出了一种考虑用户需求的利用台区变压器容量的余量为电动汽车充电的控制方法。文献[19]提出了一种在台区变压器容量受限条件下的充电桩智能配电方法。文献[20]在对小区总用电功率限制值进行预测的基础上,通过计算充电优先级实现电动汽车有序充电,且能实现削峰填谷,降低用户的充电费用。

目前,对电动汽车有序充电的研究很少考虑到配网容纳充电设施能力不足的情况,充电桩安装总功率受限于小区变压器容量和小区用电尖峰的差值。本文将研究充电设施总容量受限时用户充电需求优先级自发排序并依据优先级进行充电桩群控制的“微市场”运营策略,使得充电桩安装总功率可以大于变压器容量与其它负荷用电尖峰的差值,满足更多用户的充电需求。研究充电权的生成和交易模型以及充电价格发现模型,并对充电权模型和“微市场”运营策略进行验证,并实现价格平衡。

1 “微市场”系统描述

假设一种场景,小区(配电网特定区域)充电桩的安装总功率大于变压器容量与其它负荷用电尖峰的差值,在某些时段如果所有电动汽车同时充电,可能会超过小区变压器的容量。此时,可以通过“微市场”中充电权的竞价实现用户充电优先级自发排序,从而解决充电设施总容量受限时电动汽车有序充电的问题。其中,“充电权”是指其持有者能够在某段时间内,通过配电网某一规定区域的充电桩向电动汽车充入一定电量的权利。

有序充电“微市场”系统架构如图1所示,主要由用户平台、“微市场”云端平台和本地有序充电控制器组成。用户平台的主要功能有:①用户通过用户平台确认车辆和充电桩组合,即确认车辆身份;②确定默认、实时充电权价格。“微市场”云端平台的主要功能有:①区域“微市场”价格生成;②生成“微市场”控制区域实时充电序列;③充电价格结算; ④用户管理;⑤连接车联网平台,获得车辆电池荷电状态(state of charge,SOC)信息。本地有序充电控制器的主要功能有:①监测区域用电负荷,确定实时“微市场”充电能力;②根据充电序列控制充电功率。

图1 “微市场”系统架构
Fig.1 “Micro-markets” system architecture

“微市场”系统流程如图2所示。首先,用户接入充电桩之后通过用户平台确定默认、实时充电权价格,并发送给“微市场”云端平台。本地有序充电控制器监测区域用电负荷,确定实时“微市场”充电能力,即充电设施可用总容量,并发送给“微市场”云端平台。“微市场”云端平台连接车联网平台,获得车辆SOC信息,按照一定规则对用户充电权价格进行排序,在此基础上结合实时“微市场”充电能力,生成控制区域实时充电序列并发送给本地有序充电控制器。本地有序充电控制器根据充电序列控制各充电桩的充电状态。在控制区域实时充电序列的基础上,“微市场”云端平台生成相应充电价格,并对充电价格进行结算。

图2 “微市场”系统流程
Fig.2 “Micro-markets” system flow

2 “微市场”排队机制

在“微市场”中,本地有序充电控制器监测区域电动汽车负荷和其它用电负荷,根据充电桩群及其所处配电网络的空间分布和容量约束,确定实时“微市场”充电能力。如果某时段充电设施总充电能力不能满足所有接入电动汽车的充电需求,即

式中:Ptrans为所处配网特定区域变压器的总容量;Pload,tt时段区域其他用电负荷;n为区域内充电桩的数量;αi,tt时段充电桩i上有无电动汽车接入;Pc,i为充电桩i的额定充电功率。

此时,采取在“微市场”中进行充电权交易的方式实现用户充电需求优先级自发排序并依据优先级进行充电桩群控制。如果充电设施总容量不受限,则所有接入充电桩的电动汽车均可正常充电。判断“微市场”充电权交易机制是否执行的流程图如图3所示。

图3 “微市场”交易机制执行的判断
Fig.3 Judgment of trading mechanism in “micro-markets”

下面将对“微市场”中充电权排队机制进行详细介绍,流程图如图4所示。

图4 “微市场”排队机制
Fig.4 Queuing mechanism in “micro-markets”

电动汽车用户可接受的充电价格包括市场充电电价和充电权价格两部分:

式中:pi,t为用户it时段可接受的最高充电价格;ptct时段的市场充电电价充电权价格;t时段用户i的充电权价格;为“微市场”允许的最高充电权价格。充电权价格表示用户愿意以该价格购买充电权,也表示用户放弃充电权的期望补偿价格。当用户充电需求不紧迫,不愿意以高于市场充电电价的价格进行充电时,可以将充电权价格设置为0,但不表示该用户放弃了充电,当总充电功率不受限或者其他用户也将充电权价格设置为0时,该用户仍然有机会充电。同时,为了防止部分用户为获取更大收益而恶意抬高报价,扭曲充电权的出清价格,故设定允许的最高充电权价格

电动汽车接入充电桩即可获得充电权的竞争资格。首先,由接入充电桩的电动汽车用户按照充电调度的时间间隔确定每个调度时段的默认“微市场”充电权价格,并发送给“微市场”云端平台,同时用户可以根据前期充电情况和自身充电需求实时更新充电权价格。

“微市场”云端平台首先判断接入车辆的电池是否处于充满状态,也就是电池SOC是否为1,如果SOC=1,则该用户退出排序。然后,“微市场”云端平台将t时段mmn)个用户提交的充电权价格按照由高到低进行排序,充电权价格相同时按照车辆SOC由低到高进行排序,最终得到的充电权价格的排序为排序越靠前的用户拥有越高的充电优先权。

“微市场”云端平台根据充电设施总的充电能力,按照充电优先级决定可充电的电动汽车:

式中x表示充电权价格前x名的用户可以进行充电。

云端平台由此生成“微市场”控制区域实时充电序列,并发送给本地有序充电控制器。本地有序充电控制器根据充电序列控制各充电桩的充电状态,在总充电功率不越限的前提下,优先满足充电优先级高的用户的充电需求。

3 “微市场”价格机制

在“微市场”排队机制生成的实时充电序列的基础上,“微市场”云端平台还需要对充电价格进行结算,实现“微市场”内的价格平衡。可充电用户需要购买充电权,并将购买充电权的花费分配给其他未能充电的用户作为出售充电权的收益。“微市场”中的价格机制如图5所示。

图5 “微市场”价格机制
Fig.5 Price mechanism in “micro-markets”

由“微市场”排队机制产生的所有获得充电权的用户中充电优先级最低的用户,也就是式(3)中的第x名用户,可接受的充电价格即为该时段成交的充电价格:

该时段所有拥有充电权的电动汽车均按照式(4)的价格进行充电,并在此基础上进行价格结算。可充电的用户it时段购买充电权的花费和基础充电的花费分别为:

式中:为购买充电权的花费;为基础充电的花费;为单位充电权价格,单位为元/kWh;li,t为用户it时段的充电时长:

式中:ΔT表示充电调度的时间间隔,可以根据电网的控制需求进行设置,如15 min、0.5 h、1 h;SOCi,t表示电动汽车i的当前荷电状态;E表示电动汽车i的电池容量。

可充电的x名用户在t时段购买充电权的总花费为:

Ctotal,t将按照一定方式分配给其他未能充电的电动汽车用户作为出售充电权的收益。

如果未充电用户的期望充电权售卖总价超过了可充电用户购买充电权的花费,即

则按照未充电用户提交的充电权价格由高到低进行收益分配,优先满足充电权价格高的用户的期望收益:

式中:y为充电权价格排序第x+1位至第y+1位的用户可以获得出售充电权的收益。各个用户获得的充电权出售收益为:

如果未充电用户的期望充电权售卖总价没有超过可充电用户购买充电权的总花费,即

则将可充电用户购买充电权的花费按比例分配给所有未充电的用户,每个用户获得的充电权出售收益为:

4 算例分析

本文提出的基于充电权交易的区域充电微市场运营策略主要作用于充电设施安装总功率超过区域变压器可用容量的情境下,比如居民小区的用电高峰在傍晚居民下班返回家中的时段,而对于拥有车位充电桩的居民,此时段也是停车插电开始充电的高峰时段,两个用电高峰叠加就可能超过小区变压器容量。假设某小区内有20个7 kW的交流充电桩,变压器容量为630 kVA,充电桩总功率大于该区域变压器容量与其它负荷用电尖峰的差值。本文中,“微市场”交易的时间间隔设置为1 h,若某小时其他负荷为523 kW,则充电桩的可用总容量为107 kW。假设该时段20个充电桩均有电动汽车接入,很明显充电设施总充电能力不能满足充电需求,因此需要启动“微市场”交易机制。本文将以该小时段为例,对“微市场”排队机制和价格机制进行说明。

该时段20个电动汽车用户确认的充电权价格如表1所示。“微市场”云端平台从车联网平台获得对应20辆电动汽车的电池容量和当前电池SOC信息,如表2所示。

表1 电动汽车充电权价格
Table1 Price of EV charging rights

“微市场”云端平台结合用户提交的充电权价格和车辆电池SOC信息对电动汽车充电优先级进行排序,充电权价格相同时,电池SOC越低的电动汽车充电优先级越高,20辆电动汽车充电优先级排序结果如表3所示。

表2 电动汽车电池容量和SOC信息
Table2 Battery capacity and SOCinformation

表3 电动汽车充电优先级
Table3 Charging priority of EV

“微市场”云端平台在充电设施总容量和电动汽车充电优先级的基础上,根据式(3)确定可充电电动汽车,共15辆,由此生成“微市场”控制区域实时充电序列,如表4所示。

“微市场”云端平台生成区域“微市场”充电价格,并对其他未充电用户出售充电权的收益进行分配。可充电用户中出价最低的用户(3号充电桩对应的用户)提交的充电权价格即为该时段成交的充电权价格,为0.13元/kWh。由式(5)可得15个可充电电动汽车用户在该时段购买充电权的总花费为13.65元,剩余未充电用户的期望充电权售卖总价为2.1元,未充电用户的期望充电权售卖总价低于可充电用户购买充电权的总花费,因此按照式(13)将可充电用户购买充电权的花费按比例分配给所有未充电的用户,分配结果如表5所示。其中,16号充电桩对应的用户充电权出售收益为0元,这是由于该用户设定的充电权价格为0元/kWh,因此无法获得相应收益。

表4 电动汽车实时充电序列
Table4 Real-time charging sequence

表5 充电权出售收益
Table5 Revenue from selling charging rights

通过以上测算即实现了在充电可用容量受限时通过电动汽车充电权在“微市场”机制下交易的市场化手段,实现电动汽车充电需求自动调整,同时实现价格平衡。

5 结语

针对充电桩安装总功率受限于配网容纳能力的问题,本文提出了一种局域配电网内电动汽车充电桩集群有序充电的市场化控制方法,使得充电桩的安装总功率可以大于配网容纳能力。设计了在“微市场”中进行充电权交易的排队机制和价格机制,当充电设施总容量受限时,充电权通过“微市场”在一定电网范围内的用户之间交易,实现充电需求通过市场机制自动调整,在保证电力网络安全性的同时,提高供电设施利用率和电动汽车用户充电满意度。

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Regional Operation of Charging Micro-markets Based on Trading of Electric Vehicle Charging Rights

ZHANG Gang1,LU Shuai1,LIU Yongxiang2,WU Chunyan1,JIANG Bing2,FENG Yi2,XU Qingqiang3,XIAO Yuhua3
(1.Sichuan Energy Internet Research Institute,Tsinghua University,Chengdu 610200,Sichuan Province,China; 2.State Grid Electric Vehicle Service Co.,Ltd.,Xicheng District,Beijing 100032,China; 3.State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.,Nanjing
210000,Jiangsu Province,China)

Abstract:Charging will be limited by the capacity of distribution facilities if electric vehicles (EVs) become broadly distributed.To solve this problem,this paper proposes an operation control technique whereby charging rights can be traded in EV “micro-markets.” When the total charging power of the charging piles in a cluster is limited over a specific period in a specific region covered by the power distribution network,marketized trading of EV charging rights under a micro-market mechanism can automatically adjust charging demand with user participation to reduce the total charging power demanded at peak hours and shift peak load in that region.With this strategy,the total power of charging piles installed in a distribution transformer can be higher than the difference between the transformer capacity and the load peak of non-EV demand.This significantly increases the number of installed charging piles,satisfies the charging demand of more users,ensure electrical safety,improve the utilization of power supply facilities,and mitigates the demand for upgrading and reconstructing power supply facilities.

Keywords:micro-markets; electric vehicle; charging rights; coordinated charging; operation strategy

张纲

作者简介:

张纲(1976),男,硕士,主要从事电动汽车运行仿真和优化调度、分布式资源能量管理研究,E-mail:gang.zhang@tsinghua-eiri.org。

逯帅(1976),男,博士,高级工程师,主要从事分布式资源的并网接入和运行方式研究,E-mail:shuai.lu@tsinghua-eiri.org。

吴春燕(1993),女,硕士,主要从事电动汽车、新能源、电力系统规划与运行研究,E-mail:chunyan.wu@tsinghua-eiri.org。

(责任编辑 张宇)

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