中國儲能網(wǎng)訊：文章以上海市為研究對象，在電動汽車發(fā)展預(yù)測的基礎(chǔ)上，評估了電動汽車充電負荷對上海市電網(wǎng)的影響，并根據(jù)上海市電力系統(tǒng)調(diào)峰需求與電動汽車用戶出行特點，分別從電動汽車充電需求及負荷特性、電動汽車充放電調(diào)節(jié)潛力及經(jīng)濟性等方面進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)通過電力需求響應(yīng)，電動汽車低谷充電負荷將顯著提升上海市電網(wǎng)運行效率，提高外部清潔能源消納能力，降低用戶充電成本。
引言
作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和交通部門節(jié)能減排的重要途徑，近年來我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。在財政補貼、免征購置稅、免搖號、免限行、充電設(shè)施及充電價格等多重政策推動下，2015年全國電動汽車銷量達到33.1萬輛，占全國汽車總銷量的1.32%。在此背景下，上海市電動汽車規(guī)模進入了高速發(fā)展階段。2015年，上海市新增電動汽車46507輛，比2014年增長3倍以上。但與此同時，電動汽車的普及將對電力系統(tǒng)運行帶來多層面的影響。國內(nèi)外科研領(lǐng)域近年來也對電動汽車并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響展開了多方面的研究：
1）電動汽車充電負荷對電力系統(tǒng)的影響。電動汽車充電負荷涉及電動汽車用戶的用車行為、停車行為、充電時間、充電方式、車型種類等多種因素。由于目前電動汽車發(fā)展仍處初期，針對電動汽車用戶的數(shù)據(jù)收集較為有限，一般通過建模仿真分析電動汽車充電電量和負荷特性。目前研究主要基于電動汽車數(shù)量規(guī)模預(yù)測或假設(shè)，在考慮電動汽車用戶行為及電網(wǎng)運行的前提下，分析電動汽車充電對用電負荷、電網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度、電能質(zhì)量、配電設(shè)備等方面的影響。
2）電動汽車儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。電動汽車充電不僅提升了電網(wǎng)負荷，基于系統(tǒng)運行環(huán)境的電動汽車有序充電將幫助電網(wǎng)平抑高峰負荷、提高系統(tǒng)運行效率、降低系統(tǒng)容量投資成本及提高系統(tǒng)運行靈活性等。此外，電動汽車的動力電池還可作為分布式儲能單元，向電網(wǎng)或其他用戶反向饋電，進一步提高電動汽車在系統(tǒng)中的應(yīng)用價值。目前的研究主要包括電動汽車有序充電控制和電動汽車與電網(wǎng)互動（vehicletogrid，V2G），也有文獻稱為單向V2G和雙向V2G。
3）電動汽車充放電成本效益研究。電動汽車有序充電及儲能的實際應(yīng)用效果取決于電池充放電成本及其對電力系統(tǒng)服務(wù)的收益。目前這方面的研究集中在電動汽車參與電力市場輔助服務(wù)和需求響應(yīng)的經(jīng)濟性分析。
目前國內(nèi)對電動汽車參與電力系統(tǒng)運行的研究仍然以理論研究為主，基于電動汽車用戶實際出行及充電行為的實證研究較為有限。本研究在國內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，通過對上海市電動汽車用戶行為的調(diào)研，分別從電動汽車充電需求及負荷特性、電動汽車充放電調(diào)節(jié)潛力及經(jīng)濟性、電力市場環(huán)境及商業(yè)運行模式3個方面對電動汽車在上海電力系統(tǒng)的應(yīng)用價值進行了分析。
1、電動汽車在上海電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況
1.1?上海市電力發(fā)展趨勢
上海電網(wǎng)整體負荷水平一直居于國內(nèi)前列，最近幾年在電網(wǎng)的建設(shè)方面逐步趨于飽和，負荷水平基本保持穩(wěn)定。電力消費方面，上海電網(wǎng)用電量較為平穩(wěn)的特征充分體現(xiàn)了上海的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展特點，由于第三產(chǎn)業(yè)占比較高，金融、服務(wù)業(yè)占社會經(jīng)濟總量的比重顯著上升，人口總量也基本保持平衡，因此用電量呈現(xiàn)平穩(wěn)的特點。
上海的電力能源結(jié)構(gòu)相對單一，其中火電由煤電、燃油、燃氣以及綜合利用燃料組成。“積極引入外部清潔能源、減少本地機組排放”是近年來上海電力能源發(fā)展的核心策略，但同時也給本地電網(wǎng)調(diào)度運行和管理帶來前所未有的挑戰(zhàn)。近年來，上海電網(wǎng)消納我國西南水電來電容量持續(xù)上升并達到1200萬kW，外來清潔電力的受電比例在部分時段高達70%。大規(guī)模清潔電力饋入疊加上海特大城市電網(wǎng)峰谷用電特性，上海本地機組調(diào)停壓力顯著增加，電網(wǎng)強饋入、弱開機格局形成，提升需求側(cè)靈活性調(diào)節(jié)能力勢在必行。
若按照指數(shù)規(guī)律對飽和趨勢進行預(yù)測，到2020年上海電網(wǎng)最高負荷為3040萬kW（見圖1），到2030年上海電網(wǎng)最高負荷為3290萬kW。用電需求增速放緩雖然一定程度上降低了供電容量需求，加之外來電力比重不斷提高，導(dǎo)致外來清潔能源電力與本地電源之間的矛盾更加突顯，尋找新的靈活調(diào)峰資源勢在必行。
圖1 2020年上海電網(wǎng)最高用電負荷水平估計
1.2?電動汽車充電量需求
電動汽車充電負荷對電網(wǎng)峰谷負荷的影響取決于用戶行為、充換電模式及充電功率等因素。本研究采用巴斯（Bass）擴散模型預(yù)測上海市電動汽車數(shù)量增速。以我國新能源汽車市場規(guī)模為例［見式（1）］，其中n(t)代表t年新增的新能源汽車數(shù)量，a代表創(chuàng)新系數(shù)（外部影響），b代表模仿系數(shù)（內(nèi)部影響）：
式中：n(t)為t年新增新能源汽車數(shù)量；(t)為t年累計新能源汽車數(shù)量；m為最大市場潛力；a、b分別為外部影響（創(chuàng)新）系數(shù)、內(nèi)部影響（模仿）系數(shù)。
上海私人購買電動汽車享受免費牌照及現(xiàn)金補貼政策，考慮到上海市目前高達數(shù)萬元的牌照價格，扶持政策無疑有力激勵了電動汽車發(fā)展?？紤]到現(xiàn)行的機動車限號及財稅扶持政策在未來存在一定的不確定性，研究設(shè)定2種電動汽車發(fā)展情景，即常規(guī)發(fā)展情景和高速發(fā)展情景（見圖2）。
圖2 2種情景下上海市2020-2030年電動汽車銷售及保有量
其中常規(guī)發(fā)展情景根據(jù)2010—2015年燃油汽車及電動汽車銷量歷史統(tǒng)計和2020年規(guī)劃量進行擬合，得到創(chuàng)新及模仿系數(shù)a=0.01、b=0.08。此外，考慮到技術(shù)進步及動力電池成本快速下降等因素，能源所等機構(gòu)對電動汽車到2030年的銷量增速有更樂觀的預(yù)期。因此，除常規(guī)情景外，本研究提出另一高速發(fā)展情景，其中創(chuàng)新系數(shù)維持不變，模仿系數(shù)b取0.15。通過模型將車輛銷量增速遞推至2030年，得到常規(guī)發(fā)展情景下到2030年電動汽車年銷量占全部汽車銷量市場的28%，電動汽車保有量達到155萬輛，其中小型電動乘用車為144萬輛；高速發(fā)展情景下，到2030年電動汽車年銷量占全部汽車銷量市場的43%，電動汽車保有量達到245萬輛，其中電動乘用車為228萬輛（插電式混合動力汽車與純電動汽車的比例維持不變，即76%︰24%）。
目前上海市在售電動汽車百千米電耗在10～20kWh之間，考慮到電動汽車綜合能效較高，未來進步空間較為有限，本研究假設(shè)到2030年車輛電耗及充電功率分別達到百千米15kWh和7kW。2015年上海市比亞迪秦和榮威E50用戶日均行駛里程分別31km和26km，考慮隨著交通機動化率的進一步提高，未來上海市居民出行強度仍有一定增長潛力，本研究假設(shè)上海市電動乘用車日均行駛里程以每年3%增幅增加，則到2030年日均行駛里程達到50km。同理推測到2030年，大型電動客車百千米電耗為100kWh，日均行駛里程300km，充電功率100kW，且電動乘用車及電動客車充電效率同為90%，則在電動汽車常規(guī)發(fā)展情境下，2030年上海市電動汽車充電量需求約為12.4TWh，占當年全市用電量的7.4%；在高速發(fā)展情景下，全年充電量需求為19.6TWh，占當年全市用電量的11.2%。
電動汽車充電量需求為不同類型車輛（私家車、公務(wù)車、公交車、出租車、物流車）、不同技術(shù)（純電動汽車、插電式混合動力汽車）充電需求的加總：
式中：ECi,m,t為第i年m型車輛t動力技術(shù)充電量需求，kWh；Stocki,m,t為第i年m型車輛t動力技術(shù)車輛數(shù)，輛；Distancei,m,t為第i年m型車輛t動力技術(shù)運行里程，km；FEi,m,t為第i年m型車輛t動力技術(shù)能效，kWh/km；Chargei,m,t為第i年m型車輛t動力技術(shù)，%。
1.3?電動汽車充電負荷特性
電動汽車隨機充電負荷是分析充電負荷特性及負荷調(diào)控潛力的基礎(chǔ)。電動汽車充電負荷特性主要由用戶的充電行為決定，而影響用戶充電行為的因素包括出行、停車、充電的時空分布以及充電方式（功率）等。為深入研究上海市各類車型充電行為特征，本研究按5類車型在上海市選取73輛電動汽車進行停車及充電時間調(diào)查（包括10輛電動公交車、10輛電動出租車、10輛電動物流車、16輛電動公務(wù)車及27輛電動私家車），從出行時段分布來看，用戶出行主要集中于早晚高峰時段（7-9點、17-19點），其出行次數(shù)分別占到全天出行次數(shù)的8.8%和10.2%，此外午間時段也出現(xiàn)較為平穩(wěn)的出行小高峰。而出行低谷為凌晨1—5點，該時段合計出行次數(shù)占全天出行次數(shù)的比例不足0.7%；從單次出行來看，電動汽車用戶單次出行平均時長為35min，其中25min以內(nèi)出行次數(shù)占比51%。
圖3列舉了其中4類車型24h停車時間概率分布情況。以私家車為例，多數(shù)用戶傾向晚間在居住小區(qū)充電，且現(xiàn)有私家電動汽車車主配建的充電設(shè)施一般安裝在住宅停車場（根據(jù)上海市經(jīng)濟和信息化委員會規(guī)定，自2015年開始上海市電動汽車用戶必須先安裝充電樁才可上牌），其停車高峰時間出現(xiàn)在晚21:00至上午6點左右，停車低谷時間出現(xiàn)在上午8點左右和傍晚18點左右；電動出租車停車高峰往往集中在夜間22:00至凌晨時段。
圖3 上海市各類電動乘用車停車時間概率
單輛電動汽車充電負荷曲線由充電起始時間及持續(xù)充電時間決定，而電動汽車群充電負荷由多輛單體電動汽車充電負荷曲線疊加而成。本研究基于上海電動汽車數(shù)量增速及電動汽車用戶調(diào)研，測算了電動汽車充電負荷曲線。結(jié)果顯示（見圖4），在電動汽車高增速情景下，電動汽車充電負荷高峰為6.33GW，出現(xiàn)于晚間19:00點左右，充電負荷低谷為15MW，出現(xiàn)于凌晨4點左右；疊加電動汽車充電負荷曲線后，電網(wǎng)負荷高峰為37.93GW，出現(xiàn)于晚間20:00左右，充電負荷低谷為21.07GW，出現(xiàn)于上午6:00左右，電網(wǎng)負荷峰谷差從11.90GW增加到16.86GW。綜合來看，在隨機充電情況下，電動汽車充電負荷將顯著提升傍晚電力負荷高峰，且全天峰谷差也將有所增加，從而對電網(wǎng)運行產(chǎn)生一定壓力。
圖4 2種情景下2030年上海市夏季電動汽車充電負荷
2、電動汽車參與需求響應(yīng)的潛力及經(jīng)濟性分析
2.1?需求響應(yīng)的潛力
在上海市電動汽車用戶行為調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在公交、出租等車輛運營部門，由于出行強度高，充電量需求大，適應(yīng)負荷調(diào)控的停車時間有限，導(dǎo)致模型對充電行為的優(yōu)化空間較小。相比之下，電動私家車、電動公務(wù)車停車時間較長但實際充電時間較短，尤其在負荷峰谷時段（中午12點及凌晨5—6點），相當比例的電動汽車處于非充電的停車狀態(tài)，具有較高需求響應(yīng)調(diào)節(jié)潛力（見圖5）。對于一般私家電動汽車，平均每日出行時間一般在2～4h之間，剩余20h停車時段都可接入電網(wǎng)參與需求響應(yīng)調(diào)節(jié)，因此其參與需求響應(yīng)具有較大調(diào)節(jié)空間。
圖5 上海市電動私家車、公務(wù)車停車及充電時間概率
為深入分析上海地區(qū)不同電動汽車車型充電行為特征，本研究分別對電動私家車、電動公務(wù)車兩類車型用戶的停車及充電概率進行了對比。結(jié)果如圖5所示，其中淺色、深色部分代表停車概率及隨機充電概率。調(diào)研結(jié)果印證了上海地區(qū)這兩類車型具有較大的充電調(diào)節(jié)空間，特別是在負荷峰谷時段（中午12點及凌晨5—6點），相當比例的電動汽車處于非充電停車狀態(tài)，有潛力參與需求響應(yīng)調(diào)節(jié)。
本文以降低系統(tǒng)高峰負荷為優(yōu)化目標，在電動汽車停車時間及電池容量約束下，模擬了有序充電下電動私家車、公務(wù)車充電負荷。
電網(wǎng)第i小時總負荷為第i小時電網(wǎng)原始負荷與第i小時電動汽車充電負荷之和，即：
式中：Pi為第i小時電網(wǎng)總負荷；Po,i為第i小時電網(wǎng)原始負荷；Pv,i為i小時電動汽車充電負荷。
本研究假設(shè)電動汽車用戶出行后便開始充電行為，則電動汽車在第i小時的充電負荷可分為在第i小時開始接入電網(wǎng)充電的電動汽車充電負荷與此前若干小時中（i-n）陸續(xù)接入電網(wǎng)充電，但在第i小時未充滿車輛的充電負荷，因此疊加充電負荷的小時數(shù)取決于電動汽車充電時間：
式中：t為第i小時電動汽車充電負荷疊加次數(shù)；Pv,i′為第i小時內(nèi)接入電網(wǎng)電動汽車充電負荷。
本研究假設(shè)電池的終止充電荷電狀態(tài)SOC為90%，則電動汽車充電時間t為：
式中：B為動力電池額定容量，取30kWh；E為電動汽車能效，取15kWh/（100km）；D為電動汽車日行里程；PC為電動汽車單車充電功率，取7kW/輛。
基于隨機充電負荷預(yù)測結(jié)果，本研究假設(shè)有序充電管理對電動汽車充電行為有充分引導(dǎo)：若車輛充電負荷出現(xiàn)在基荷用電低谷，則系統(tǒng)可直接調(diào)度車輛充電負荷至低谷時段，而當前小時充電負荷將根據(jù)原始負荷與當日平均負荷之間的差值決定，即：
式中：為全天基荷平均負荷。
表1對比了隨機充電與有序充電下電動汽車充電負荷的差異。
表1?2030年電動汽車需求響應(yīng)下電網(wǎng)負荷
圖6顯示了2種電動汽車發(fā)展情境下，隨機充電及有序充電負荷曲線，可見有序充電使電網(wǎng)高峰負荷一定程度降低，負荷峰谷差明顯減小，大部分充電負荷轉(zhuǎn)移至凌晨負荷低谷時段。
圖6 2種情景下電動汽車有序充電調(diào)節(jié)效果
圖7為電動汽車高速發(fā)展情境下，電動私家車及公務(wù)車隨機充電及有序充電負荷曲線。可見，隨著需求響應(yīng)的引入，大部分原本出現(xiàn)在午后至晚間的充電電量轉(zhuǎn)移至凌晨時段，電動汽車充電負荷調(diào)節(jié)效果明顯。
圖7 2種電動汽車發(fā)展情景私家車/公務(wù)車隨機及有序充電負荷
2.2?經(jīng)濟環(huán)境效益
電動汽車參與需求響應(yīng)的經(jīng)濟性包括成本和效益兩方面，其中充電調(diào)節(jié)的成本包括實現(xiàn)有序充電技術(shù)的軟硬件成本以及電動汽車用戶改變充電行為的支付意愿；充電調(diào)節(jié)的效益主要包括電動汽車有序充電的高峰負荷削減、填谷電量以及由此產(chǎn)生的環(huán)境效益（見圖8）。
圖8 電動汽車參與需求響應(yīng)經(jīng)濟性分析
電動汽車與傳統(tǒng)需求響應(yīng)資源相比存在較大差異。對于傳統(tǒng)需求相應(yīng)資源而言（如空調(diào)、照明等），電能消費與電力服務(wù)同時發(fā)生，需求響應(yīng)的成本與用戶行為的改變程度正相關(guān)，即提升需求響應(yīng)的規(guī)模往往以犧牲更多的用戶自由度為代價；對于電動汽車充電，充電需求與出行需求在時間上是分離的，在車輛停駛時段內(nèi)對電動汽車充電時間的選擇和調(diào)整并不會明顯影響用戶的出行行為，因此其需求響應(yīng)的成本相比傳統(tǒng)需求響應(yīng)資源有所降低（見圖9）。
圖9 傳統(tǒng)需求響應(yīng)資源與電動汽車有序充電響應(yīng)成本示意圖
對電動汽車用戶參與需求響應(yīng)的價格彈性研究方面，較有代表性的是美國能源部發(fā)起的EVProject項目。該項目2009年10月啟動，主要任務(wù)是包括在美國17個地區(qū)構(gòu)建成熟的電動汽車充電設(shè)施；部署基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；建設(shè)12000個AClevel2充電設(shè)備和100個DC快速充電機，到2015年已有超過8000用戶注冊該項目，由愛達荷國家包括實驗室（INL）負責數(shù)據(jù)收集。該研究發(fā)現(xiàn)價格激勵能夠顯著影響電動汽車用戶的充電行為，在圣地亞哥電力和天然氣公司（SDG&E）覆蓋區(qū)域，當峰谷電價比為2︰1時，峰谷電價差約為0.13美元（約0.85元人民幣），70%的電動汽車用戶會將充電負荷移至夜間電價低谷時段；當峰谷電價拉大到6︰1以上后，價差達到0.3美元（約2元人民幣），低谷充電時段用戶的比例提升至90%；而當峰谷電價進一步拉大后，新增參與充電調(diào)節(jié)的用戶數(shù)量逐漸降低。
現(xiàn)行上海市居民用戶分時電價如表2所示，第二檔低電壓用戶高峰時段（6:00–22:00）電價為0.677元/kWh，低谷時段（22:00–次日6:00）電價為0.337元/kWh，峰谷電價比近似2︰1，與SDG&E電動汽車充電分時電價比例相似。根據(jù)EVProject對充電價格彈性的分析，當峰谷電價之比較低時，電動汽車用戶參與需求響應(yīng)的價格彈性相對較高，而隨著峰谷電價之比不斷拉大，價格彈性逐漸降低，并在參與度達到90%后趨近于零。本研究假設(shè)到2030年上海市將基本建成支持有序充電的軟硬件環(huán)境，則當峰谷電價之比較低（2︰1）時，電動汽車需求響應(yīng)參與率略高于目前圣地亞哥電動汽車用戶水平達到75%，即約75%電動私家車及電動公務(wù)車用戶將響應(yīng)上述分時電價將充電負荷轉(zhuǎn)移至低谷時段；而當分時電價比進一步拉大至6︰1后，參與需求響應(yīng)的用戶比例提升至90%，與目前圣地亞哥電動汽車參與率上限相同。峰谷差變化及年度移峰電量可由下式得到：
峰谷差變化量：
式中：為峰谷差變化；CPi,f為固定電價下i小時充電電量；CPi,op為分時電價下i小時充電電量。
年度移峰電量：
式中：MEop為年度移峰電量。
則在電動汽車高速發(fā)展情景下，由電動汽車有序充電帶來的削減負荷峰谷差及新增填谷電量見表2。
表2?3類電價情景下電動汽車充電調(diào)節(jié)效益
可見，當采用2︰1分時電價后，大多數(shù)電動汽車將參與有序充電，系統(tǒng)峰谷差也從單一固定電價下的16.9GW下降至13.2GW，年度移峰電量達到42.2億kWh，平均每輛電動汽車的有效調(diào)節(jié)功率為1.8kW，有效調(diào)節(jié)電量為2050kWh（移峰電量）；而當分時電價比拉大到1︰6之后，系統(tǒng)峰谷差進一步降低0.7GW，年度移峰電量達到50.6億kWh，平均每輛電動汽車的有效調(diào)節(jié)功率2.1kW，有效調(diào)節(jié)電量為2460kWh。電動汽車有序充電首先降低了電動汽車用戶的充電成本。在單一固定電價情況下，平均每輛電動汽車每天充電電量為8.33kWh，年度充電成本為2028元/kWh。在2︰1分時電價情況下，充電量需求不變，年度充電成本下降65%至709元/kWh；在6︰1分時電價情況下，充電量需求僅為原始成本的19%，即392元/kWh。
除緩解上海市電網(wǎng)調(diào)峰壓力外，若調(diào)峰電量用于西南水電等外部清潔電力消納，則按245萬輛電動汽車每年填谷電量50.6億kWh完全用于消納外來水電計算，電動汽車有序充電將幫助上海電網(wǎng)每年減少燃煤消耗230萬t/a，減排煙塵0.2萬t、二氧化硫1.1萬t、氮氧化物1.2萬t、二氧化碳450萬t。
電動汽車有序充電還將起到降低網(wǎng)損、緩解輸電擁堵、提高供電質(zhì)量和供電可靠性等作用，開展有序充電還將帶動上海市智能充電設(shè)施、智能配電網(wǎng)等一系列能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而進一步加快當?shù)卣?、電機、電池及充電設(shè)施裝備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)投資及產(chǎn)值增速。
3、結(jié)語
本文結(jié)合上海市電動汽車及電網(wǎng)發(fā)展背景，分析了未來電動汽車充電參與電力需求響應(yīng)的潛力及經(jīng)濟性。基于上海市電動汽車用戶行為調(diào)查，本研究發(fā)現(xiàn)雖然在隨機充電的情況下，電動汽車充電高峰與電網(wǎng)原始負荷高峰并不重合，但若電動汽車數(shù)量大幅增加，充電負荷將顯著提升上海市傍晚電力負荷高峰，且全天峰谷差也將有所增加。由于電動私家車和電動公務(wù)車出行強度較低、停車時間較長，采取有序充電策略后，兩類車型將有望成為未來上海市電力系統(tǒng)重要的需求側(cè)調(diào)節(jié)資源。總之，將電動汽車納入需求響應(yīng)不僅能夠?qū)﹄妱悠囉脩簟㈦娋W(wǎng)企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，還可實現(xiàn)巨大的社會和環(huán)境效益，且從長期來看，電動汽車有序充電對提升上海市電力電網(wǎng)所帶來的“填谷”價值將高于“削峰”價值。相比于其他需求響應(yīng)資源，電動汽車通過改變充電時間參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)具備相當?shù)某杀緝?yōu)勢潛力。
