考慮負(fù)荷分布均衡的電動汽車充電定價(jià)策略與優(yōu)化應(yīng)用

安科瑞 劉邁

　　摘要：在環(huán)境污染加劇與能源危機(jī)凸顯的背景下，電動汽車憑借低排放、低噪音等顯著優(yōu)勢，市場滲透率持續(xù)攀升。然而，電動汽車大規(guī)模無序接入電網(wǎng)充電，尤其在居民生活用電高峰時(shí)段集中充電，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如負(fù)荷峰值超限、供需平衡失調(diào)及電壓穩(wěn)定性受損等。本文聚焦此問題，構(gòu)建以 “削峰填谷" 為核心目標(biāo)的住宅區(qū)內(nèi)電動汽車充電電費(fèi)定價(jià)雙層規(guī)劃模型。下層模型基于個(gè)人用戶視角，追求充電電費(fèi)zui小化，精準(zhǔn)確定充電負(fù)荷；上層模型從電網(wǎng)整體考量，聚焦負(fù)荷時(shí)間分布均衡，求解快、慢充分時(shí)電價(jià)，借助價(jià)格杠桿引導(dǎo)居民錯(cuò)峰充電，算例驗(yàn)證該策略使電網(wǎng)供電穩(wěn)定性提升 57.66%，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶雙贏提供創(chuàng)新思路與有效路徑。

　　關(guān)鍵詞：電動汽車；分時(shí)電價(jià)；雙層規(guī)劃模型；削峰填谷

　　一、引言

　　傳統(tǒng)化石能源漸趨枯竭，環(huán)境污染惡化，電動汽車作為新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵力量，因其低污染、高能源轉(zhuǎn)換效率獲政策強(qiáng)力扶持，技術(shù)進(jìn)步與成本優(yōu)勢推動其shichang份額穩(wěn)步上揚(yáng)，有望逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車。但電動汽車無序充電致電網(wǎng)負(fù)荷激增，威脅電網(wǎng)穩(wěn)定，有序充電與合理定價(jià)策略成為研究熱點(diǎn)。本文立足價(jià)格維度，兼顧電網(wǎng)運(yùn)營與用戶利益，以價(jià)格信號優(yōu)化用戶充電行為，護(hù)航電網(wǎng)穩(wěn)健運(yùn)行。

　　二、問題背景

　　2.1 問題剖析

　　通勤族為主的電動汽車用戶多在住宅區(qū)充電，下班后用電高峰時(shí)段集中充電，使充電負(fù)荷與居民生活用電負(fù)荷高峰疊加，加劇電網(wǎng)供需矛盾，影響供電可靠性與電能質(zhì)量，威脅電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施安全，甚至引發(fā)大面積停電事故，危及居民生活與社會經(jīng)濟(jì)秩序，凸顯優(yōu)化充電策略緊迫性。

　　2.2 問題假設(shè)

　　為簡化復(fù)雜現(xiàn)實(shí)場景，特作如下合理假設(shè)：

　　住宅區(qū)充電樁 “一車一樁"，用戶依電價(jià)獨(dú)立決策充電時(shí)段與方式，無相互干擾。

　　用戶充電需求電量在停車時(shí)長內(nèi)可滿足，不超充電樁供電能力。

　　分時(shí)電價(jià)實(shí)施前，用戶歸家即啟動慢充，充電行為單一且集中。

　　固定充電方式下，電動汽車電池電量隨時(shí)間線性變化，便于建模分析。

　　三、模型構(gòu)建

　　電網(wǎng)總負(fù)荷涵蓋電動汽車充電負(fù)荷與小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷，前者受各車充電方案左右，而充電方案又取決于充電電價(jià)，三者相互關(guān)聯(lián)、動態(tài)影響，形成閉環(huán)反饋機(jī)制，是模型構(gòu)建關(guān)鍵邏輯鏈。

　　3.1 下層模型

　　以小時(shí)為粒度細(xì)分一天為 24 時(shí)段（t = 1, 2, …, 24），聚焦小區(qū)電動汽車用戶。設(shè)電動汽車集合 N = {1, 2, …, k}，車 n 可充電時(shí)段始于歸家時(shí)刻 shn，終于離家時(shí)刻 ehn，依用戶出行規(guī)律與充電需求電量 Q 規(guī)劃各時(shí)段充電方案。目標(biāo)函數(shù)為車 n 充電成本zui小化，即各時(shí)段不同充電方式電量與對應(yīng)電價(jià)乘積之和zui小，輸出zuiyou充電策略，兼顧用戶經(jīng)濟(jì)成本與充電需求滿足度，提升用戶參與錯(cuò)峰積極性。

　　3.2 上層模型

　　聚焦小區(qū)電網(wǎng)全局，綜合考量居民生活基礎(chǔ)負(fù)荷與電動汽車充電負(fù)荷交互影響，權(quán)衡電網(wǎng)波動平抑與用戶電費(fèi)合理波動。目標(biāo)為zui小化 24 時(shí)段總負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差與電價(jià)調(diào)整前后用戶充電總費(fèi)用變化，求解各時(shí)段快、慢充分時(shí)電價(jià)，協(xié)調(diào)電網(wǎng)穩(wěn)定性與用戶經(jīng)濟(jì)承受力，保障電力供應(yīng)商合理收益，維護(hù)電力市場健康可持續(xù)發(fā)展生態(tài)。

　　在摘要中加入電動汽車無序充電的危害推薦一些考慮負(fù)荷分布均衡的電動汽車充電定價(jià)策略與應(yīng)用的論文電動汽車充電定價(jià)策略的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

　　四、 應(yīng)用方案

圖1 有序充電管理系統(tǒng)示意圖

圖2平臺結(jié)構(gòu)圖

　　充電運(yùn)營管理平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊(duì)等待的情況，同時(shí)也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過平臺可對充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對充電樁的功率進(jìn)行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對電網(wǎng)造成過大的負(fù)荷。

　　五、安科瑞充電樁云平臺具體的功能

　　平臺除了對充電樁的監(jiān)控外，還對充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)營成本，平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 充電樁運(yùn)營管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

　　大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計(jì)、使用率排行、運(yùn)營統(tǒng)計(jì)圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

　　圖4 大屏展示界面

　　站點(diǎn)監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖5 站點(diǎn)監(jiān)控界面

　　設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實(shí)時(shí)曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖6 設(shè)備監(jiān)控界面

　　運(yùn)營趨勢統(tǒng)計(jì)：顯示運(yùn)營信息查詢、站點(diǎn)對比曲線、日月年報(bào)表、站點(diǎn)對比列表等功能。

圖7 運(yùn)營趨勢界面

　　收益查詢：提供收益匯總、實(shí)際收益報(bào)表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖8 收益查詢界面

　　故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢分析、故障類型餅圖等功能。

圖9 故障分析界面

　　訂單記錄：提供實(shí)時(shí)/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導(dǎo)出、運(yùn)營商應(yīng)收信息、充電明細(xì)、交易流水查詢、充值余額明細(xì)等功能。

圖10 訂單查詢界面

　　六、產(chǎn)品選型

　　安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營管理的市場需求。實(shí)現(xiàn)對動力電池快速、高效、安全、合理的電量補(bǔ)給，同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性，具有有智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護(hù)的功能；智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能；云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等；遠(yuǎn)程升級：具備完善的通訊功能，可遠(yuǎn)程對設(shè)備軟件進(jìn)行升級；保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能；適配車型：滿足國標(biāo)充電接口，適配所有符合國標(biāo)的電動汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號和技術(shù)參數(shù)。

　　七、現(xiàn)場圖片

　　八、結(jié)論

　　針對住宅區(qū)內(nèi)大規(guī)模電動汽車無序接人電網(wǎng)的現(xiàn)象建立雙層規(guī)劃模型，為一天24個(gè)時(shí)段分別制定不同的電價(jià),下層模型利用上層得到的分時(shí)電價(jià),引導(dǎo)每名電動汽車用戶錯(cuò)峰充電,保證所有用戶充電費(fèi)用最小化,將下層模型得到的充電負(fù)荷輸人上層優(yōu)化分時(shí)電價(jià),逐漸平抑電網(wǎng)波動，“削峰填谷"保證電網(wǎng)安全。

　　1)優(yōu)化模型不但大大減小了電網(wǎng)負(fù)荷波動,供電穩(wěn)定性提高 57.66%,也一定程度降低了用戶的充電費(fèi)用,電動汽車的充電時(shí)長平均減少 29.17%。

　　2)該模型在優(yōu)化適用時(shí)間上沒有限制,也可適用于周末節(jié)假日時(shí)期。

　　3)電動汽車用戶的歸家、離家時(shí)間具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,以后還應(yīng)考慮這一因素,加強(qiáng)模型的魯棒性;另外小區(qū)電動汽車充電樁數(shù)量有限,本文考慮的是所有電動汽車“一車一樁"的情況,未來還可以進(jìn)一步分析共享充電樁下的電動汽車充電定價(jià)策略。