一种参与电网电量调配的电动汽车调配激励方法与流程

本发明涉及电力系统的电量调配，具体涉及一种参与电网电量调配的电动汽车调配激励方法。

背景技术：

1、随着电动汽车(electric vehicle,ev)的高速发展，在聚合商的调控下，电动汽车可作为分布式储能资源参与能量-调频市场。但用户充电需求具有不确定性，且伴随着汽车快充技术的发展，在充电的高峰期对电网的负荷冲击较大，而在充电的低谷期，则往往存在着较大的电力资源浪费，为了保证电网的平稳运行，有必要进行削峰填谷，其中利用不同电动汽车在不同时间段的充放电需求，就能够有效熨平电网负荷的波动，但现有研究缺少鼓励电动汽车主动参与充放电双向互动调频的激励机制，未对电动汽车充电放行为在能量-调频市场中多阶段交互影响进行综合考虑，导致无法准确评估聚合商参与电力市场的收益；所以有必要设计出一种新的方案来满足实际的电网运行需求。

技术实现思路

1、本发明有鉴于此，提出了一种参与电网电量调配的电动汽车调配激励方法，其能够考虑多阶段时序交互的多品种收益优化模型，在保障用户充电需求的基础上，有效提升了聚合商参与能量-调频市场的收益。

2、一种参与电网电量调配的电动汽车调配激励方法，其包括以下步骤：

3、s1：基于充电行为特征的统计数据，建立单体电动汽车的功率及能量响应边界；

4、s2：结合用户的自身偏好、电池损耗提出集群的充放电激励机制，并根据蒙特卡洛模拟各个单体电动汽车充放电约束，建立电动汽车集群的功率及能量响应边界约束；

5、s3：基于电动汽车充放电调节控制的时序性和多阶段市场的调频需求，建立考虑多阶段时序交互的多品种收益优化模型，提升了聚合商参与能量-调频市场的收益。

6、步骤s1具体包括以下步骤：

7、考虑了单体电动汽车用户的车型、充电需求、充电初始的电量状态(state ofcharge,soc)、自身偏好及电池损耗，分析单体电动汽车响应聚合商充电控制和放电控制的差异性，并基于充电行为特征的统计数据，进而建立单体电动汽车的功率及能量响应边界。

8、s1.1：首先，聚合商调控电动汽车参与能量-调频市场，其关键在于确定电动汽车的充电时刻、在站充电时长以及充电初始电量状态，从而确定各电动汽车的充电状态。充电状态根据拟合各类电动汽车在各时刻的充电需求占比和各类型电动汽车的充电初始电量状态占比得到，对于各类车型而言，在凌晨的充电需求都比较低，充电初始电量状态都集中在30％到60％之间，而在其它时间里，私家车上下班时间的充电需求比较高，出租车在中午时段充电需求较高，其它类型车辆在白天时段需求较均衡。

9、s1.2：电动汽车在接入能量市场后，可根据各电动汽车的功率传输方向将电动汽车的响应模式可分为3种，它们的定义如下：

10、(1)充电模式(charging mode,cm)：电动汽车以实时充电功率吸收电能；

11、(2)空闲模式(idle mode,im)：电动汽车无功率的传输；

12、(3)放电模式(discharging mode,dm)：电动汽车以实时放电功率放出电能。

13、3种响应模式对电动汽车的电量状态的变化有直接的影响，使得各电动汽车的电量状态变化如(1)式所示：

14、

15、式中：si(t)为第i辆电动汽车在t时刻的电量状态；

16、pc,i(t)和pd,i(t)分别为第i辆电动汽车在t时刻的充电功率和放电功率；

17、δt为研究时间间隔；δti为第i名用户在δt时间内的充电时长；

18、ηc和ηd分别为电动汽车的充电效率和放电效率；

19、iev,i(t)为第i辆电动汽车所处响应模式的状态。

20、单体电动汽车在充电时段[t0,tend]内的充电剩余电量运行边界如式(2)所示，功率运行边界如式(3)所示：

21、

22、式中：和分别为第i辆ev在t时刻的soc上限和下限；

23、

24、式中：和为第i辆ev在t时刻的充电功率上下限。

25、电动汽车聚合商通过控制电动汽车的充放电时段和充放电功率来响应电力市场的调频，假设单体电动汽车充电时段为[t0,tend]，则其充电剩余电量和功率的运行区域按如下构造；

26、s0为电动汽车开始充电的初始电量状态；

27、c为电动汽车的电池容量；

28、sneed为电动汽车结束充电的需求电量状态；

29、smin为防止过度放电的最低电量状态；

30、pc，max为最大充电功率；

31、pd，max为最大放电功率；

32、s+/(-)分别为电动汽车各个时刻的剩余电量的上下限；

33、p+/(-)分别为电动汽车各个时刻的充放电功率上下限；

34、s'和p'分别代表电动汽车在充电过程中电量状态和充电功率的具体实例。

35、公式(2)中的‘a→b→c’为运行区域的上限，表示该电动汽车用户到站即充电，直至充满，随后一直处于im状态到充电结束；

36、公式(2)中‘a→g→f→d’为运行区域的下限，表示该电动汽车用户到站即放电，直至放电至阈值smin，随后一直处于im到f点，保证用户结束充电前完成充电需求。

37、步骤s2具体包括以下步骤：

38、结合用户的自身偏好、电池损耗提出集群的充放电激励机制并根据蒙特卡洛模拟各个单体电动汽车充放电约束，以此建立电动汽车集群的功率及能量响应边界约束并根据充放电激励机制确定充电激励电价和放电补贴电价，以有效评估电动汽车用户的主动调控参与度。

39、s2.1：在日前能量市场，电动汽车聚合商得知各个时刻的日前电价，并在日前电价的引导下制定次日的充电计划功率。在实时能量市场，聚合商根据自身的收益边际在每个时刻制定充电电价。激励折扣优惠是促进电动汽车参与调控的有效措施，本方案以能量市场发布电价与聚合商发布电价的差值作为激励折扣优惠，并将该折扣优惠称为充电激励电价。当电动汽车具有充电需求时，车主可以通过了解当前聚合商发布的充电激励电价δrcs(t)来决定是否响应充电激励机制(charging incentive mechanism,cim)。若电动汽车响应充电激励机制，电动汽车会享受聚合商发布的充电电价和智能充电服务，聚合商将在电动汽车的充电期间安排电动汽车的充电过程，通过控制电动汽车的充电来提供调频和能量服务获取利益。若电动汽车未响应充电激励机制，这意味着电动汽车对聚合商发布的充电激励电价不敏感，电动汽车不受聚合商的调控去充电，由其自行接入能量市场充电，直至电量状态达到用户需求电量。

40、s2.2：相比于响应充电激励机制而言，电动汽车用户通常对放电激励机制(discharge incentive mechanism,dim)的偏好较低，原因包括放电引起的额外电池损耗。为了鼓励电动汽车参与放电，聚合商需要对电动汽车放电偏好进行市场调查，并制定放电激励价格，以吸引电动汽车用户参与放电。此外，为弥补电动汽车放电对电池寿命的损耗，聚合商还需要提供额外的放电补偿。

41、s2.3:考虑了充电激励机制和放电激励机制，单体电动汽车的功率运行约束。

42、s2.4:根据蒙特卡洛模拟对每辆单体电动汽车的响应边界进行采样，获取电动汽车集群的能量和功率上、下边界。

43、具体地，在步骤s2.1中；

44、对于电动汽车集群而言，响应充电激励机制的电动汽车所占比例如式(4)所示：

45、ρcim＝fcim(δrcs(t))    (4)

46、式中：函数fcim(·)用于计算集群中电动汽车响应充电激励机制的所占比例；δrcs(t)为电动汽车聚合商在t时刻发布的充电激励电价，其作为激励电动汽车响应充电激励机制的鼓励价格。

47、假设第i辆单体电动汽车充电时段为[ti,0,ti,end]，考虑电动汽车响应充电激励机制，电动汽车聚合商可在电动汽车充电期间的调控时段如式(5)所示：

48、

49、式中：[ti,0,ti,1]为第i辆单体电动汽车响应充电激励机制的可调控时段；为第i辆电动汽车响应充电激励机制，否则为0。

50、具体地，在步骤s2.2中；

51、电池的损耗包括环境温度、充放电速率、放电深度以及循环次数。其中，若装有锂电池的电动汽车工作在常温环境下，且充放电平均功率不高，环境温度和充放电速率的影响忽略不计。因此，本方案考虑锂离子电池的放电深度与循环次数对其损耗的影响。锂离子电池在正常情况下放电深度与循环次数的关系如式(6)所示，从而可推算出在电池寿命期限内，在放电深度d下的总充放电能量可以由式(7)估计。

52、fn(d)＝2151·d-2.301,d∈[0,0.9]    (6)

53、式中：d为放电深度；函数fn(·)用于计算某一放电深度下的电池循环次数。

54、g(d)＝2·c·d·fn(d)    (7)

55、式中：g(d)为电动汽车在放电深度d下的总充放电能量。

56、在实际应用中，电动汽车电池并不总以相同的放电深度进行充电或放电。为了评价电池放电的劣化成本，根据式(8)计算出不同d值下总充放电能量的平均值。每单位放电能量时的额外电池损耗成本的计算如式(9)所示。

57、

58、式中：为不同放电深度下总充放电能量的平均值；dj为某一特定放电深度值；nd为所取放电深度值的个数。

59、

60、式中：r0为单位放电能量时的电池损耗成本；rc为电池购买成本。

61、根据式(10)计算出电动汽车聚合商给予的放电补贴价格，电动汽车用户可根据自身偏好选择是否响应放电激励机制。若电动汽车响应放电激励机制，电动汽车会享受聚合商的智能放电服务并获得放电补贴，聚合商将在电动汽车的充电期间安排电动汽车的放电过程，通过控制电动汽车的充放电来提供调频和能量服务获取利益。若电动汽车不响应放电激励机制，这意味着电动汽车对放电补贴价格不敏感，电动汽车并不受聚合商的调控去放电。考虑到电动汽车用户响应放电激励机制的意愿不同，基于调查数据利用式(11)推算出电动汽车响应放电激励机制的所占比例。

62、rds＝r1+∑(r0)    (10)

63、式中：rds为放电补贴价格；∑(r0)为电动汽车在整个充电期间的放电电池损耗补偿；r1为电动汽车聚合商在日前确定的放电激励价格，其作为吸引电动汽车响应dim的鼓励价格。

64、ρdim＝fdim(rds)    (11)

65、式中：函数fcim(·)用于计算集群中电动汽车响应放电激励机制的所占比例。

66、充电激励机制可以帮助电动汽车用户节省充电成本,而放电激励机制可以帮助电动汽车用户实现额外的收益。电动汽车用户响应充电激励机制的目的是为了实现经济利益，所以他们也愿意参与放电激励机制。因此，如果ρcim≥ρdim，那么可在响应充电激励机制的电动汽车中随机选择出响应放电激励机制的电动汽车；如果ρcim＜ρdim，所有响应充电激励机制的电动汽车可全部认为响应放电激励机制，其余的电动汽车可从响应充电激励电动汽车中随机抽取。考虑电动汽车响应放电激励机制，电动汽车聚合商可在电动汽车充电期间的调控时段如式(12)所示：

67、

68、式中：[ti,0,ti,2]为第i辆单体电动汽车响应放电激励机制的可调控时段；τi＝1为第i辆电动汽车响应放电激励机制，否则τi为0；υi为和τi的最大值，υi＝1为第i辆电动汽车响应了充电激励机制或者放电激励机制，否则υi为0。

69、s2.3:考虑了充电激励机制和放电激励机制，单体电动汽车的功率运行约束如式(13)所示：

70、

71、式中：ξi(t)为二进制变量用于控制第i辆车不能同时满足充电和放电，若ξi(t)＝1为第i辆车在t时刻充电，否则为放电。

72、单体电动汽车的能量运行约束如式(14)所示：

73、

74、s2.4的具体步骤如下：

75、s2.4.1将一天的时间分为不同的研究时段，根据式(4)和式(11)推算电动汽车响应充电激励机制的比例ρcim和响应放电激励机制的比例ρdim；

76、s2.4.2以蒙特卡洛抽样的方式生成单体电动汽车的车型、在站充电时长以及充电起始soc；

77、s2.4.3以构建随机数方式，将随机数与ρcim和ρdim对比确定电动汽车是否响应充电激励机制和放电激励机制，从而确定二进制变量τi和υi；

78、s2.4.4根据式(13)和式(14)获取单体电动汽车的能量和功率运行的上、下边界；

79、s2.4.5对步骤s2.4.2至s2.4.4行反复抽样，根据式(15)计算出电动汽车集群能量与功率运行的上、下边界。

80、

81、式中：e+(t)和e-(t)分别表示ev集群在t时刻的能量上、下边界；ni为电动汽车聚合商可调控的电动汽车数量；p+(t)和p-(t)分别表示ev集群在t时刻的功率上、下边界。

82、步骤s3具体包括以下步骤：

83、s3.1：聚合商调控电动汽车的充电过程参与多阶段、多品种市场，从而获取运营收益，运营收益包括以下几个方面：

84、(1)日前能量市场购买的充电费用；

85、(2)实时调频购买的调频功率费用；

86、(3)参与调频的容量和里程收益；

87、(4)调控电动汽车集群的充电收益与补贴费用。

88、s3.2：电动汽车聚合商可以利用其大规模的电动汽车电池储能系统作为可调节负荷，参与到能量-调频市场中，从而获得多重收益，以聚合商参与能量-调频市场获取最大为目标。

89、s3.1.1：当电动汽车聚合商参与日前能量市场时，需要根据市场电价制定电动汽车的充电计划，以便在第二天对电动汽车进行充电。在确定充电计划后，聚合商需要根据充电计划的需求购买相应的电量，因此，其在日前市场的充电费用可以用式(16)表示：

90、

91、式中：f1为电动汽车聚合商在日前能量市场的充电费用；rchr(k)为日前能量市场在k时段的电价；pchr(k)为聚合商在k时段制定的充电计划功率；k为整个研究周期；δk为时段间隔。

92、电动汽车聚合商参与实时调频引起充电功率的变化，从而获得的调频功率费用如式(17)所示：

93、

94、式中：f2为电动汽车聚合商在实时响应调频的功率费用；rrt(k)为实时能量市场在k时段的电价；pup(k)和pdn(k)分别为聚合商在k时段的向上、向下调频功率。

95、s3.1.2：电动汽车聚合商在调频市场中，通过向上或向下调频响应调频信号的变化，从而获得来自于市场对调频的补偿收益。其中，补偿收益包括容量收益和里程收益。在pjm市场中，上调容量与下调容量对称相等，聚合商参与调频市场的容量收益如式(18)所示：

96、

97、式中：f3为电动汽车聚合商的调频容量收益；rrc(k)为在k时段的调频容量电价；prc(k)为聚合商在k时段的调频容量；λ为性能得分。

98、电动汽车聚合商通过调节电动汽车的充放电功率去响应调频信号的变化，根据式(19)可计算出电动汽车在参与调频辅助服务过程中的调频出力里程，聚合商参与调频市场的里程收益如式(20)所示。

99、

100、式中：mup(k)和mdn(k)分别是电动汽车集群在k时段内的向上和向下调频出力里程；nm为k时段内的信号的时间间隔数；a(j,t)为调频市场在t时刻发布的调频指示信号，a(j,t)∈[-1,1]，t∈k，j∈nm。

101、

102、式中：f4为聚合商的调频里程收益；rm(k)为k时段内的调频里程电价。

103、电动汽车集群因响应充电激励机制和放电激励机制提供调频和能量服务，聚合商获取电动汽车集群所给予的充电收益，并反馈给电动汽车集群的放电补贴，聚合商给予电动汽车集群的充电收益与补贴费用如式(21)所示：

104、

105、式中：f5为聚合商的充电收益与补贴费用；p(k)为灵活电动汽车响应激励的净功率；p0(k)为非灵活电动汽车的净功率；peva(k)为电动汽车聚合商响应的净功率；rcs(k)为电动汽车聚合商在k时段发布的充电电价；δrcs(k)为电动汽车聚合商在k时段激励用户的充电激励电价。

106、在f5中，第一项为聚合商给予参与放电激励电动汽车的放电补贴费用，第二项为聚合商给予参与充电激励电动汽车的充电激励费用，第三项为电动汽车集群给予聚合商的充电费用。

107、s3.2：电动汽车聚合商可以利用其大规模的电动汽车电池储能系统作为可调节负荷，参与到能量-调频市场中，从而获得多重收益，以聚合商参与能量-调频市场获取最大为目标，目标函数如式(22)所示：

108、max f＝-f1-f2+f3+f4+f5    (22)

109、电动汽车聚合商在各个时段确定的充电计划功率以及响应信号后的净能量不得低于能量下边界，不得高于能量上边界：

110、

111、式中：e+/(-)(k)为电动汽车集群在t时段的能量上、下边界。

112、电动汽车聚合商通过调节功率去响应调频信号的变化，因此，聚合商响应的净功率在各个时段不得低于该时段的最高放电功率，不得高于该时段的最高充电功率：

113、p-(k)≤p(k)≤p+(k)    (24)

114、式中：p+/(-)(k)为电动汽车集群在k时段的功率上、下边界。

115、上调容量和下调容量均为正数：

116、

117、3.有益效果：

118、(1)本发明中考虑了电动汽车响应聚合商充电控制和放电控制的差异性，结合用户自身偏好、电池损耗，建立充放电激励机制，以有效评估电动汽车用户参与调频的激励成本和电动汽车用户的主动调控参与度。

119、(2)本发明在获得的电动汽车用户的主动调控参与度上，考虑了电动汽车充放电调节控制的时序性和多阶段市场的调频需求，建立了能量-调频市场的电动汽车聚合商多阶段优化运营模型，优化多品种电力市场中的经济效益，帮助聚合商确定各阶段计划的充电功率和上报的调频容量。

120、(3)本发明通过对其收益结果进行比较，使电动汽车聚合商在不仅在保障电动汽车充电需求的前提下，实现聚合商参与调频市场获取最大化的运营收益。