电力市场化改革下的电动汽车用户激励补偿策略研究

基金项目：广州供电局科技项目（编号：GZHKJXM20170075）收稿日期：2020－02－18

电力市场化改革下的电动汽车用户激励补偿策略研究*

唐

渊1，刘琦颖1，张捷妮1，曲大鹏1，何奉禄2※

（1.广州供电局有限公司，广州

510620；2.广州市奔流电力科技有限公司，广州

510630）

摘要：电动汽车大规模普及的背景下，充电设施运营商在电动汽车有序充电管理中扮演着重要角。为了调动电动汽车用户参与有序充电调控管

理的积极性，实现运营商与电动汽车用户双赢，在考虑运营商盈利的情况下，建立充电站投资运营效益模型，进而提出补偿价格上限的计算方法。在此基础上，构建了基于用户响应量的补偿机制激励模型，并研究了考虑日前电价和用户充电需求的补偿策略，为运营商合理制定用户补偿策略提供参考方案。通过实例

仿真，得到了使运营商和用户在不同的设备利用率下双赢的补偿价格，可以为运营商根据实际情况选择用户补偿方案提供参考。

关键词：电动汽车；激励补偿；用户响应；补偿价格中图分类号：U469.72

文献标志码：A

文章编号：1009－9492(2020)08－0058－05

Research on Incentive Compensation Strategy for EV Users under the Reform of

Power Market

Tang Yuan 1，Liu Qiying 1，Zhang Jieni 1，Qu Dapeng 1，He Fenglu 2※

（1.Guangzhou Power Supply Bureau Co.,Ltd.,Guangzhou 510620,China;2.Guangzhou Power Electrical Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China ）

Abstract:In the context of the large-scale popularization of electric vehicles,charging facility operators play an important role in the orderly charging

management of electric vehicles.In order to mobilize the enthusiasm of electric vehicle users to participate in orderly charging regulation and management,and

to achieve a win-win situation for operators and electric vehicle users,a model of the investment and operation benefits of charging stations was established taking into account the profitability of operators,and then a method for calculating the upper limit of compensation prices was proposed.On this basis,an incentive model of compensation mechanism based on the amount of user response was constructed,and the compensation strategy considering the day-a-day electricity price and user charging demand was studied to provide a reference plan for operators to formulate user compensation strategies reasonably.Through the example simulation,the compensation price that enables the operator and the user to win-win under different equipment utilization rates was obtained,which

can provide a reference for the operator to choose the user compensation scheme according to the actual situation.Key words:electric vehicle;excitation compensation;user response;compensation price

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2020.08.018

第49卷

第08期

Vol.49No.08

机

电工程技术

MECHANICAL &ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY

唐渊，刘琦颖，张捷妮，等.电力市场化改革下的电动汽车用户激励补偿策略研究［J ］.机电工程技术，2020，49（08）：58-62.

0引言

近年来，由于绿环保、节能减排、能耗低等优点，电动汽车行业发展迅速。随着政府相关扶持政策的出台和充电设施的完善，电动汽车已实现了全国范围内的大规模推广和应用[1]。大规模的电动汽车接入电网势必会对电力系统的运行造成一定程度的影响，为应对此类问题，研究人员已做了大量的研究工作。

郭建龙等[2]在归纳充电负荷影响因素和其接入对电网系统影响的基础上，分析了充电负荷调控方法和最优经济运行的充电模型；周步祥等[3]以配电网负荷方差和上下层调度计划偏差综合最小为上层目标，以电动汽车充电时间和费用最小为下层目标，建立了计及多种充电模式的电动汽车充电站有序充电双层优化模型；苏粟等[4]提出基于用户驾驶行为特性的电动汽车有序充电策略，并根据计算车辆每次充电的充电量和局域配电网负荷曲线，对电动汽车充电行为进行调度；刘志珍等[5]根据确定性分析法和倒序递推原则，研究了一种不采集电动汽车电池荷电状态来实现小区内电动汽车有序充电的控制方法。

目前为止，关于电动汽车有序充电的理论研究主要集中在有序充电调控策略这部分[6-7]，关于用户的经济回报激励机制、用户需求响应策略等方面的研究文献还很少，甚至有些控制决策的研究忽略了用户的主观意愿[8-9]。为了深入落实有序充电调控策略，本文建立了电动汽车充电站在电力体制改革下的运营效益模型，计算了充电站让利空间和补偿价格上限，并根据用户参与响应的充电量，构建了基于用户响应量的补偿机制激励模型。

制定合理的用户激励补偿策略，可以鼓励用户根据充电补偿价格调整充电安排，提高充电设备利用率，并在现货市场下，通过购售电价差获得一定收益[10]。同时还可以通过补偿策略吸引更多用户充电，使运营商和用户双方利益最大化。

1电力市场化改革下的市场主体关系

电力市场未完全放开时，电动汽车市场中的交易主体主要有发电商、供电商（电网）、充电设施运营商（既可以是电网，也可以是其他企业）和电动汽车用户。在电动汽车快速发展的背景下，电网、运营商和用户之间已形成相互依赖、相互博弈的格局。

·58

在以往的市场模式之下，电网公司对发电厂所发的电量进行统购统销，依靠赚取购电成本和售电收入之间的差额来获利，同时在用电负荷低谷期通过电动汽车负荷接入提高机组运行效率，以及为运营商建设、运营服务充电站提供一定的技术支持；运营商作为中间商需要购售电能为电动汽车充电，并通过赚取服务差价以保证在运营周期内得到持续性盈利，保证充电站的正常运营[11]；用户则以保证能满足自身行驶的充电需求前提下，自主地选择充电时间、充电地点和充电策略。

售电侧市场放开之后，市场中加入了售电公司这一市场交易主体，承担起从发电侧购电向用电侧售电的职责。由于售电公司数目众多，可以充分调动发电侧和用户侧的市场竞争意识。新一轮电改下，市场交易主体之间的关系如图1所示。

售电侧开放竞争模式下的各主体之间可以自由进行贸易，充电站运营商或电动汽车用户可以按照自身意

愿选择从哪家售电公司买电，大用户也可以与发电方签订直购电协议；售电公司可经过多种方式从不同发电商处购买电量，销售给用户。作为电力市场竞争性销售最为重要的一部分，售电公司之间竞争的激烈程度反映了电力市场化程度的高低，可以促进降低用电侧电价，促使发电侧淘汰落后产能、提高能源利用率。电网公司从赚取购售电差价盈利的形式转变为中间服务商[12]，负责输配电网的运营维护，确保用电质量和用电安全性，同时还为电动汽车充电桩供电箱等配套设施的安装提供技术服务。

2充电站让利空间计算

充电设施运营商（以下简称“运营商”）作为充电站的投资者和管理运营者，在电力市场改革背景下，可以通过制定合理的充电策略或电价机制引导电动汽车用户的充电行为，提高用户充电满意度，吸引用户充电，从而提高充电站自身效益，使电动汽车用户和充电站均获得理想利益。

首先需要保证充电站的运营效益，计算充电站的利润空间和投资回收期，然后在充电站盈利需求的基础上，确定激励补偿价格上限，为制定合理的用户激励补偿机制奠定基础。2.1充电站投资运营效益模型

（1）投资成本构成

投资建设一座电动汽车充电站的成本C evco 主要由基础设

施成本C b 、配电设施成本C d 和运营成本C o 三大部分构成[13]。

C evco =C b +C d +C o

（1）基础设施成本C b 为：

C b =γC rland +(1-γ)C bland +C install +n c ·C ch areq +n m

·C moneq （2）

基础设施成本由土地租赁（或购置）费用C rland (C bland )、设备建设安装费用C install 、充电设备费用n c ·C ch areq 、充电监控及安全监控设备n m

·C moneq 组成。其中，γ=1为充电站选择租赁场地建设充电站，每年或每月需交纳租赁费用；γ=0为购

置充电站场地，投资前期一次性交纳场地费用；若站点地面是天然地面，则还需在土地租赁/购置费用中加上场地平整及固化费用C bland 。C ch areq 、C moneq 分别为充电设备和监控设备的单价；n c 、n m 分别为充电设备和监控设备的数量。

配电设施成本C d 为：

C d =C sub +C cabinet +C cable

（3）

配电设施成本由箱式变电站费用C sub 、用户配电柜费用C cabinet 、电缆费用C cable 组成。

运营成本C o 为：C o =C battm +C distm +n e ·C emp

（4）

充电站的运营成本由电池维护设备及维护保养费用C battm

、配电设施维护成本C distm 和站内员工费用n e ·C emp 组成。

其中，n e 为站内员工人数，C emp 为员工年工资；配电设施维护成本可按照配电成本的3%估算。

成本计算时，需计算固定资产折旧。充电设施和配电设施的设备残值率一般为5%，充电设备、监控设备和配电设备的折旧年限一般分别为6年、3年、10年，计算年度成本时需

按上述折旧年限将固定资产折旧。

（2）充电站年收入

在电改背景下，充电站运营收益I evin 一般包括购售电收益I x 、充电费收入I e 、广告收益I a 和消费合作分红I c 四个方面即：

I evin =I x +I e +I a +I c

（5）

购售电收益I x 是指大型充电站可作为电力市场大用户在合约市场和现货市场直接向发电公司购电，再制定面向用户的统一的充电电价计划，以基本电价的方式卖给用户，从中

获取一部分收益。每日的购售电收益计算方式如下：

I x =∑y =1n ∑t =1

n h s

t ,y

L t ,y -ω∑y =1n ∑t =1

n h c t ,y

L t ,y -(1-ω)∑y =1n ∑t =1

n h x t ,y L t ,y

（6）

式中：h s t ,y 、h c t ,y 、h x

t ,y 分别为第y 日t 时段的日前售电电价、

中长期合约市场购电电价和现货市场购电电价，元/(kW ·h)；n y 为该计算年总天数；n t 为每日时段总数；ω为中长期合约市场购电比例；L t ,y 为充电站在第y 日t 时段的总充电量，kW ·h ；L t ,y =∑e =1E

p t ,y ,e Δt ，p t ,y ,e 为充电站第e 个桩在t 时段的充

电功率，kW 。

充电费收入I e 主要形式是以充电服务费的方式收取，除基本电费外，电动汽车的车主在公用充电设施充电时需缴纳充电服务费，收费上限标准按当地规定执行。充电站充电费收入与该电站充电服务费和充电功率有关，每年充电费收入I e 具体计算如下：

I e =∑y =1n ∑t =1n (L t ,y ·

f z )（7）

图1

主体关系示意图

唐渊，等：电力市场化改革下的电动汽车用户激励补偿策略研究

·59

式中：L t ,y 为充电站第y 日t 时段的充电量，kW ·h ；f z 为该站点充电服务费，元/(kW ·h )。

广告收益I a 和消费合作分红I c 是充电站衍生的盈利点，

充电桩运营商可通过与广告商合作，在充电桩桩体滚动推送

广告，以获得广告收益，广告收益I a 一般与广告浏览次数有关，不同地区站点人流量不同，广告收益大小不等。除此之

外，充电桩运营商还可以和景区、游乐场或者餐饮购物地点的停车场合作，在这些区域设置公用充电桩，将用户引入消费场景，刺激其消费欲望，能在一定程度上拉动合作者收益，从而收取适当的消费合作分红，消费合作分红I c 与合作协议的具体内容有关。

（3）充电站年利润

若不考虑用户激励补偿支出，充电站的年利润G evs 即充电

站总收入I evin 减去投资成本C evco ，再加上政府环保补贴S ev 。G evs =I evin -C evco +S ev

（8）

2.2确定补偿价格上限

（1）成本充电服务费

按照上述投资成本和运营收益，可估算充电站的投资回收期T f 。本文定义成本充电服务费f c 为：在预期的投资回收期内能收回充电站建设投资成本的最低充电服务费价格。若先设定一个预期投资回收期T fs ，则可以反推算出成本充电服务费f c ：

G evs =C evco /T fs

（9）f c =éëêùûúC evco T fs +C evco -S ev -I x -I a -I c /é

ëêêùû

úú

∑y =1n y

∑t =1n

L t ,y （10）

（2）激励补偿价格上限

充电站运营商可以根据上述计算的成本充电服务费，在满足自身利益需求的同时，确定激励补偿价格上限。f z -q ≥f c

（11）

式中：f z 为该站充电服务费，元/(kW ·h )；q 为用户激励补偿价格，元/(kW ·h )；f c 为成本充电服务费，元/(kW ·h )。

根据上式可得到激励补偿价格上限为q ≤f z -f c 。3用户充电激励补偿决策研究

充电设施运营商拥有优先做出决策的动机和权利，因而充电设施运营商为上层主体；用户根据上层决策信息，响应充电价格，指导自己的充电计划，因而用户侧为下层主体。为了保证上层主体和下层主体的共同利益，上层主体需制定不同等级的激励补偿价格，刺激用户在购电低价时段充电，赚取电价差，下层主体也可以获得一定补偿，减少充电成本。3.1补偿响应机制

通过对日前售电电价详细分析后，可得到电价的价格趋势，充电站运营商可选择固定的低电价时段作为补偿时段ΔT k ，并根据补偿时段的电价高低，划分补偿时段，并设置各

时段的补偿系数βt ，非补偿时段的补偿系数βt 为0。

用户的补偿金额由用户参与的响应量来决定，只要用户在存在补偿时段内参与响应充电，都能获得补偿。本文定义用户当日补偿充电的响应量K 为：

K =∑t =1n (βt ⋅p t ⋅Δt )

（12）

式中：βt 为用户在时段t 充电的补偿系数，由运营商自行确定，并按照实际电价趋势调整，一般低电价时段的补偿系数较高，非补偿时段的βt =0，且∑t =1

n βt

=1；p t

为用户在时段t

充电的充电功率。

结合充电站实际运营情况和响应量大小，将响应量K 分级，不同等级对应的补偿价格不同，响应量越大，补偿价格越高。本文定义用户补偿金额D 为：

D =∑m =1M

[K m ⋅q m ]

（13）

式中：M 为总响应量划分的区间个数；q m 为各响应量区间的补偿价格。响应量与补偿价格的关系如图2所示。

3.2基于用户响应量的补偿机制激励模型

下层用户参与响应即可获得相应的补偿，用户参与响应的充电量越大，运营商所需支付的补偿支出增加，

进而削减充电站利润。所以上层运营商侧制定补偿价格时必须以自身充电站收益最大化为原则，用户侧以参与的响应量最大，获得的补偿最大为原则。

为使上层运营商削减的利润最小和下层用户获得的补偿最大，建立了用户激励补偿模型。上层可用充电站的投资回收期表示，下层可用补偿金额表示。3.2.1目标函数

（1）上层盈利目标

若运营商通过充电费返利的方式对用户充电行为进行补偿，考虑补偿支出后的充电站年利润G evs ′为：

G evs ′=I evin -C evco +S ev -D evz

（14）

式中：D evz 为用户补偿年支出，累加电动汽车用户的补偿金额，可计算该充电站每年补偿支出D evz =∑u =1U

D u 。U 为在该站每

年提供充电服务的总次数；D u 为用户每次充电响应后可得到的补偿金额。

充电站的投资回收期最小为：

min T fs ′=C evco /G evs ′

（15）

（2）下层响应目标

下层用户以响应后的补偿金额最大为目标：max D =∑m =1

[K m ⋅q m ]

（16）

3.2.2约束条件

（1）电池充电功率限制电池充电功率限制为：

0≤p t ≤p N

（17）

式中：p t 为电动汽车实际充电功率，kW ；p N 为电动汽车额定充电功率，kW

。

图2

响应量与补偿价格的关系

2020年08月机电工程技术第49卷第08期

·60

（2）补偿价格约束

充电站运营商在制定激励补偿价格机制时，补偿价格应当不超过计算的激励补偿价格上限，以此保证充电站盈利需求。

0≤q m≤（f z-f c）（18）（3）用户充电需求约束

用户在响应补偿策略的同时，需保证自身电动汽车的充电需求。

Soc a=Soc0+ηc∑t=1n p t E

≥Soc

exp

（19）

式中：Soc a为电动汽车离开充电站时的电池实际荷电状态；Soc exp为电动汽车用户期望通过此次充电达到的期望荷电状态；Soc0为起始荷电状态；ηc、E r为电动汽车充电效率和电池额定容量。

3.3考虑日前电价的补偿机制优化策略

充电站运营商制定用户补偿机制的具体步骤如下。

（1）分析现货市场下日前电价特点，选择较为固定的低电价时段作为补偿时段ΔT k，只有在补偿时段内充电的用户才能获得补偿，补偿金额由响应量K决定。

（2）根据补偿时段ΔT k的电价高低，进一步划分补偿时段（ΔT1,ΔT2,⋯），设置各时段的补偿系数βt；用户参与补偿机制的响应量K由补偿系数和各时段充电量决定，由式（12）计算可得到响应量K。

（3）将响应量K分级，不同等级对应不同的补偿价格q m。结合用户单次充电参与补偿机制的响应量K和各级补偿价格q m，通过式（13）计算可得到此次充电可获得的补偿金额D。

制定合理的用户补偿机制，需要确定不同响应量对应的补偿价格大小，本文采用多目标遗传算法确定各级补偿价格，具体求解流程如图3所示。

4仿真实例

4.1参数及场景设置

以某地区的公共充电站为例进行充电场景模拟，分析充

电站投资成本及运营收益，制定用户充电激励补偿策略。充电站配置15台40kW交流充电桩，n t=3；γ=1；n c=40；n e=1；n m=2；n y=365；n t=24；ηc=0.9；f z=0.6元/（kW·h）。本案例不考虑充电站的广告收益和消费合作分红，I a=0，I c=0。

从2019年5月起，广东电力现货市场开始试点运行并进行现货市场预结算，本文选取2019年5月15日、5月16日、6月20日、6月21日、6月22日、6月23日6天现货市场日前电价的平均值作为日前售电电价h s t,y，6天实时电价的平均值作为现货市场购电电价h x t,y，具体值如表1所示。

汽车政策4.2算例结果及分析

按照充电站运营效益模型来计算投资成本。目前许多充电站是由电网公司或者企业与政府联合建设，土地购置或租赁费用较低，则假设建设充电站的土地租赁单价为180元/平/年，15个车位的占地面积约为240m2，土地租赁费用为4.32万元/年。充电设施和配电设施的设备残值率为5%，充电设备、监控设备和配电设备的折旧年限分别为6年、3年、15年，将固定资产折旧，得到年度成本，投资成本的具体计算结果如表2

所示。

图3补偿价格求解流程图

日前

实时

日前

实时

日前

实时