产业科技创新　Industrial Technology Innovation
76Vol.2　No.26〈经贸实践〉
基于价格型需求响应的电动汽车充电策略研究*
李婷婷，刘春静，谢明俊
(安徽信息工程学院 电气与电子工程学院，安徽　芜湖　241000)
摘要：电动汽车是一种新兴负荷，考虑到其大规模运营下充电行为的随机性，定会对配电网稳定运行的产生不利影响，因此需要对规模化电动汽车实行有效充电管理。文章基于需求响应机制，研究了电动汽车充电电价和需求之间数学模型，以负荷标准差最小为电动汽车充电控制目标，仿真表明，采用合理峰谷分时电价，可降低车主充电成本的同时减少负荷波动。
关键词：电动汽车；价格弹性；遗传算法
中图分类号：TN914　文献标识码：A　文章编号：2096-6164（2020）26-0076-03
我国电动汽车行业正蓬勃发展，大量电动汽车并入电网将给电力系统运行和规划带来负面影响，例如负
荷的峰谷差值增加，电网负荷出现局部过载现象，部分母线电压过低，线路损耗加大等，影响配电网的经济运行的同时还威胁了配电系统的电能质量、安全稳定运行等。为增加配电系统对大规模电动汽车充电负荷的接纳能力，同时能最大限度的减小无序充电负荷对配电系统的影响，则需要采取合理的方案对电动汽车充电行为进行引导和控制。
国内外研究者已经开展了关于峰谷分时电价下电动汽车充放电调度问题，分析峰谷分时电价和配电系统负荷波动状况，以车主满意度不受影响的为前提，将降低电网峰谷差为控制目标，划分电价时段，但未考虑电动汽车放电作用。研究峰谷分时电价，根据电动汽车能量的双向流动特性，向电网馈电，起到了削峰填谷的作用。研究了用户满意程度和电价的关系，提出一种基于分时电价的电动汽车多目标充电优化模型。由Monte Carlo模拟法搭建电动汽车充电负荷模型，分析电动汽车响应电价机制的随机性及负荷波动问题，仿真结果证明所研究定价策略有显著作用。研究了电动汽车充放电调度模型。考虑了不同价格水平下V2G车主响应度的变化。
1　需求响应机制下电动汽车充放电研究
需求响应指在已知电价上涨后，车主体验在不受影响的条件下，更改电动车汽车充电时间，将高峰段负荷需求转移给低谷时段，确保配电系统平稳运行。在电力系统中，通过需求响应机制，用户针对价格信号或者激励机制做出响应，可优化用电行为。需求响应可将负荷侧资源纳入传统的电力系统调度
运行中。电动汽车是需求侧资源，将电动汽车接入电力系统中，可利用V2G技术和需求响应策略，调节电动汽车负荷分布，期望实现“削峰填谷”，达到EVs与电网之间功率的双向流动。基于价格型和基于激励型是需求响应的两种主要类型，基于价格的需求响应措施主要包括分时电价、实时电价、尖峰电价。
2　电动汽车充电峰谷电价时段划分方法研究基于价格型需求响应充电策略优劣性与峰谷时段的划分及电价的制定密切相关，当前峰谷分时电价划分方法主要有：基于隶属度函数、基于因素分析法和基于供电成本的峰谷时段划分等。采用隶属度函数对峰谷时段划分是目前较通用的方法。
隶属度函数能够确定负荷点属于峰谷的隶属关系，分别采用偏小型半梯形隶属函数和采用偏大型半梯形隶属函数计算负荷点处于谷时段的隶属度和负峰时段的隶属度。若a点和b点分别为负荷曲线上的负荷最低谷点和负荷最高峰点，q(t)点为任意负荷点，则有：计算q（t）为谷时段的隶属度：
城市道路驾驶技巧
t
vt
b q
u
b a
−
=
−
计算q（t）为峰时段的隶属度：
t
pt
q a
u
b a
−
=
−
安徽某地区2019年典型日负荷曲线如图1所示，计算日负荷曲线上各点隶属度。以负荷曲线上负荷最
产业科技创新　2020，2（26）：76~78Industrial Technology Innovation
*基金项目：芜湖市重大科技研发项目（2020yf54）；省级大学生创新创业训练计划项目（201913613041）。
作者简介：李婷婷（1993- ），女，安徽阜阳人，硕士研究生，助教，主要从事电动汽车入网充电策略方面研究。
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第2卷　第26期
高点和负荷最低点为基准，根据隶属度函数分别算出谷隶属度和峰隶属度，结果见表 1。
2
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6
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成都暂时取消尾号限行12
14
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电动汽车2013价格18
20
22
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时间/h
50
60
70
80
90
100
h9长城110
电网负荷
/M W
图1　典型日负荷曲线表1　各时刻峰谷隶属度
设δ为设定参数，当某时刻的隶属度值大于δ
，表现较显著的峰谷时段特点，该时刻属于峰/谷时段；而当隶属度值小于δ，则属于平时段。本文取δ=0.7，则由表2可列出相应的时段划分结果：9：30-12：30，14：30-22：00处于高峰时段；7：00-9:30，22：00-24:00是平时段；0：00-7:00是低谷时段。
3　电动汽车价格弹性矩阵分析
理想状态下，电动汽车充电是按照电网运营商调度接入电网，考虑到电动汽车入网的不可控性且实际电网运行商调度不具有强制性，因此可采用价格型需求响应刺激电动汽车车主配合调度。价格弹性描述了价格与负荷需求之间的关系，弹性系数越大，电价的改变更容易影响负荷，即需求对电价的敏感程度越大。此外研究发现，除了本时刻电价对负荷需求产生影响，其他时间段也同样会影响负荷需求，总得来说，弹性
系数可表示如下：
(0),(0)
i i i j j j
q q ερρ∆=
∆其中(0)i q 、(0)j ρ分别表示i 时刻电动汽车充电负荷和j 时刻电价，,i j
ε是互弹性系数，指i 时电价对j 时充电负荷的影响；,i i
ε是自弹性系数，指i 时刻电价对i 时刻
需求的影响。不同时段负荷变化和电价关系可表示为：
11
11111002222
100n n n n n n
n n
q q q q q q ρρεερρεερρ
∆∆      ∆∆      =
∆∆
（
）（）（
）由以上分析可知，根据峰谷分时电价和需求弹性系数，可以得到电动汽车充电负荷需求。所提分时电价，并采用上节时段划分的结果，得到相应电动汽车充电价格：高峰段1.431元/kWh，平时段1.273元/kWh ，谷时段0.825元/kWh。并经过多次设置初始值并反复迭代，可寻优求解参数的最优值，求得
各时段EVs 充电需求价格弹性矩阵如下：
−−−=6065.03038.03215.02216.06166.03533.02305.03241.06233.0M 可从弹性矩阵可得出：（1）主对角线元素为负，非对角线元素为正，说明当某时段电价上涨，则该时段用电需求减少，并且相应的其他时段的用电需求会则会加大；
（2）主对角元素绝对值大于非对角元素绝对值，表明该时段的电价对当前时段用电需求影响最大，而其它时段电价对本时段的用电量需求影响较小；（3）采用价格弹性矩阵可以计算电价变化所带来
电动汽车用电需求的变化，在此基础上建立EVs 需求响应模型，对于合理制定电价来调控电动汽车充放电十分有必要。
由以上分析结果可知，当更改分时电价将会引起电动汽车充电需求量改变，如将高峰电价增加10%，低谷电价继续降低10%，其他条件不变，则电动汽车充电情况前后对比如图 2、图 3 所示。
时刻/h
0E V s 充电比率百分数
雪福来赛欧/%
图2　调整分时电价之前EVs 充电比率
李婷婷等：基于价格型需求响应的电动汽车充电策略研究
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时刻/h
05
10
15
20
25
E V s 充电比率百分数
/%图3　调整分时电价之后EVs 充电比率
分析图 2、图 3 结果可得到，当峰谷时段划分适当的条件下，将峰谷平相应时段电价合理调整后，电动汽车充电比率发生明显变化，实现了高峰段充电负荷向谷时段的转移，有助于实现配电系统的稳定运行，达到削峰填谷。可进一步优化峰谷分时电价，使其更符合配电系统平稳运行要求，实现电网和用户获益利目的。
4　基于遗传算法的有序充电分析
4.1　充电控制目标
目标函数为总负荷标准差最小：
2
1111
[()]
min
[()]
T
N
i
t EVi
t ave t i T
N
i t
EVi
t t i ave x P
P P T
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x P
P P T
====×+−×+=
∑∑∑∑式中T 取24；N 为电动汽车总数量；i t x 指t 时段内第i 辆电动汽车充电状态,1指在充电，0为停止充
电；EVi P 是电动汽车充电功率; t P 指其他类型负荷功
率；ave P 是日平均负荷。
约束条件：
1000≤≤i t SOC                            （1）
100)
(1
××+=+C
P x SOC SOC
EVi i t i t
i
t (C 为电池容量)  （2）
max
min j t j j U U U ≤≤
（3）4.2　算法原理
遗传算法是一种智能搜索算法，以编码的方式，作用在由数字串组成的染体，模拟出由染体构成的种在遗传过程中更新保存的最优解[10]。具体地，将问题函数编码成染体，并作为初始种，由目标函数对全部染体进行评价，取得每个染体的适应度值。选择适应度值较高的染体作为父本，经过选择、交叉、变异等运算后产生新的染体信息，多次运算最后得到满足符合优化要求的染体。
4.3　案例仿真分析
根据图2所示日负荷曲线，按照上文分析，采用遗传算法对目标函数求解，相关算法参数设置为：
交叉概率取0.6，变异概率取0.01，充电概率为3.5 kW ，电动汽车数量10 000。仿真结果如下：
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
时间/h
50
60
70
80
90
100
110
负荷/M W
图4　不同充电安排下EVs 充电分布图
从上述仿真结果可以知道，当没有任何电价刺激时，受电动汽车用户使用习惯的影响，电动汽车充电负荷密集段在17：00～21：00，该时段同样是居民用电常规负荷集中时间，电动汽车充电负荷引入，致使电网负荷波动加剧，负荷曲线引起的损耗也将增大。而经过有序充电的结果可以看出，平抑了负荷波动，将高峰负荷部分转移到低谷段，降低线路损耗，有助于配电系统稳定运行。
5　结语
文章提出一种基于价格型需求响应的峰谷电价有序充电策略，分析电价和充电需求之间关系，从模糊数学的角度考虑电价时段科学划分，进而调整电动汽车用户需求响应，达到有序充电的控制要求。考虑实际充电策略符合电网整体运行要求，将负荷标准差最小作为目标函数，经算法求解最优结果。仿真表明，本文所提价格型需求响应的充电策略，在不影响车主充电的情况下，可降低车主充电成本，降低配电系统负荷波动，减少系统网络损耗。参考文献：
[1]　孙晓明，王玮，苏粟，等. 基于分时电价的电动汽车有
序充电控制策略设计[J]. 电力系统自动化，2013，37（1）：191-195.
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[3]　崔金栋，罗文达，周念成. 基于多视角的电动汽车有序
充放电定价模型与策略研究[J]. 中国电机工程学报，2018，38（15）：4438-4450，4644.