电动汽车参与V2G的最优峰谷电价研究

施在必要时向电网放电[1]， 可为电网运行提供调峰、 调频等服务[1-4]。通过 V2G 技术可为电网和用户创 造效益，并可与风力和太阳能发电配合提高电网消 纳间歇性新能源发电的能力[5]， 因而 V2G 技术在近 些年受到了广泛关注和深入研究[6-7]。 V2G 的实施需技术和市场两大层面的支撑。 技 术层面主要包括：1）双向充放电装置：如对其优 化的调制策略 [8] ，高效的家用变流器的设计与实 现[9]；2）通讯系统：如 V2G 通信协议的构建[10]， 基于 V2G 智能计量网络的 IP 地址通信架构的实 现[11]； 3） 充电放电控制策略： 如电动汽车参与 V2G 的实际调度算法 [12] ， V2G 与机组组合的联合优 化[13]；4）电池损耗分析[14]等。市场层面主要包括： 1） V2G 的经济性评估： 如在美国的 NYISO、 CAISO、 ERCOT 及 PJM 4 个不同电力市场环境下，对电动 汽车参与 V2G 调频服务的成本和效益的分析[15]， 对电动汽车作为储能装置参与 V2G 调峰的套利分 析[16]，对不同类型电动汽车参与 V2G 削峰填谷的 成本收益分析[17]；2）运营管理方法：如基于动态 规划算法的 V2G 运营商管理电动汽车有序充放电 的模式[19]，电动汽车智能能源管理体系的设计[20]； 3）职能部门政策：如美国特拉华州政府于 2009 年 出台的关于 V2G 的法律条文[21]，对 V2G 发展和投 资的关键政策建议[22]；4）市场机制：如基于电动 汽车用户与中间运营商的博弈关系建立的 V2G 调 频服务定价政策[23]，V2G 备用服务的交易模式[24] 等。V2G 技术的应用潜力巨大，但其推广仍存在较 大的困难。文献[25]分析了 V2G 对电力系统、交通 系统和车辆用户的潜在效益，同时也探讨了非技术 因素对实现 V2G 形成的壁垒。 目前对于 V2G 技术的研究中， 一般不考虑 V2G
年固定成本主要包括 V2G 的年建设成本、运营成 本和维护成本。其中建设成本主要包括安装充放电 装置、双向电能计量装置、控制系统成本等。可变 成本 VCyear 由下式计算： VCyear ( pc ce ) Eyear (2)

T year Dyear td Pd N s
M p j j
j 1 m
该上限实际考虑了对用户 V2G 成本的完全补偿和
pd max min{ psales , pr }
1.3 电动汽车用户的充电价格弹性
(11)
xi i i
m
pi
, i 1, 2, , m
(17)
电动汽车用户充电价格弹性 Ec， 指充电电价变 动时，Hale Waihona Puke 户对充电的需求量相应变动的灵敏度：
0 引言
V2G(vehicle-to-grid)指电动汽车通过充放电设
基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划)(2011AA05A110)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2011AA05A110).
(9)
考虑到 V2G 的成本电价为 cd， 由此得电动汽车 V2G 放电电价的另一个上限为
第 31 期
项顶等：电动汽车参与 V2G 的最优峰谷电价研究
17
pr cd
效益的返还。综合 2 种上限，从而得到
(10)
式中 M 为消费者总预算支出。求解拉格朗日方程， 得消费者对商品 i 的需求函数：

折算成单位电量成本的价格 cf ，得电动汽车参与
V2G 放电电价的下限值： pd min cd c f 1.2.2
放电电价上限
pc cLL c d
(6)
1 V2G 峰谷电价的定价
1.1 电动汽车的充电电价 由于电动汽车的充电功率较普通的家用电器 功率大，一般需要专门的充电设施。对充电设施运 营商而言， 电动汽车充电电价 pc 宜按工商业用电进 行定价。 1.2 1.2.1 电动汽车的放电电价 放电电价下限 电动汽车参与 V2G， 其合理的充放电行为能够 为电网节省投资和运营成本，应当确定合理的放电 电价(pd)给予补偿。以下基于成本效益分析确定 pd 的下限 pdmin 和上限 pdmax。 设 V2G 的年成本为 TCyear，其中固定成本为 FCyear，可变成本为 VCyear，则有 TCyear FCyear VCyear (1)
式中： pc 为电动汽车的充电电价； ce 为 V2G 削峰填 谷的单位电能成本；Eyear 为年放电电量。ce 由下式 计算：
ce cEL cLL
(3)
式中：cEL 为电动汽车充放电过程中的电能损失成 本；cLL 为充放电过程中的电池寿命损耗折算成本 (元/(kWh))。其中，cEL 由下式计算：
16
中
国
电
机
工
程
学
报
第 33 卷
的主要 参与 者—— 电动 汽车用 户是 否愿意 参与 V2G 的问题。而已提出的 V2G 商业运营方案大多 需要电动汽车接受电网或运营商的调控。美国特拉 华大学 Kempton 教授是 V2G 技术研究的先驱，其 研究团队经过调研和分析，认为 V2G 理论上的最 优控制策略在实际中很难被用户接受[26]。 实现 V2G 的另一种方式是通过制定合理的充 放电价格引导用户的充放电行为。在该模式下用户 不需被动接受电网的调控，避免了 V2G 一般商业 模式对车主车辆支配权的制约。 目前国内外对 V2G 电价引导机制的研究还较少。国内方面，文献[27] 对电动汽车放电的定价进行了分析，文献[28]研究 了不同价格策略下 V2G 参与者响应度的变化。国 外方面，有研究电动汽车电池放电成本核算问题的 文献发表[15-16]，但是尚未见对 V2G 电价引导机制 研究的文献。 我国尚未实施基于竞争模式的电力市场，本文 针对 V2G 的削峰填谷作用，提出一种在我国电价 体制下确定电动汽车参与 V2G 的最优峰谷电价的 方法。以京津唐电网为算例，对未来电动汽车参与 V2G 的峰谷电价进行了仿真计算和分析。
(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China) ABSTRACT: Vehicle-to-grid (V2G) market mechanism is an important foundation for V2G implementation. Based on analyses of EVs’ discharging costs and V2G benefit, the upper and lower limits of the EVs discharging price are given. The Poisson distribution features of the EVs users’ initial charging/discharging time are considered. Discharging demand function of EV owners is proposed based on economic theory. An optimal formulation of peak-valley TOU (time of use) tariff is proposed to minimize load fluctuations under the constraints of EV charging/discharging time and energy demand. Simulations are carried out on the Beijing-Tianjin-Tangshan power grid and the optimal peak-valley charging/discharging prices along with the time ranges are obtained, which validates effectiveness of the proposed method. KEY WORDS: electric vehicle; vehicle-to-grid (V2G); peak-valley TOU (time of use) tariff; Poisson distribution; discharging demand function 摘要：电动汽车与电网互动(vehicle-to-grid，V2G)的市场机 制是 V2G 实施的重要基础。在分析电动汽车放电成本和效 益的基础上， 给出了电动汽车放电电价定价的上下限。 考虑 了用户起始充放电时刻的 Poisson 分布特性，基于经济学理 论提出了电动汽车放电需求函数。 建立了以电网总负荷波动 最小为目标， 以满足用户充放电时间、 充放电需求等为约束 条件的电动汽车与电网互动的最优峰谷电价模型。 以京津唐 电网为例， 得到了电动汽车充放电的最优峰谷电价和对应时 段，验证了所提方法的有效性。 关键词： 电动汽车； 电动汽车与电网互动； 峰谷电价； Poisson 分布；放电需求函数
电动汽车参与 V2G 的放电电价不应超过放电 时刻电网的销售电价 psales，即
pd psales
(7)
需要说明的是，在负荷高峰期间，可能部分电 量的购电电价高于销售电价。 V2G 放电价格的上限 可根据具体情况进行调整，本文暂不考虑此情况。 对于低谷时段有
cd psales
低谷时段电动汽车一般不会向电网放电。

以私家车辆加油的价格弹性来分析 Ec 。文 献[29-31]对国内外油价弹性进行了分析，研究认为 工作出行的油价弹性几乎呈刚性。文献[32]分析得 出普通燃油汽车单位里程油费高于电动汽车电费 约 3 至 8 倍。因此，本文假设电动汽车用户的充电 需求近似为刚性需求。 1.4 电动汽车用户的放电需求模型 由于 V2G 情景下电动汽车用户可对电能进行 购买和销售，故引入经济学模型对其进行分析。分 析隐含的 2 个基本假设：1）电动汽车用户为理性 人；2）市场中的成员完全掌握电价信息。这里引 入 Stone-Geary 效用函数[33](可视为 Cobb-Douglas 效用函数的变形)， 其优势在于将商品的需求量分为 实际需求量与基本需求量 2 部分，较 Cobb-Douglas 效用函数更准确地反映了用户的消费偏好。 假设消费者购买和销售的商品(包括电动汽车 的电能)共有 m 种， 且每种商品的价格为 pi(i1,2,,