电动汽车参与上海市电力需求响应潜力及经济性研究

文章以上海市为研究对象，在电动汽车发展预测的基础上，评估了电动汽车充电负荷对上海市电网的影响，并根据上海市电力系统调峰需求与电动汽车用户出行特点，分别从电动汽车充电需求及负荷特性、电动汽车充放电调节潜力及经济性等方面进行了分析。研究发现通过电力需求响应，电动汽车低谷充电负荷将显著提升上海市电网运行效率，提高外部清洁能源消纳能力，降低用户充电成本。

(本文转载自微信公众号： 供用电杂志 微信号：微信号:DU-World )

作为我国战略性新兴产业和交通部门节能减排的重要途径，近年来我国新能源汽车产业发展迅猛。在财政补贴、免征购置税、免摇号、免限行、充电设施及充电价格等多重政策推动下，2015年全国电动汽车销量达到33.1万辆，占全国汽车总销量的1.32%。在此背景下，上海市电动汽车规模进入了高速发展阶段。2015年，上海市新增电动汽车46507辆，比2014年增长3倍以上。但与此同时，电动汽车的普及将对电力系统运行带来多层面的影响。国内外科研领域近年来也对电动汽车并网对电力系统的影响展开了多方面的研究：

1）电动汽车充电负荷对电力系统的影响。电动汽车充电负荷涉及电动汽车用户的用车行为、停车行为、充电时间、充电方式、车型种类等多种因素。由于目前电动汽车发展仍处初期，针对电动汽车用户的数据收集较为有限，一般通过建模仿真分析电动汽车充电电量和负荷特性。目前研究主要基于电动汽车数量规模预测或假设，在考虑电动汽车用户行为及电网运行的前提下，分析电动汽车充电对用电负荷、电网经济运行调度、电能质量、配电设备等方面的影响。

2）电动汽车储能在电力系统中的应用。电动汽车充电不仅提升了电网负荷，基于系统运行环境的电动汽车有序充电将帮助电网平抑高峰负荷、提高系统运行效率、降低系统容量投资成本及提高系统运行灵活性等。此外，电动汽车的动力电池还可作为分布式储能单元，向电网或其他用户反向馈电，进一步提高电动汽车在系统中的应用价值。目前的研究主要包括电动汽车有序充电控制和电动汽车与电网互动（vehicletogrid，V2G），也有文献称为单向V2G和双向V2G。

3）电动汽车充放电成本效益研究。电动汽车有序充电及储能的实际应用效果取决于电池充放电成本及其对电力系统服务的收益。目前这方面的研究集中在电动汽车参与电力市场辅助服务和需求响应的经济性分析。

目前国内对电动汽车参与电力系统运行的研究仍然以理论研究为主，基于电动汽车用户实际出行及充电行为的实证研究较为有限。本研究在国内外相关研究基础上，通过对上海市电动汽车用户行为的调研，分别从电动汽车充电需求及负荷特性、电动汽车充放电调节潜力及经济性、电力市场环境及商业运行模式3个方面对电动汽车在上海电力系统的应用价值进行了分析。

1 电动汽车在上海电力系统中的应用情况

1.1 上海市电力发展趋势

上海电网整体负荷水平一直居于国内前列，最近几年在电网的建设方面逐步趋于饱和，负荷水平基本保持稳定。电力消费方面，上海电网用电量较为平稳的特征充分体现了上海的产业结构和发展特点，由于第三产业占比较高，金融、服务业占社会经济总量的比重显著上升，人口总量也基本保持平衡，因此用电量呈现平稳的特点。

上海的电力能源结构相对单一，其中火电由煤电、燃油、燃气以及综合利用燃料组成。“积极引入外部清洁能源、减少本地机组排放”是近年来上海电力能源发展的核心策略，但同时也给本地电网调度运行和管理带来前所未有的挑战。近年来，上海电网消纳我国西南水电来电容量持续上升并达到1200万kW，外来清洁电力的受电比例在部分时段高达70%。大规模清洁电力馈入叠加上海特大城市电网峰谷用电特性，上海本地机组调停压力显著增加，电网强馈入、弱开机格局形成，提升需求侧灵活性调节能力势在必行。

若按照指数规律对饱和趋势进行预测，到2020年上海电网最高负荷为3040万kW（见图1），到2030年上海电网最高负荷为3290万kW。用电需求增速放缓虽然一定程度上降低了供电容量需求，加之外来电力比重不断提高，导致外来清洁能源电力与本地电源之间的矛盾更加突显，寻找新的灵活调峰资源势在必行。

图1 2020年上海电网最高用电负荷水平估计

1.2 电动汽车充电量需求

电动汽车充电负荷对电网峰谷负荷的影响取决于用户行为、充换电模式及充电功率等因素。本研究采用巴斯（Bass）扩散模型预测上海市电动汽车数量增速。以我国新能源汽车市场规模为例［见式（1）］，其中n(t)代表t年新增的新能源汽车数量，a代表创新系数（外部影响），b代表模仿系数（内部影响）：

式中：n(t)为t年新增新能源汽车数量；(t)为t年累计新能源汽车数量；m为最大市场潜力；a、b分别为外部影响（创新）系数、内部影响（模仿）系数。

上海私人购买电动汽车享受免费牌照及现金补贴政策，考虑到上海市目前高达数万元的牌照价格，扶持政策无疑有力激励了电动汽车发展。考虑到现行的机动车限号及财税扶持政策在未来存在一定的不确定性，研究设定2种电动汽车发展情景，即常规发展情景和高速发展情景（见图2）。

图2 2种情景下上海市2020-2030年电动汽车销售及保有量

其中常规发展情景根据2010—2015年燃油汽车及电动汽车销量历史统计和2020年规划量进行拟合，得到创新及模仿系数a=0.01、b=0.08。此外，考虑到技术进步及动力电池成本快速下降等因素，能源所等机构对电动汽车到2030年的销量增速有更乐观的预期。因此，除常规情景外，本研究提出另一高速发展情景，其中创新系数维持不变，模仿系数b取0.15。通过模型将车辆销量增速递推至2030年，得到常规发展情景下到2030年电动汽车年销量占全部汽车销量市场的28%，电动汽车保有量达到155万辆，其中小型电动乘用车为144万辆；高速发展情景下，到2030年电动汽车年销量占全部汽车销量市场的43%，电动汽车保有量达到245万辆，其中电动乘用车为228万辆（插电式混合动力汽车与纯电动汽车的比例维持不变，即76%︰24%）。

目前上海市在售电动汽车百千米电耗在10～20kWh之间，考虑到电动汽车综合能效较高，未来进步空间较为有限，本研究假设到2030年车辆电耗及充电功率分别达到百千米15kWh和7kW。2015年上海市比亚迪秦和荣威E50用户日均行驶里程分别31km和26km，考虑随着交通机动化率的进一步提高，未来上海市居民出行强度仍有一定增长潜力，本研究假设上海市电动乘用车日均行驶里程以每年3%增幅增加，则到2030年日均行驶里程达到50km。同理推测到2030年，大型电动客车百千米电耗为100kWh，日均行驶里程300km，充电功率100kW，且电动乘用车及电动客车充电效率同为90%，则在电动汽车常规发展情境下，2030年上海市电动汽车充电量需求约为12.4TWh，占当年全市用电量的7.4%；在高速发展情景下，全年充电量需求为19.6TWh，占当年全市用电量的11.2%。

电动汽车充电量需求为不同类型车辆（私家车、公务车、公交车、出租车、物流车）、不同技术（纯电动汽车、插电式混合动力汽车）充电需求的加总：

式中：ECi,m,t为第i年m型车辆t动力技术充电量需求，kWh；Stocki,m,t为第i年m型车辆t动力技术车辆数，辆；Distancei,m,t为第i年m型车辆t动力技术运行里程，km；FEi,m,t为第i年m型车辆t动力技术能效，kWh/km；Chargei,m,t为第i年m型车辆t动力技术，%。