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 楊方，張義斌，何博，白翠粉

 （國網(wǎng)能源研究院，北京  102209）

摘要：電動汽車對節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化具有重要作用。為滿足日益規(guī)�；�的電動汽車充電需求，電網(wǎng)在建設(shè)、運行等多個方面都需要加大投入、積極適應(yīng)。提出了一種綜合評估電動汽車規(guī)模化充電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響的指標(biāo)體系和計算方法，建立了建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、運行經(jīng)濟(jì)性和社會經(jīng)濟(jì)性3個分析維度，提出了衡量電網(wǎng)相關(guān)投資和效益的貨幣化指標(biāo)體系，分析了有序充電和無序充電模式對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響，并以典型地區(qū)為例研究了不同電動汽車滲透率和不同充電模式對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

關(guān)鍵詞：電動汽車；電網(wǎng)；經(jīng)濟(jì)性；規(guī)�；�；評價

O引言

 隨著能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)的日益加劇，環(huán)保、節(jié)能已成為世界普遍關(guān)注的熱點。全球范圍內(nèi)電動汽車正呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，預(yù)計2020年中國電動汽車保有量將超過500萬輛。電動汽車的發(fā)展可以帶來顯著的節(jié)能減排效益，但同時，為滿足大規(guī)模的電動汽車充電需求，需要建設(shè)大量充電設(shè)施．并對電網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)建升級。此外，電動汽車在充電時作為一種大容量的非線性負(fù)荷，不同的充電模式還可能引起電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差增大、網(wǎng)損增加和電能質(zhì)量下降等問題。一些學(xué)者圍繞電動汽車發(fā)展所帶來的效益以及潛在影響開展了研究。文獻(xiàn)[3-6]分析了電動汽車在減少排放、參與輔助服務(wù)以及系統(tǒng)凋峰等方面的效益；文獻(xiàn)[7]從電網(wǎng)運行角度分析了配電網(wǎng)接納電動汽車充電負(fù)荷的能力：文獻(xiàn)[8]分析了微電網(wǎng)中電動汽車的微觀經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[9-10]對澳大利亞國家電力市場電動汽車接入的整體經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

 未來，中國電動汽車充電設(shè)施及配套電網(wǎng)建設(shè)投入將不斷增加，如何在規(guī)劃、建設(shè)、運行等各個層面實現(xiàn)科學(xué)決策和協(xié)調(diào)配合需要從整體經(jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)行評估和分析，這不僅有利于指導(dǎo)電網(wǎng)建設(shè)、挖掘已有電網(wǎng)潛力，促進(jìn)投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)合理，還有利于通過建設(shè)與運行層面的協(xié)同提高電網(wǎng)運行和充電服務(wù)的安全可靠。借鑒國內(nèi)外對智能電網(wǎng)綜合效益及投入產(chǎn)出評估的思路，本文提出了一種綜合評估電動汽車規(guī)�；�充電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響的指標(biāo)體系和計算方法，從建設(shè)、運行2個層面分析為滿足充電需求所帶來的基礎(chǔ)設(shè)施投入成本，從經(jīng)濟(jì)和社會2個層面分析所帶來的綜合效益，通過貨幣化指標(biāo)對整體經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行評價。針對所研究地區(qū)，通過蒙特卡洛模擬和定量計算，可分析不同電動汽車滲透率、不同充電模式對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的整體影響。

1構(gòu)建思路

 電動汽車對電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)為充電負(fù)荷與電網(wǎng)原有負(fù)荷的疊加加重了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，將會對電網(wǎng)自身的規(guī)模和運行帶來新需求，也同時產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在評估體系上本文著重突出3個特點。

 (1)綜合考慮基礎(chǔ)設(shè)施對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展綜合投入產(chǎn)出效益。因此，在衡量產(chǎn)出效益時，應(yīng)考慮電動汽車充電對電網(wǎng)調(diào)峰、促進(jìn)清潔能源消納利用以及對減少污染物和溫室氣體排放的貢獻(xiàn)作用。引導(dǎo)電動汽車低谷充電，可對風(fēng)能的反調(diào)峰特性形成互補(bǔ)，遠(yuǎn)期借助V2G技術(shù)，部分電動汽車還可以參與調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)，降低可再生能源消納成本。

 (2)運用貨幣化指標(biāo)來表征各項成本投入和效益．通過整體投入與整體效益的差值來顯性刻畫經(jīng)濟(jì)性水平，并可以量化分析不同因素對經(jīng)濟(jì)性的影響程度。

 (3)將運行層面電動汽車無序充電和有序充電模式作為影響電網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)性的重要因素。電動汽車是大功率、移動式、可調(diào)節(jié)負(fù)荷，若不加控制、無序充電，會顯著增加負(fù)荷峰值，致使新增基礎(chǔ)設(shè)施實際利用率和經(jīng)濟(jì)效益不高。從提高經(jīng)濟(jì)性的角度，有序引導(dǎo)和控制．可以進(jìn)一步挖掘存量設(shè)施利用潛力，提高效率，減少投入。

基于上述分析，本文建立了考慮3個維度的經(jīng)濟(jì)性評估框架，如圖1所示，以式(1)作為量化指標(biāo)的基本方式。

按照圖1所示總體構(gòu)建框架．電動汽車大規(guī)模充電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響可以刻劃為

式中：k為有序或無序充電模式：I為綜合效益，包括建設(shè)、運行和社會效益3個領(lǐng)域：C為成本投入，包括建設(shè)和運行等環(huán)節(jié)；E為經(jīng)濟(jì)性程度，由貨幣型指標(biāo)表示。

2指標(biāo)體系及量化

基于上述總體框架，本文提出了一套量化評估電動汽車規(guī)模化充電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響的指標(biāo)體系，如圖2所示。

衡量經(jīng)濟(jì)性主要從建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、運行經(jīng)濟(jì)性和社會經(jīng)濟(jì)性3個方面．作為一級指標(biāo)．各一級評價指標(biāo)下設(shè)多個二級指標(biāo)。其成本和效益分類如表1所示。

2.1  建設(shè)經(jīng)濟(jì)性

 建設(shè)環(huán)節(jié)主要以成本投入為主．通過優(yōu)化需求、提高效率減少不必要投資，提高經(jīng)濟(jì)性。用輸電擴(kuò)容、配電擴(kuò)容、調(diào)峰電源擴(kuò)容和充電設(shè)施建設(shè)4個量化指標(biāo)來衡量。電動汽車分散接入下，充電引起的負(fù)荷增長主要集中在配電網(wǎng)層面．對輸電網(wǎng)的影響很有限，所以暫不考慮輸電網(wǎng)擴(kuò)容需求。

 (1)配電網(wǎng)擴(kuò)容。充電樁一般接入0.4 kV配電網(wǎng)，高比例接入下將對0.4 kV. 10 kV以及110—35 kV各級配電線路和變電容量提出擴(kuò)建需求，其成本投入為

(3)充電設(shè)施建設(shè)。假設(shè)交流樁與直流樁之間的配置比例為8:1．根據(jù)國家政策導(dǎo)向取值區(qū)間設(shè)為20-40。充電設(shè)施建設(shè)投入為

式中：Q總充電需求為區(qū)域內(nèi)全年電動汽車充電總需求：(I為設(shè)施冗余度，若考慮50%的冗余水平，充電設(shè)施容量建設(shè)需求為充電需求增加量的2倍；T交流和T直流分別為交流慢充樁和直流快充樁的日利用小時數(shù)；C交流和C自流分別為交流慢充樁和直流快充樁的單位充電成本。參照已有電動汽車充電設(shè)施沒計和實施取值。采用年限直線折舊法計算每年充電設(shè)施建設(shè)費用，折舊年限取5。

2.2  運行經(jīng)濟(jì)性

 運行環(huán)節(jié)本文重點從充電服務(wù)收入、運行維護(hù)費用以及電網(wǎng)運行效率的間接效益3個方面建立量化指標(biāo)。

 (1)充電服務(wù)收入。從充電設(shè)施運營的角度，從設(shè)施使用費和充電電費以及從政府獲得的補(bǔ)貼等3個渠道獲得收入。

式中：I使用費為用戶使用公共充電設(shè)施所繳納的服務(wù)費用，由地方政府制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；，電費為用戶繳納的充電電費，通常公共充電設(shè)施執(zhí)行大工業(yè)電價．私人充電設(shè)施執(zhí)行居民用電電價；I +貼為政府提供的直接補(bǔ)貼。

(2)運行維護(hù)費用。運行環(huán)節(jié)的成本在不計及財務(wù)費用下，主要包括電費成本和運行維護(hù)費。

式中：運維費中包括人工成本、材料費和修理費等．本文按照固定資產(chǎn)乘以綜合運維費率估算。

(3)供電質(zhì)量及網(wǎng)損。采用負(fù)荷波動方差估算網(wǎng)損變化的經(jīng)濟(jì)性。

式中：Ao_2。。為大規(guī)模電動汽車充電下引起的負(fù)荷波動方差變化值；Q．，。為當(dāng)前年度網(wǎng)損電量；P電價為電價。

2.3社會經(jīng)濟(jì)性

車輛行駛所排放的主要溫室氣體與污染氣體包括CO2、CO、含硫氧化物、NO。、碳?xì)浠�合物五大種類。按照各種污染物和溫室氣體市場交易價格．進(jìn)一步折算社會經(jīng)濟(jì)效益。

式中：P( C02),P(CO),P( SO.),P( NO.),P( CH,)分別為5種排放物的市場交易價格；△Q (C02)，AQ(CO)，△Q(s0，)，AQ(NO。)，AQ(CH\)為減排量。

3計算方法

 用戶充電行為是影響電動汽車充電負(fù)荷特性的關(guān)鍵因素，是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)的前提條件。由于電動汽車不同的充電模式對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響很大。本文基于蒙特卡洛模擬的方法分別建立有序充電和無序充電行為模型。

 (1)抵達(dá)充電設(shè)施充電的電動汽車數(shù)量符合齊次泊松過程，即在一定時間范圍t內(nèi)，充電電動汽車數(shù)量s的概率分布滿足

式中：A為車輛抵達(dá)充電設(shè)施的到達(dá)率；A，為充電車輛數(shù)量的期望值，取決于每輛車的日平均充電次數(shù)。

 (2)用不同的充電時段和到達(dá)率模擬有序充電和無序充電模式。無序充電行為是指電動汽車用戶在缺乏引導(dǎo)的情況下自行充電的行為。由于用戶一般集中在白天出行，且充電往往與停車相結(jié)合．所以充電行為也集中在白天電網(wǎng)負(fù)荷較重的時段發(fā)生。有序充電行為指用戶根據(jù)峰谷價差引導(dǎo)至夜晚低谷期間充電。參考已有文獻(xiàn)對電動汽車充電策略的描述方法，本文假設(shè)無序充電模式下，車輛開始充電時間集中在07:00 -19:00，且車輛在該時段內(nèi)的到達(dá)率相同；為研究有序充電行為下電網(wǎng)最大負(fù)荷增長率，假設(shè)有序充電模式下．車輛在07:00-19:00和19:00-24:00這2個時間段的到達(dá)率分別為A．和A2，且A1=A2/2。

 (3)電動汽車充電前SOC（剩余電量占電池容量的比例）服從均值為0.4，標(biāo)準(zhǔn)差為0.1的正態(tài)分布。

 (4)車輛平均每1.8天進(jìn)行一次快充（按照充電前SOC=0.4．平均日用電量8 kW-h進(jìn)行計算）。

 (5)用戶每次都充滿電量，即交流慢充充電時間服從均值為2.06 h的正態(tài)分布，直流快充時間服從均值為0.36 h的正態(tài)分布。

 (6)用戶隨機(jī)選擇交流慢充與直流快充，由于交流慢充樁與直流快充樁數(shù)量比為8:1，所以用戶選擇交流慢充與直流快充的比例為8:1。

 在上述用戶行為模擬的基礎(chǔ)上．分別得到電動汽車在無序充電和有序充電2種模式下的年度充電負(fù)荷曲線，進(jìn)而運用式(1)~(10)對區(qū)域電動汽車充電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行量化計算。

4實例分析

本文以某特大型城市為研究對象．應(yīng)用提出的經(jīng)濟(jì)性綜合評價方法，比較研究不同滲透率下，采用無序充電與有序充電模式對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響。選取截止2014年年底該地區(qū)的電動汽車和電網(wǎng)的基本數(shù)據(jù)：機(jī)動車保有量543萬輛，全社會用電量為913.11億kW．h。分別按照滲透率10%和20%，折合年行駛里程99.1億km和198.2億km，模擬計算年度充電負(fù)荷曲線。主要參數(shù)如表2所示。

經(jīng)濟(jì)性評價參數(shù)取值：網(wǎng)損率取2013年國家電網(wǎng)平均網(wǎng)損率6.53%．充電價格按北京地區(qū)一般居民電價取0.48元／(kW -h)。C02、CO、NO。、硫氧化物和碳?xì)浠�合物減排交易價格按北京環(huán)境交易所污染物及溫室氣體排放價格．參照標(biāo)準(zhǔn)分別取52元／t、70元/t、8 000元／t、6 400元／t和1 000元／t。110 kV以下所有等級配電網(wǎng)單位干伏安擴(kuò)容總成本近似取0.4萬元．調(diào)峰電源建設(shè)參考中國抽水蓄能電站平均成本取0.35萬元/kW。根據(jù)國家電網(wǎng)充換電設(shè)施造價標(biāo)準(zhǔn)．按照交流慢充樁功率為7 kW,沒備及安裝工程造價0.8萬元，折合單位造價0.11萬元/kW,日利用小時數(shù)1.5 h：直流快充樁40 kW,設(shè)備及安裝工程造價14.5萬元．折合單位造價0.36萬元/kW,日利用小時數(shù)1.0 h，充電服務(wù)費0.6元／(kW -h)．綜合運維費率10%．設(shè)施冗余度2。如表3所示。

 從表3可以看出：(1)充電行為是否有序引導(dǎo)對電網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)性影響顯著。無序充電模式下，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和充電設(shè)施建設(shè)投入顯著增加：采取有序充電模式．電網(wǎng)和充電設(shè)施利用率提升．建設(shè)環(huán)節(jié)投入明顯減少．運行環(huán)節(jié)由于削峰填谷效益增加了額外的收益：在不影響用戶使用車輛的前提下．2種模式下由車輛以電代油帶來的減排效益相同。(2)考察10010和20%的滲透率情景，隨著電動汽車滲透率的提升，充電行為對電網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)性的影響呈正向放大作用。高滲透率電動汽車的無序充電將造成嚴(yán)重的公共基礎(chǔ)設(shè)施浪費。因此，推動電動汽車大規(guī)模發(fā)展的同時．需高度重視有序充電技術(shù)推廣以及配套的價格機(jī)制引導(dǎo)用戶有序與電網(wǎng)互動。

5結(jié)語

 本文提出了一種電動汽車規(guī)�；�充電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響的廣義評價方法，從建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、運行經(jīng)濟(jì)性和社會經(jīng)濟(jì)性3個維度提出了評價指標(biāo)．給出了定量測算方法，并以某特大型城市為例進(jìn)行了案例分析。本文提出的評價體系是立足于整體基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)濟(jì)性．為政府及相關(guān)各方明晰推動電動汽車發(fā)展中基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域面臨的主要經(jīng)濟(jì)性因素提供分析框架。作為社會開放領(lǐng)域，電動汽車充電服務(wù)的利益相關(guān)方眾多，還需立足于相關(guān)方視角開展微觀經(jīng)濟(jì)性分析，以進(jìn)一步研究政策補(bǔ)貼的對象與模式，推動行業(yè)健康有序發(fā)展。