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原文传递电动汽车参与区域电网需求响应优化管理研究

论文题名：	电动汽车参与区域电网需求响应优化管理研究
关键词：	电动汽车;需求响应;充换电优化管理;决策模型;电力辅助服务
摘要：	在我国逐步落实“3060”双碳目标以及着力构建以新能源为主体的新型电力系统的背景下，新能源发电装机规模将会持续增长。但以风电、光伏为代表的新能源发电具有较强的随机性和波动性，对电网的安全稳定运行提出了更大挑战，也对需求响应管理和灵活性资源利用提出了更高的要求。而随着电动汽车产业的快速发展，电动汽车在交通领域的电能替代作用不断增强的同时，其随机、无序的移动负荷特性也将会对电网安全稳定运行造成一定的冲击。所以，研究电动汽车参与区域电网需求响应优化管理，规避其对电网所带来的负面影响，对于保障电网安全稳定运行和促进电动汽车行业有序发展均具有重要意义。　　鉴于此，本文详细地阐述了我国电动汽车产业的快速发展以及新能源发电装机规模的持续增长对电力系统所带来的重大影响，结合国家战略和国民经济发展实际，聚焦电动汽车参与区域电网需求响应中亟需解决的关键管理问题，从电动汽车参与区域电网需求响应潜力分析与架构规划、充电模式下电动汽车参与区域电网需求响应的充电负荷优化管理、换电模式下电动汽车参与区域电网需求响应的优化管理以及虚拟电厂下电动汽车参与区域电网需求响应辅助调峰优化决策等多个方面进行了较为深入的研究，主要研究成果和创新如下: 　　(1)对电动汽车参与区域电网需求响应潜力进行了分析并对需求响应架构进行了规划。首先，在分析了区域电动汽车保有量的影响因素之后，建立了基于麻雀搜索算法改进BP神经网络(SSA-BPNN)的电动汽车保有量预测模型，在此基础上建立了基于麻雀搜索算法改进BP神经网络和蒙特卡洛算法(SSA-BPNN-MC)的电动汽车充电负荷预测模型。其次，对不同类型的电动汽车车辆的充电行为进行了分析建模，以某区域数据为例运用SSA-BPNN-MC模型对电动汽车充电负荷进行了预测，预测结果表明随着未来电动汽车的快速发展，其无序的充电负荷将会对电网带来较大影响。然后，基于电动汽车充电负荷预测结果，利用情景分析方法对该区域未来电动汽车参与需求响应潜力进行了深入分析。分析认为通过对电动汽车充电负荷的合理优化控制，电动汽车在未来参与区域电网需求响应潜力较大。最后，针对海量多源异构的电力市场、辅助服务市场、电网以及车辆等数据处理与电动汽车参与区域电网需求响应管理问题，规划了电动汽车参与区域电网需求响应的基本架构，为促进电动汽车参与区域电网需求响应提供了基础支撑。　　(2)对充电模式下电动汽车参与区域电网需求响应的电价与充电负荷优化管理进行了研究。首先，基于价格型需求响应理论，依据第3章所给出的电动汽车充电负荷预测曲线、潜力分析及电动汽车参与区域电网需求响应架构，结合区域电网负荷，构建了充电模式下电动汽车电价与充电负荷双层优化控制策略框架，在此基础上进一步分析了固定电价充电模式、分时电价充电模式和基于负荷的实时充电电价模式对区域电网负荷的影响，建立了上层电动汽车充电电价优化模型，并根据区域电网负荷利用实时充电电价的负荷弹性系数对各个时段的充电电价进行了优化。然后，建立了下层电动汽车充电负荷优化模型，基于上层电动汽车充电电价优化模型所传递的充电电价数据，提出了以电动汽车用户用能成本最小为目标函数，以负荷标准差和负荷峰谷差率为验证函数的有序充电优化控制策略，基于改进的遗传算法对模型进行了优化求解。算例分析结果表明，通过实时充电电价优化后的电动汽车充电负荷能够更加精准的对区域电网进行需求响应，较好地起到平滑区域电网负荷曲线、缩小负荷峰谷差和促进风电等清洁能源消纳的作用，同时还能够减少电动汽车用户的充电成本。在以充电方式补给电能的模式下，基于负荷的实时充电电价模式对电动汽车参与区域电网需求响应管理具有一定的参考价值。　　(3)对换电模式下电动汽车参与区域电网需求响应的优化管理决策进行了研究。首先，依据第3章所给出的电动汽车充电负荷预测曲线、潜力分析及电动汽车参与区域电网需求响应架构，将电动汽车、动力电池、光伏发电和换电站进行了深度的融合，规划了换电模式下电动汽车参与区域电网需求响应管理的框架，在此基础上进一步建立了公交车、出租车以及私家车的换电状态时序分析模型。然后，以降低区域电网负荷峰谷差为优化管理目标，建立了换电模式下电动汽车参与区域电网需求响应的充电计划优化管理决策模型，基于粒子群优化算法对模型进行了优化求解。算例分析结果表明，在换电模式下集中充电站对大量电池进行统一管理和使用，对其更换下来的动力电池具有更强的充电时间管控能力，通过有效的优化管理决策可以进一步提升电动汽车参与区域电网需求响应水平，进而缓解电网在城市用电高峰时段的压力，帮助电网平衡峰谷的供需矛盾，促进新能源的充分消纳。　　(4)对虚拟电厂下电动汽车参与区域电网需求响应辅助调峰优化决策进行了研究。首先，依据第3章所给出的电动汽车充电负荷预测曲线分析了电动汽车用能特性与电力系统调峰机理之间的关系。其次，基于激励型需求响应理论，针对第4章充电模式和第5章换电模式（转换为充电模式进行考虑），依据充电模式下电动汽车参与区域电网需求响应的分析结果，计及电动汽车负荷和电源双重属性的特点，提出了以虚拟电厂为载体，电动汽车辅助火电机组深度调峰的运营框架。然后，根据成本收益分析方法，量化了电动汽车参与火电机组调峰后对火电机组、虚拟电厂以及电动汽车用户的利益所产生的影响，在分时充电电价模式下，以运行效益最优为目标，建立了含电动汽车虚拟电厂辅助火电机组深度调峰的分层调度决策模型，基于模拟退火算法对模型进行了优化求解。算例分析结果表明，在运行的经济性方面，电动汽车以虚拟电厂为载体参与深度调峰，不仅可以保障含电动汽车虚拟电厂的收益，而且可以降低系统的总调峰成本，同时也能够降低电动汽车用户的用能成本。在调峰效果方面，电动汽车参与区域电网调峰可以提高谷荷、降低峰荷，促进新能源消纳，保障电网安全稳定运行。随着电动汽车产业的快速发展，所提出运营模式将具有一定的推广及应用价值。　　(5)对电动汽车参与区域电网需求响应的服务管理和政策建议进行了研究。在提升服务管理层面，电动汽车与电网进行协调互动的过程中，首先需要依托良好的基础设施服务，文中从充电桩、换电站的建设以及软件平台的构建与开发三方面展开了分析并给出了未来的建设服务方向。其次，电动汽车参与区域电网需求响应管理需要来自用户、车辆、负荷的聚合商、虚拟电厂以及电网等多方参与主体的多源异构数据进行支撑。因此，文中从数据服务的广度和深度两个层次给出了提升数据服务的建议。在政策建议层面，从支持电动汽车产业的发展、电动汽车参与需求响应的市场准入、电动汽车参与需求响应的激励机制、车-桩-网系统要求与通信协议建设管理、虚拟电厂下电动汽车参与辅助调峰的监管等多个角度提出了促进电动汽车参与区域电网需求响应发展的具体政策建议，以期为促进电动汽车与电网的协调互动以及鼓励电动汽车行业有序发展提供一定的帮助。
作者：	杨晓龙
专业：	工商管理；技术经济及管理
导师：	牛东晓
授予学位：	博士
授予学位单位：	华北电力大学(北京)
学位年度：	2022