电动汽车与电网互动的商业前景：上海市需求响应试点案例.pdf

自然资源保护协会 NATURAL RESOURCES DEFENSE COUNCIL 电动汽车与电网互动的商业前景 上海市需求响应试点案例 研究报告 2020 年 6 月致谢 特别感谢上海电力需求响应中心、上海蔚来汽车有限公司、万帮充电设备有 限公司、普天新能源有限责任公司、上海依威能源科技有限公司、北京小桔 新能源汽车科技有限公司、上海国际汽车城集团对本研究提供的信息和数据 支持。感谢中电联标准中心主任刘永东先生、清华大学电机系胡泽春老师、 中科院电工研究所陈永翀老师、国网储能云平台事业部总经理王明才先生、 特来电新能源有限公司副总裁兼首席科学家龚成明先生对本项目提出了宝贵 意见，也在此表示感谢。 课题组成员 中国电动汽车百人会车百智库 张永伟 朱晋 熊英 刘茜 国家发改委能源研究所 刘坚 自然资源保护协会 清洁电力项目组 金亨美 游梦娜 王万兴 刘明明 冯婕茹 感谢 ClimateWorks Foundation 对本研究的资金支持。上海市需求响应试点案例 摘 要 电动汽车可作为高度灵活的移动储能单元，在调节电力负荷、消纳可再生能源、 改善电能质量等方面应用潜力巨大。中国是全球最大的电动汽车市场，在电动汽车 与电网互动领域具有得天独厚的条件。近年来，国内多个城市在开展电力需求响应 的同时，尝试将电动汽车纳入试点，在车网互动方面做出了积极探索。 在各需求响应试点城市中，上海市的车网互动工作具有重要示范意义。一方面 上海市电动汽车保有量位居全国前列，交直流及充换电模式种类多样，另一方面上 海市在 2014 年成为国家发展改革委指定的首个需求响应试点城市，积累了丰富的需 求响应工作经验。本研究根据上海市电动汽车参与电力需求响应的试点结果，针对 私人充电桩、专用充电桩以及换电站参与需求响应的效果进行对比分析，发现车辆 在不同充换电场所够提供的充电灵活性调节规模各异，各自实现的响应效果也存在 较大差别。例如，虽然私人充电桩数量较多，但目前响应率偏低，其需求响应潜力 仍有待挖掘。换电站因参与实时需求响应而具有较高收益，但其综合经济性取决于 换电站备用电池的裕度。 国外有不少推动电动汽车负荷作为电力系统灵活性资源的案例。电力公司实施 的分时电价以及充电电价套餐等是较简单的实施模式。在不少案例中，电动汽车充 电负荷通过集成商平台，参加电力现货市场竞价。车网双向互动的应用还是在早期 阶段，但少数案例已在商业化方面取得良好的效果。不管是哪种模式，国内外案例 之间最大区别为市场机制是否到位。虽然国外的很多案例也未必完全实现商业化运 营，但市场环境下的商业模式探索从未停止。 最后，本研究提出了进一步推动车网互动发展的政策建议，包括：明确电动汽 车参与电网互动的市场准入、建立车网互动的市场机制、加快推进车网互动能力建 设等。 i电动汽车与电网互动的商业前景 目 录 第一章 上海电力系统发展概况 1一、 趋势与挑战 1（一）电力消费和电力结构 1（二） 负荷峰谷差挑战 2二、 需求响应试点 3 第二章 电动汽车与电网互动的潜力 5一、 上海电动汽车发展及其对电力系统的影响 5二、 中国电动汽车与电网互动的现状 5 第三章 电动汽车参与需求响应城市试点 8一、 试点设计 8（一）背景 8（二）流程与技术要求 8（三）激励措施 9（四）参与方 10 二、 试点结果 11（一）私人充电桩 11（二）专用充电桩 13（三）换电站 15三、 试点经验 18（一）三类充电设施参与电力需求响应竞争力对比 18（二）错峰充电用户参与需求响应的潜力 18（三）需求响应实施方式 20 第四章 国际经验对比 22一、 基于电力公司分时电价 22二、 电力市场与需求响应相结合 25三、 车网互联（V2G） 26四、 国际案例经验总结 29 第五章 政策建议 30 ii上海市需求响应试点案例 第六章 下一步工作方向 31 附件 1：上海市 2019 年需求侧响应补偿计算方式 32 附件 2：需求响应经济性计算方法 33图表目录 图 1 上海市三产与居民用电量（亿千瓦时） 1 图 2 上海电力来源（亿千瓦时） 2 图 3 上海地区最大峰谷差趋势 3 图 4 电动汽车与电网互动关系图 6 图 5 私人充电桩填谷响应与平日充电负荷对比 11 图 6 专用充电桩削峰响应与平日充电负荷对比 14 图 7 换电站响应日与平日充电负荷对比 15 图 8 上海市三类充电设施需求响应收益率及应用规模对比 17 图 9 需求响应与直接错峰充电效果重合示意图 19 图 10 需求响应与智能错峰充电效果重合示意图 20 图 11 美国加州 PG&E 电力公司的电动汽车充电分时电价 23 图 12 iChargeForward 用户参与度 24 图 13 在 iChargeForward 电动汽车与电池梯次利用贡献对比 24 图 14 美国南加州爱迪生电力公司西部地区日前竞价与需求响应 25 iii电动汽车与电网互动的商业前景 iv 表 1 中国车网互动的部分试点项目与前景 7 表 2 补偿系数规则 9 表 3 部分运营商在上海的充电设施布局及报装情况 10 表 4 私人充电桩填谷需求响应经济性分析 13 表 5 专用充电桩削峰需求响应经济性 14 表 6 换电站削峰需求响应经济性 16 表 7 内部收益率对响应单价减半的敏感度对比 17 表 8 试点案例三类充电设施需求响应竞争力对比 18 表 9 全球十大 V2G 项目 26 表 10 Parker 项目服务 27 表 11 Redispatch 项目服务 28 表 12 City-zen 项目服务 28 表 13 Smart Solar Charging 项目服务 291 上海市需求响应试点案例 第一章 上海电力系统发展概况 一、趋势与挑战 ( 一 ) 电力消费和电力结构 2019 年上海市全社会用电量为 1,568 亿千瓦时，近几年上海用电量增长较平稳， 2010-2019 年期间用电量年复合增长率为 2.7%，与当地产业结构和发展特点息息相 关。 从电力消费结构看， 第三产业和居民生活用电量增长较快， 特别是金融、 房地产、 商务及居民服务业电力消费贡献突出 ； 工业用电量稳定， 占电力消费总量的比例最大 ； 农业用电量在 2019 年占用电量比例不到 0.5%，且逐年下降。 来源：上海市统计年鉴，上海市发改委 图 1 上海市三产与居民用电量（亿千瓦时） 上海市对外来电力依赖程度高，近年来外来输入电量越来越大。2018 年上海本 地发电量为 856 亿千瓦时，区外输入量为 855 亿千瓦时。从本地电源装机结构看， 上海市内电源装机总量 2,467 万千瓦，其中燃煤机组所占比重最大，超过 60%。市2 电动汽车与电网互动的商业前景 外电源则形成了 2+X 供给格局：一是安徽煤电，二是三峡和金沙江等西南水电，此 外还有江浙核电、抽水蓄能发电等 1,2 。 来源：上海市统计年鉴 图 2 上海电力来源（亿千瓦时） ( 二 ) 负荷峰谷差挑战 近年上海市用电负荷波动性强，且随着市外可再生能源大规模馈入，上海电网 调峰压力持续增加。2017 年上海统调最大用电峰谷差已达 13GW，且需求侧负荷的 波动性大，商业、工业以及居民生活中的夏季供冷用电需求占到最高负荷的 40%- 45% 3 。 1 张瀚舟 . 上海能源从高速度向高质量发展的实践与思考 . 2018,(12): 941-946. 2 陈晖 , 章树荣 . 上海“十二五”期间电力发展综述 . 2017,(3): 121-124. 3 叶剑 , 徐逸清 , 黄一超 , 等 . 上海电网用电负荷特性分析 . 电力与能源 , 2017, 38(6): 659-663.3 上海市需求响应试点案例 图 3 上海地区最大峰谷差趋势 4 外来电规模日益增大和可再生能源优先消纳趋势带来本地电网调度运行和管理 压力。上海目前不参加调峰的市外来电负荷达 1,000-1,100 万千瓦，占全市最高负荷 比重大于 50% 的时间超过 6 个月 5 。市外大规模清洁电力密集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 6 。未来外来电规模有进一步扩 大的可能， 市外可再生能源等仍将是首要和主要消纳对象， 再加上电网建设趋于饱和， 提升需求侧灵活性调节能力势在必行。 二、 需求响应试点 需求响应的实施是有效缓解电网调峰等运行压力，促进新能源发电消纳的重要 措施。上海市在 2014 年成为国家发展改革委指定的首个需求响应试点城市，近年来 积极探索用经济手段，激励全类型城市可控负荷资源参与“削峰”与“填谷”试验。 2015-2018 年间上海市共开展了 8 次需求响应试点活动，应用场景不断扩大，不过 主要参与者是商业、建筑以及工业企业客户。2019 年上海市又开展了 6 次试点活动， 其中端午节开展的“填谷”需求响应试点中，首次接入电动汽车。 4 廖强强，陈建宏，师雅斐 , 等 . 储能技术的现状、趋势及对上海储能发展的建议 . 上海电力学院学报 , 2020, 36(1): 93-98. 5 夏凉 , 黄平 , 郭羽 . 上海市中小燃煤机组燃机替代研究 . 上海节能 , 2019,(2): 110-115. 6 刘坚 , 金亨美 , 唐莉 . 电动汽车在上海市电力系统中的应用潜力研究 . NRDC. 2016 年 9 月 . 4 电动汽车与电网互动的商业前景 上海市经过 5 年多的需求响应试点工作，已初步形成一些需求响应资源及响应 机制，2019 年，上海市发布需求侧响应年度交易单边竞价规则、上海虚拟电 厂运管平台与虚拟电厂信息交互规范，并着手建立需求响应的可控资源库，从常 态需求响应向虚拟电厂过渡，对各平台之间数据交互、控制方式自动化提出了更高 要求，同时对参与者的响应能力也逐步提高门槛。2019 年 10 月，国网公司将国网 上海和冀北电力列为首批虚拟电厂运营体系试点单位。上海虚拟电厂运营体系由交 易平台、运营管理与监控平台等系统组成 7 ，已有 500 多个电力用户接入，各类柔性 负荷调控能力得到不断提升。为进一步平衡电力负荷、缓解电网运行调节压力、加 强需求响应精细化管理、促进可再生能源消纳，上海还在继续进行有益的探索。 7 上海市经济和信息化委员会 . 国内首个虚拟电厂运营体系投入试运行 .20191223. shanghai. gov/nw2/nw2314/nw2315/nw31406/u21aw1416499.html5 上海市需求响应试点案例 第二章 电动汽车与电网互动的潜力 一、上海电动汽车发展及其对电力系统的影响 截至 2019 年底，上海新能源汽车累计推广已经达 30 万辆，实际保有量 26 万辆 左右。当前上海市充电桩数量超过 28 万个，位居全国前列，车桩配比接近 1:1，其 中私人充电桩 19 万个，公共桩和专用桩分别为 5 万和 4 万个。随着数量规模不断提 升，电动汽车充电负荷对电网带来的压力也日益加大，主要包括：1）电动汽车充电 导致负荷增长， 特别是大量电动汽车集中在负荷高峰期充电， 将加剧电网负荷峰谷差， 加重电力系统运行负担。2）由于电动汽车用户用车行为和充电时空分布的不确定性， 电动汽车充电负荷具有较大的随机性，这将加大电网优化控制的难度。3）电动汽车 充电负荷属于非线性负荷，充电设备中的电力电子装置将产生谐波，可能引起电能 质量问题。4）大量电动汽车充电将改变电网，尤其是配电网负荷结构和特性，传统 的电网规划方法可能无法适用于电动汽车大规模接入的情况。上海市电动汽车保有 量位居全国前列，私家车、公交、公务、环卫和物流等领域电动汽车充电需求各异， 交直流及充换电模式种类多样，加之上海市外来电力占比高，本地电网调峰压力大， 大量电动汽车充电对上海市电网的影响不容忽视。 二、中国电动汽车与电网互动的现状 为探索车网互动路径，国内电力需求响应试点正逐步纳入电动汽车资源，并探 索其电力系统多重应用价值。6 电动汽车与电网互动的商业前景 图 4 电动汽车与电网互动关系图 在车网互动的具体应用场景的示范上，国内许多地方进行了积极探索。电力辅 助服务市场场景下，电动汽车具有双向调节和响应速度快的优点，可以提供调频和 旋转备用服务 8 。目前我国上海、江苏、河南、山东、天津等地已启动了需求响应市 场，从各地实践情况看，公共充电站、小区直供充电桩已有参与实例。但是需求响 应的补偿资金缺乏可持续机制，且多数城市峰谷电价差较窄，用户侧利用峰谷价差 套利空间有限。现阶段我国电力辅助服务市场主要针对火电等大容量可调度的发电 侧资源设计，在充放电功率、持续充放时间、充放电量规模等方面准入门槛较高， 缺乏对分散型用户侧资源的准入政策且补偿额度低。此外，北京、重庆两地进行了 绿电交易的探索，分布式光储充项目也在多地实践，但由于集中式可再生能源弃电 存在不确定性， 而分布式光伏消纳问题仍不突出， 相比其他场景经济效益有限。 目前， 现货电能市场仍在建设期，电动汽车参与电力现货市场的地位没有得到充分确立。 相比有序充电，目前市场上配备放电功能的新能源汽车和双向充电桩的数量都 有限，因而用户很难参与充放电互动。同时，充放电模式下，用户面临动力电池寿 命加速衰减的成本问题。因此，近中期，有序充电的可行性高于充放电，但随着电 池成本降低，充放电的优势将逐步显现。 8 沈运帷 , 李扬 , 高赐威 , 周磊 . 需求响应在电力辅助服务市场中的应用 . 电力系统自动化 , 2017,41(22): 151-161. 7 上海市需求响应试点案例 表 1 中国车网互动的部分试点项目与前景 场景 试点案例 优势与前景 问题 辅助服务 北京、 上海、 河南、 江苏、 天津、广东、山东等地 广泛开展小区、公共场 站、园区有序充放电； 华北调峰辅助服务试点； 多地高速、工业园区开 展分布式光储充一体化 模式。 电动汽车双向调节 和响应速度快的优 点与辅助服务需求 相适应； 辅助服务补偿收益 较高。 现阶段我国电力辅助服 务市场设计存在充放电 功率、持续充放时间、 充放电量规模等准入门 槛，缺乏分散型用户侧 资源的准入政策； 二次调频市场容量有限； 可再生能源消纳市场空 间存在不确定性。 能量市场 广州计划开展电动汽车 参与现货市场试点； 北京、重庆等地电动汽 车消纳跨省绿电交易。 市场潜力大。 电动汽车参与电力市场 的地位尚未得到充分确 立； 多数城市峰谷电价差较 窄，用户侧利用峰谷价 差套利空间有限。 资料来源：公开资料整理8 电动汽车与电网互动的商业前景 第三章 电动汽车参与需求响应城市试点 一、试点设计 (一)背 景 上海市需求响应试点一直在努力扩大非工业可控负荷，随着电动汽车数量不断 增多，其作为需求响应资源的价值日益突显。2019 年 4 月，上海市经济信息化委员 会反馈国网上海市电力公司关于同意开展上海市综合需求响应试点工作的批复， 提出深入研究特大型城市受端电网泛在电力物联网应用场景，积极探索充电桩等新 技术应用示范，采用市场化手段柔性调节负荷。 本研究利用上海市 2019 年 3 次电动汽车参与需求响应试点活动的数据，分析 车网互动的经济性与发展潜力。具体试点时间分别为 2019 年 6 月 7 日凌晨 2-5 点、 2019 年 8 月 9 日 12-14 点，以及 2019 年 12 月 5 日 10-11 点。 ( 二 ) 流程与技术要求 电动汽车参与需求响应试点流程与要求如下： 1）需求响应资源注册：所有虚拟发电资源，包括 3 个颗粒度虚拟电厂总平 台（所有充电桩的总加功率与电量）、接入资源（例如独立报装的场站、有营销户 号的对象）、虚拟发电机机组（例如充电桩）。充电运营商的平台需与虚拟电厂平 台对接， 通信协议是 Open ADR 。 2019 年试点时期对充电运营商采用线下邀约的方式 ； 需求响应资源颗粒度大小没有限制，可以到站、配电柜、桩。 2）需求响应能力预上报：除了虚拟电厂平台对接入平台做负荷预测，各个运营 商平台也要具备自身负荷预测能力。充电运营商上报中远期、隔日的需求响应曲线， 以考核预测曲线与实际效果。负荷基线历史数据是采用以往的平均负荷曲线，一般 工作日开展削峰活动，取前 5 个工作日的平均负荷；休息日开展填谷活动，取前 2 个休息日的平均负荷，以此来考核响应期间负荷的变化。2019 年试点时期对充电运 营商没有设置容量门槛；未单独报装的充电桩也纳入试点活动；参与响应的时间最 短 1 小时。9 上海市需求响应试点案例 3）实时数据上报：充电功率、电量数据以 15 分钟的频率向平台上报。2019 年 试点时期，非充电状态下如果没有采集功率 / 电量数据，运营商可以申报为 0；考核 不要求是在线接口数据，而是按照运营商线下上报的数据来核算。 4）费用结算。用户的负荷基线与实际的电力负荷曲线的差值即是用户的负荷削 减贡献， 以电费抵扣方式补偿， 需要充电运营商在上海有独立账号。 2019 年试点时期， 即使响应量很小，也认为有效，并按照实际响应量来给补偿。 ( 三 ) 激励措施 目前上海市响应量的计量模型是以电力用户的关口计量为准，测算负荷基线与 当天响应时段负荷的差值最后乘以补偿系数。分成削峰和填谷两个类型，补偿价格 上限（基准值）削峰响应为 30 元 / 千瓦，填谷响应为 12 元 / 千瓦。获取补偿基准 值的前提是，单个用户响应的次数不超过 10 次 / 年，响应时长不超过 10 小时 / 年。 在此基础上，根据单次响应量、通知时间提前量、单次响应时长、年度响应参与度 进一步计算补偿系数。补偿资金取自历年夏季季节性电价差值，以电费退补方式进 行补偿，补偿对象为参与响应的终端电力用户。具体补偿规则如下表所示： 表 2 补偿系数规则 单次响应量系数 K1_i 响应比例 价格调整系数 备注 0.6 0 0.6，0.8） 0.8 0.8，1.2 1 竞价基准 （1.2，1.4 1.05 1.4 1 响应量按照签约量 140% 计算 * 响应量比例 = 响应量 / 签约响应量 单次响应速度系数 K2_i 通知时间 响应速度系数 响应类别 备注 24 0.8 约定 （8，24 0.9 约定 （2，8 1 约定 竞价基准10 电动汽车与电网互动的商业前景 （0.5，2 1.5 约定 （0，0.5 2 约定 不通知 3 实时 单次响应时长系数 K3_i Ti/10 （单次需求响应活动期时长 Ti，精确到小时） 年度响应参与度系数 K4 响应时长比例 价格调整系数 备注 （0，0.3 0 （0.3，0.8 ktime_1 （0.8，1 1 竞价基准 (四)参 与 方 在上海市经信委支持下，上海市电力公司和自然资源保护协会 (NRDC) 作为主要 协调方，积极邀请充电服务商和主机厂参与需求响应。2019 年试点时期参与需求响 应的运营商包括国网电动汽车、蔚来、星星充电、普天、依威能源、小桔充电等。 这些运营商的充换电设施支持远程有序调控功能，充电数据采集按照中电联的标准 协议，采集频率 20-30 秒 / 次，且数据存储周期比较长，但大多数充电桩未报装。 表 3 部分运营商在上海的充电设施布局及报装情况 公桩（个） 私桩（个） 专用桩（个） 普天 1000（未报装） 100（已报装） 蔚来 15 个换电站（未报装） 3000（报装 2000 个） 110 依威能源 2700（报装 65 个） 星星充电 5800（大部分未报装） 1000（已报装） 来源：调研数据整理。数据截止时间 2019 年 10 月。11 上海市需求响应试点案例 二、试点结果 从上海市电动汽车参与电力需求响应的试点结果看，车辆在不同充换电场所够 提供的充电灵活性调节规模各异，各自实现的响应效果也存在较大差别。本节将选 取蔚来的充换电平台运行情况，分别针对住宅区私人充电桩、办公地专用充电桩以 及电池换电站参与需求响应的运行效果进行对比分析。 ( 一 ) 私人充电桩 蔚来汽车充电平台在上海市覆盖约 3000 个私人充电桩，其中共有 288 个充电桩 桩主报名参与 2019 年 6 月 7 日需求响应，响应日当日实际参与响应的充电桩数量为 159 个，实际响应充电桩占全部平台充电桩数量的比例为 5.3%。可见，虽然数量规 模较大，但私人充电桩的实际响应率有限。此外，私人充电桩分布较为分散，且有 较强私人属性，其参与电力需求响应存在较高的个人隐私保护要求。 图 5 私人充电桩填谷响应与平日充电负荷对比 图 5 为上海市私人充电桩参与需求响应的效果对比图。相比平日充电负荷（蓝 色），参与响应的 159 个私人充电桩在响应日的充电负荷明显提升。尤其在填谷响 应时段（2:00 5:00）平均充电负荷达到 1,068 千瓦，是平日（6 月 1 日）该时段充 电负荷的 7.8 倍。 此外， 6 月 7 日响应日 159 个响应充电桩平均充电量为 64.5 千瓦时， 远高于平日（6 月 1 日）日均充电量 9.35 千瓦时，由此我们判断有相当一部分电动 汽车车主将连续几日充电电量集中在 6 月 7 日响应时段。可见价格激励对电动车主 有较强引导效果。12 电动汽车与电网互动的商业前景 一般电力需求响应的成本包含初始技术投资、 响应者机会成本、 组织者实施成本。 其中初始技术投资包括测量和通信系统更新升级成本、电力设备及软件成本、账务 系统升级成本等。响应者机会成本包括因参与需求响应产生的不便或舒适性下降、 作息日程变动带来的成本、自备电源的燃料和维护费用等。组织者实施成本包括项 目管理和经营成本、市场营销成本、项目评估成本、用户培训成本等 9 。对于电动汽 车而言，充电桩都已具备基本测量和通信功能，且私家充电桩停车时间较长，用户 参与需求响应的机会成本也较低。第三方聚合商在私家电动汽车参与需求响应过程 中扮演重要角色，其成本也相对较高。结合上海试点经验看，第三方聚合商的需求 响应活动的组织成本主要包括补偿资金垫付和人工成本两方面。由于目前上海市电 力公司对参与需求响应用户的资金补偿按年核算，实际支付补偿的时间明显滞后， 第三方聚合商往往需要向用户提前垫付补偿资金。此外，由于目前充换电设施与电 力需求响应平台还未实现自动化对接，电动汽车参与需求响应的事前事后数据由人 工分析和决策，导致组织成本偏高。考虑到未来需求响应与充放电系统实现平台化 对接，需求响应相关信息发布和用户响应决策可通过自动化流程实现，相关成本也 将随之大幅降低。 按照目前上海需求侧响应年度交易单边竞价规则，2019 年度填谷需求响应竞价 交易报价上限为 1.2 元 / 千瓦时， 对私人充电桩提前 24 小时通知， 则补偿系数为 0.8， 若按竞价交易报价上限计算，则单位填谷补偿价格为 0.96 元 / 千瓦时。在需求响应 聚合商固定投资成本（500 元 / 桩）和响应补偿单价确定的情况下，参与需求响应的 频次决定了综合经济性水平。当响应频次较低，如 3 次 / 年的情况下，则单桩年均 收益仅为 42 元（收益分成后，下同），而当响应频次达到 10 次 / 年，则单桩年均 收益率超过 140 元，参与需求响应的内部收益率达到 27%。 9 蓝天虹 . 需求响应的成本收益构成及其分配 . 节能与环保 . 2010(10): 26-28.13 上海市需求响应试点案例 表 4 私人充电桩填谷需求响应经济性分析 主要假设 聚合商固定投资（元） 500 单次响应时长（小时） 3 单车充电功率（千瓦） 7 响应速度 提前 24 小时 响应类型 填谷 响应单价（元 / 千瓦时） 0.96 响应率（%） 5.3% 分析结果 响应次数（次 / 年） 3 5 10 年均收益（元 / 年） 42 71 141 内部收益率（%） 0 9% 27% 对电网而言，电动汽车填谷需求响应的价值可通过其对外来可再生能源电力新 增消纳得以体现。 若单桩每年参与填谷需求响应 5 次全部用于外来可再生能源消纳， 每次响应持续时间 3 小时，则单桩每年新增可再生能源消纳量达到 105 千瓦时。目 前上海市约有 19 万个私人充电桩， 假设平均单桩功率 7 千瓦， 平均响应率达到 5.3%， 则电动汽车填谷功率可达到 7 万千瓦， 每年新增可再生能源消纳能力为 105 万千瓦时。 ( 二 ) 专用充电桩 该平台下某内部充电桩群共计安装 110 个专用充电桩，其参与削峰响应的效果 对比如图 6 所示。红色曲线为该充电桩群响应日（8 月 9 日）的充电负荷，两条虚线 为平日（8 月 1/2 日）充电负荷。其中，响应时段（12：00-14：00）平均充电功率 为 43 千瓦，相比平日该时段平均充电功率 167 千瓦降幅达到 75%，需求响应参与度 明显高于私人充电桩。由此可见，企业内部充电桩一方面拥有与私人充电桩相似的 车辆接入时间长的优势，一方面相比私人充电桩更便于开展集中充电行为管控，其 参与需求响应的可靠性也相对更高。14 电动汽车与电网互动的商业前景 图 6 专用充电桩削峰响应与平日充电负荷对比 专用充电桩群参与需求响应的成本与私人充电桩类似，主要包括聚合商固定投 资及运维成本，因此存在一定聚合商收益分成。目前上海市削峰需求响应补偿单价 较高，单位千瓦补偿 30 元，折算每千瓦时电量为 3 元。若同样以提前 24 小时方式 通知参与响应，则单位千瓦时响应电量实际补偿为 2.4 元。由于具备较高的响应率及 电价补偿，专用充电桩群参与需求响应的经济性相对较高。表 5 为专用充电桩削峰 需求响应经济性分析。当年响应频次为 3 次时，年补偿收益为 70 元，若响应频次提 升至 10 次 / 年，则桩均年收益达到 235 元，内部收益率接近 50%。 表 5 专用充电桩削峰需求响应经济性 主要假设 聚合商固定投资（元） 500 单次响应时长（小时） 2 单车充电功率（千瓦） 7 响应速度 提前 24 小时 响应类型 削峰 响应单价（元 / 千瓦时） 2.4 响应率（%） 75% 分析结果 响应次数（次 / 年） 3 5 10 年均收益（元 / 年） 70 118 235 内部收益率（%） 9% 21% 47%15 上海市需求响应试点案例 对电网而言，削峰需求响应的价值可部分通过容量 / 需量电价水平反映。我国 基本电费一般按照变压器容量（千伏安）或按最大需量（千瓦）计量，用户可自由 选择计量方式。对于按照变压器容量计量的用户，其基本电费为变压器容量与基本 电价之积 ； 对于按照最大需量计费的用户， 其基本电费为最大需量与基本电价之积 （一 般最大需量对应基本电价高于变压器容量对应基本电价）。目前上海市两部制未分 时一般工商业需量电费为 37.8 元 / 千瓦，则单位千瓦削峰容量价值为 454 元 / 年。 目前上海市拥有专用充电桩 4 万个，假设桩均充电功率为 7 千瓦，响应率为 75%， 则专用桩合计削峰容量为 21 万千瓦。 (三)换 电 站 图 7 为该平台下换电站参与削峰响应的效果对比图。其中，红色曲线为换电平 台响应日（12 月 5 日）充电负荷，各条虚线为 11 月 25 日至 29 日连续五个工作日 充电负荷，点划线代表平日（25 日 -29 日）平均充电负荷。响应日响应时段（10： 00-11：00）合计充电功率为 140 千瓦，相比平日平均充电功率 745 千瓦降幅达到 81.2%，响应率为三种充电设施中最高。 图 7 换电站响应日与平日充电负荷对比 换电站参与需求响应的成本主要取决于换电服务强度和换电站内备用电池裕度。 该换电平台换电站服务能力按照一天营业 16 小时、每站每天换电服务 72 次设计， 则单站平均每小时换电 4.5 次。若每座换电站配备 5 块备用电池，每块备用电池充电 功率 60 千瓦，且换电强度按时间轴平均分布，则每站最多可调用约 300 千瓦（时移 1 小时）灵活充电负荷。考虑到实际运营中换电服务时间分布存在一定波动，因此该 充电裕度一般仅服务于换电服务强度变化，难以满足需求响应的额外调节需求。但16 电动汽车与电网互动的商业前景 由于目前该换电平台运营强度还未达到饱和，平均每站实际换电频次约 3 次 / 小时， 即每站约有 2 块备用电池或 120 千瓦充电功率可实现全天候负荷时移。 鉴于换电站具有较强的充电时间管控能力，12 月 5 日响应日当日提前通知量仅 为 30 分钟，则单位千瓦时削峰响应的补偿单价可达 6 元，远高于私人充电桩和专用 充电桩价格补偿水平。表 6 为换电站参与削峰需求响应的经济性测算结果，当年均 响应次数为 3 次时，单站年均收益率就达到 1500 元以上；若响应次数达到 10 次， 单站年均收益率超过 5000 元。 表 6 换电站削峰需求响应经济性 主要假设 聚合商固定投资（元） 2500 单次响应时长（小时） 1 单站充电功率（千瓦） 60-120 响应单价（元 / 千瓦时） 6 响应类型 削峰 响应速度 提前 30 分钟 响应率（%） 81.2% 分析结果 响应次数（次 / 年） 3 5 10 年均收益（元 / 年） 1512 2520 5040 内部收益率（%） 60% 101% 202% 图 8 基于目前试点的响应情况，对上海市三类充电设施总体所能提供的需求响 应规模和收益率水平进行了比较。就参与需求响应的市场规模来看，专用充电桩的 功率规模接近 210 兆瓦，为各类充电设施中最高。从试点结果看，目前私人充电桩 响应率偏低，但由于私人充电桩数量多、车辆接入时间长，其需求响应的挖潜空间 仍然很大。 换电站响应率最高， 但由于数量较少， 且一定程度受换电服务强度的影响， 目前看来总体响应规模相对有限。就参与需求响应的收益水平看，以目前上海市换 电网络运营强度看，换电站参与需求响应的收益率最高。虽然专用及私人充电桩收 益率相对偏低，但也分别达到 21% 和 9%。17 上海市需求响应试点案例 图 8 上海市三类充电设施需求响应收益率及应用规模对比 注：1. 需求响应频率为 5 次 / 年 2. 需求响应规模按当前上海市当前充电设施数量及试点响应率测算。 综上所述，换电站参与需求响应的必要前提是拥有一定换电裕度，换电服务强度 的下降或增加换电站备用电池都可实现类似效果。但也要看到，虽然通过增加备用电 池数量可以相应提升充电灵活度，但单纯为参与需求响应增加备用电池近似于储能电 站的运营模式，在目前的响应频次及响应补偿水平下，该模式的经济性显然不足。需 要注意的是，目前上海市电动汽车参与需求响应的补偿直接采用竞价交易报价的上限 执行，未来市场化下的补偿价格可能因用电负荷增长、新能源接入、需求侧资源增多 等因素产生波动，这对充电负荷集成商成本控制和抗风险能力有更高要求。 表 7 内部收益率对响应单价减半的敏感度对比 私人桩 公共桩 换电站 响应单价（元 / 千瓦时） 0.96 0.48 2.4 1.2 6 3 内部收益率（%） 9% -2% 21% 6% 101% 50% 此外，尽管本案例中参与需求响应的车辆以纯电动车型为主，但上海市插电式 混合动力车型占比较高 10 ，一方面插电式车型有限的充电需求将影响其需求响应规 模；另一方面由于里程焦虑较小，插电式车型用户参与需求响应的接受度可能相对 较高，其参与需求响应的综合效果仍有待更多样本数据验证。 10 上海市插电式混合动力汽车约占新能源汽车累计推广量 70%。18 电动汽车与电网互动的商业前景 三、试点经验 ( 一 ) 三类充电设施参与电力需求响应竞争力对比 结合试点效果与经济性分析，表 8 对三类充电设施参与电力需求响应的竞争力 进行了对比。从上海市需求响应试点经验看，虽然处于统一充换电平台，但各类充 换电设施参与电力需求响应的能力迥异。电动汽车接入私人桩的时段往往在傍晚至 凌晨， 更加适合参与负荷填谷， 而专用桩和换电站的调节灵活度较高。 从试点结果看， 专用桩和换电站可实现相对集中管理，对调度指令的响应率也较高。需求响应资源 量方面，私人桩和专用桩的规模潜力较大，应提前设计激励机制，加大私人桩和专 用桩的资源潜力挖掘力度。虽然目前换电站具有一定调节潜力，但随着换电需求日 益提升，其日间参与需求响应的能力取决于换电站的综合管控能力。 表 8 试点案例三类充电设施需求响应竞争力对比 私人桩 专用桩 换电站 填谷 / 削峰 填谷 削峰 / 填谷 削峰 / 填谷 响应率 低 较高 高 资源潜力 高（数量） 高（响应率） 有限 日内调峰 可行 可行 可行 需要注意的是，参与需求响应的立足点在于平日负荷基线，若电力用户平日已 针对峰谷电价进行错峰用电或低谷用电，其参与需求响应的空间也可能受到影响。 由于本次采集的各类充电设施平日基本未享受峰谷电价，因此不存在峰谷电价与需 求响应价值冲突的问题。但对于平日执行峰谷电价的充电设施而言，由于参与需求 响应与错峰充电的行为具有一定共性，其参与需求响应的实际效果仍需探讨。 ( 二 ) 错峰充电用户参与需求响应的潜力 电动汽车错峰充电可分为直接错峰充电和智能错峰充电两类，其中直接错峰充 电指从电价低谷起始时段立即开始满功率充电直至充满，而智能错峰充电指将不同 车辆的充电功率在电价低谷时段内进行先后排序，从而形成较为平缓的低谷充电曲 线。图 9 为电动汽车参与需求响应与错峰充电效果叠加示意图。图中蓝色折线为目 前上海市工商业峰谷电价曲线，红色曲线为上海市电网负荷曲线（夏季归一负荷），19 上海市需求响应试点案例 红色柱状图分别代表典型填谷响应时段（3：00-5：00）和削峰时段（11：00-13： 00）。若电动私家车一天一充，每日充电需求为 7 千瓦时，按交流充电桩 7 千瓦 功率计算，每天充电时长仅 1 小时。若是住宅区夜间低谷充电，则充电起止时间为 22：00-23：00，与通常凌晨填谷需求响应时段（集中在 3：00-5：00）仍有一定距 离，电动汽车进一步参与需求响应的空间仍然很大。对于办公地日间平价时段充电， 则充电起止时间为 11：00-12：00，该时段与上海市目前夏季用电负荷高峰或削峰需 求响应时段（集中在 11：00-13：00）具有较高重合度。因此，对于日常错峰充电的 办公地充电设施而言，仍具有参与削峰响应的能力。 图 9 需求响应与直接错峰充电效果重合示意图 注：错峰充电：办公地（11-13 时），居住地（22-23 时）；需求响应：填谷（3-5 时），削 峰（11-13 时）；峰谷电价：峰时段（8-11 时、18-21 时），平时段（6-8 时、 11-18 时、 21-22 时），谷时段（22 时 - 次日 6 时）。 对于智能错峰充电桩而言，其充电负荷可在电价低谷（住宅区）或电价平段（办 公地）时段进行平均分配，错峰充电行为与需求响应时间重合概率更高，但重合程 度有限，即采用智能错峰充电的用户仍然有一定参与需求响应的潜力。20 电动汽车与电网互动的商业前景 图 10 需求响应与智能错峰充电效果重合示意图 注：智能充电：办公地（11-18 时），居住地（22 时 - 次日 6 时） ；需求响应：填谷（3-5 时）， 削峰（11-13 时）；峰谷电价：峰时段（8-11 时、18-21 时），平时段（6-8 时、11-18 时、 21-22 时），谷时段（22 时 - 次日 6 时）。 因此，日常执行低谷充电的电动汽车仍然可以凭借需求响应获得额外收益。以 住宅区私人充电桩为例，即使低谷充电时段（8 小时）充电负荷与填谷需求响应存在 2 小时重合，其仍有 75% 充电负荷具有填谷响应的能力，即可通过参与需求响应缩 短智能充电设施投资回收期。 ( 三 ) 需求响应实施方式 为提升执行效率