(1.山東科技大學(xué)交通學(xué)院 山東 青島 266590；2.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院 山東 青島 266590)

電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃與收益

鄒亞男1宋著賀2

(1.山東科技大學(xué)交通學(xué)院山東青島266590；2.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院山東青島266590)

電動(dòng)汽車的發(fā)展需要合理規(guī)劃的充電站與之匹配，充電站是電動(dòng)汽車在城市間行駛的保證。采用蒙特卡羅方法模擬大量電動(dòng)汽車的充電行為，以充電站配電系統(tǒng)網(wǎng)損最小、以及俘獲的交通流量最大為目標(biāo)，建立了充電站最優(yōu)規(guī)劃的一個(gè)多目標(biāo)決策模型，接著采用層析分析法，確定歸一化后各個(gè)目標(biāo)函數(shù)合理的權(quán)重系數(shù)，把多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)成單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。最后求解該單目標(biāo)優(yōu)化模型，確定充電站的候選地址和容量。提高充電站經(jīng)濟(jì)效益是運(yùn)營(yíng)商需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題，充電站通過(guò)相關(guān)的技術(shù)改造，可以實(shí)現(xiàn)V2G功能，向電網(wǎng)反向送電，實(shí)現(xiàn)收益最大化。

電動(dòng)汽車；交通流量；充電站規(guī)劃；充電站收益

一、引言

近年來(lái)，黨和國(guó)家日益重視科學(xué)發(fā)展，原來(lái)以破壞環(huán)境換取經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的發(fā)展模式日漸被科學(xué)發(fā)展觀所取代，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)已成為國(guó)家一項(xiàng)發(fā)展戰(zhàn)略。隨著科技的不斷成熟，制約新能源電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被攻破，電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)及電池管理系統(tǒng)成功應(yīng)用于實(shí)際。關(guān)于新能源汽車的研究，我國(guó)發(fā)布《關(guān)于“十三五”新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施獎(jiǎng)勵(lì)政策及加強(qiáng)新能源汽車推廣應(yīng)用的通知》，給予了必要的重視，同時(shí)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。在“十五”期間，電動(dòng)汽車就列入了國(guó)家“863”計(jì)劃科技重大專項(xiàng)。

二、意義

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策扶持力度加碼，各地政府逐步加快了充電設(shè)施建設(shè)規(guī)劃。我國(guó)將2020年新能源汽車保有量目標(biāo)設(shè)定為500萬(wàn)輛，配套設(shè)施充電樁將計(jì)劃建設(shè)480萬(wàn)個(gè)、充電站1.2萬(wàn)座。而據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止今年3月份，我國(guó)充電樁保有量估算為6.3萬(wàn)個(gè)。充電站約2350座。顯示與目標(biāo)的懸殊差距意味著，充電樁建設(shè)在未來(lái)幾十年將駛?cè)肟燔嚨?。電?dòng)汽車充電站的布局要滿足城市的總體規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、用戶的分布和需求，以及建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，然而，當(dāng)前充電站的建設(shè)存在著土地、成本、服務(wù)能力、使用便捷程度等多方面問(wèn)題[1]。

三、充電站的規(guī)劃

為了滿足電動(dòng)汽車用戶充電負(fù)荷，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的充電站額定容量應(yīng)不小于電動(dòng)汽車的最大充電負(fù)荷需求?？紤]到在沒有經(jīng)濟(jì)等相關(guān)手段引導(dǎo)下，車主會(huì)根據(jù)自己的使用習(xí)慣充電，充電負(fù)荷具有很大的隨機(jī)性，采用蒙特卡羅方法模擬大量電動(dòng)汽車的充電行為[2]。

確定規(guī)劃區(qū)內(nèi)的最大充電負(fù)荷后，綜合考慮充電站的普通用電設(shè)施和城市交通公共服務(wù)設(shè)施的雙重屬性，以充電站配電系統(tǒng)網(wǎng)損最小、以及俘獲的交通流量最大為目標(biāo)，建立了充電站最優(yōu)規(guī)劃的一個(gè)多目標(biāo)決策模型：

(一)目標(biāo)函數(shù)

1.交通流量最大

maxf1=[∑q∈Qfqyq]

(1)

fq=WOWD/(dq×1.5)

(2)

式中：q為電動(dòng)汽車從出發(fā)地O到達(dá)目的地D之間的最短路徑；Q為最短路徑的全集，假設(shè)交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，考慮到對(duì)稱性，且不考慮環(huán)路，則共有n(n-1)/2條最短路徑；fq為路徑q上的交通流量；WO為路徑q起點(diǎn)O的權(quán)重；WD為重點(diǎn)D的權(quán)重；dq為路徑q的長(zhǎng)度；yq表示路徑q上的交通流量是否被俘獲，如果是，則為1，否則為0.

2.配電系統(tǒng)網(wǎng)損最小

(3)

(二)約束條件

1.充電站帶負(fù)荷能力約束

(4)

式中：Wmax為綜合考慮了車主出行特征，以及電動(dòng)汽車數(shù)量、電池容量等因素計(jì)算得出的最大充電負(fù)荷需求；m為充電站的種類。

2.充電站建設(shè)個(gè)數(shù)限制

考慮到城市土地資源一般比較緊張，為了避免資源閑置所引起的浪費(fèi)，應(yīng)限制規(guī)劃區(qū)內(nèi)充電站個(gè)數(shù)：

(5)

式中：M為允許建設(shè)的充電站個(gè)數(shù)。

3.現(xiàn)實(shí)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多只能建設(shè)一種類型充電站

(6)

接著采用層析分析法，確定歸一化后各個(gè)目標(biāo)函數(shù)合理的權(quán)重系數(shù)，把多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)成單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。最后求解該單目標(biāo)優(yōu)化模型，確定充電站的候選地址和容量。

四、充電站收益

提高充電站經(jīng)濟(jì)效益是運(yùn)營(yíng)商需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題，充電站通過(guò)相關(guān)的技術(shù)改造，可以實(shí)現(xiàn)V2G功能，向電網(wǎng)反向送電，充電站也可以因此獲得一筆可觀收益。本文對(duì)充電站運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行了研究，對(duì)比了幾種不同的充電站運(yùn)營(yíng)模式的優(yōu)缺點(diǎn)，并以滿足車主使用需求為前提，充電站運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益的最大化為目標(biāo)，構(gòu)建了充電站內(nèi)電動(dòng)汽車優(yōu)化充放電模型，以期通過(guò)合理安排電動(dòng)汽車充放電實(shí)現(xiàn)充電站收益最大化。

五、結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車充電站是電動(dòng)汽車能源補(bǔ)給的基礎(chǔ)設(shè)施，所以對(duì)充電站的規(guī)劃建設(shè)是電動(dòng)汽車得到普及的重要前提[4]。現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)多數(shù)將充(換)電站作普通的用電設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃，而忽視了其公共服務(wù)性的特性。事實(shí)上，電動(dòng)汽車充電站具有兩方面屬性。首先，充電站是一種城市交通公共服務(wù)設(shè)施，其功能類似于加油站，都是為車輛提供服務(wù)；其次，充電站是一種用電設(shè)施，其規(guī)劃建設(shè)要考慮對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)諸多方面的影響。因此，如何在滿足相關(guān)約束條件的情況下，充電站能夠?yàn)楦嗟能囍魈峁┍憷?wù)，就是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

電動(dòng)汽車充電站能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車提供充電、維修等服務(wù)，是發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)所必須的配套設(shè)施。電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃卻不同，不僅要考慮服務(wù)范圍和規(guī)模，還要考慮用戶充電的便捷。充電站布局規(guī)劃的模型和計(jì)算方法尚不成熟[3]。

[1]中國(guó)投資資訊網(wǎng)；

[2]王輝.電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃與運(yùn)營(yíng)研究[D].浙江大學(xué),2013.

[3]熊虎,向鐵元,祝勇剛,宋旭東,陳浩,陳紅坤.電動(dòng)汽車公共充電站布局的最優(yōu)規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(23):65-70.[2017-09-09].

[4]何戰(zhàn)勇.電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃方法及運(yùn)營(yíng)模式研究[D].北京交通大學(xué),2012.

鄒亞男(1991-)，女，漢族，山東省青島市黃島區(qū)，山東科技大學(xué)交通學(xué)院,碩士研究生,交通運(yùn)輸工程專業(yè)。