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        基于改進(jìn)蛙跳算法的電動(dòng)汽車有序充電策略

        2022-09-23 14:05:24馮起鵬
        關(guān)鍵詞:蛙跳青蛙電動(dòng)汽車

        馮起鵬

        (黑龍江科技大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150000)

        0 引言

        隨著化石能源瀕臨枯竭,低碳生活逐漸成為主流,目前各國(guó)都在大力發(fā)展新能源汽車,其中電動(dòng)汽車(EV)占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位。中國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車及其基礎(chǔ)設(shè)施給予了許多支持,并不斷出臺(tái)相關(guān)政策。隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展,電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行和控制產(chǎn)生了巨大的影響,因此亟需解決電動(dòng)汽車有序充電的問題。

        目前,有很多關(guān)于電動(dòng)汽車充電行為管理的研究,文獻(xiàn)[1]討論了利用分時(shí)電價(jià)指導(dǎo)電動(dòng)汽車充電的問題。文獻(xiàn)[2]設(shè)定了住宅容量的上限、最高的代理收入和最低的用戶成本,提出了一種可以降低變壓器過載危險(xiǎn)、減少負(fù)荷波動(dòng)的定價(jià)策略。文獻(xiàn)[3]只把用戶的最低充電成本作為優(yōu)化目標(biāo),沒有充分考慮用戶的其他需求,在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。文獻(xiàn)[4]提出的電網(wǎng)選擇方法包括對(duì)配電容量的限制,在一定程度上對(duì)電動(dòng)汽車的有序充電規(guī)劃進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)利用優(yōu)化算法解決實(shí)際問題有一定的指導(dǎo)意義。筆者在蛙跳算法的基礎(chǔ)上,以降低用戶充電費(fèi)用、減少峰谷差率為目標(biāo),提出了一種基于改進(jìn)蛙跳算法的電動(dòng)汽車有序充電方法。

        1 電動(dòng)汽車充電模型

        1.1 電池充電模型

        目前,市場(chǎng)上的充電樁基本上都采用恒流充電。在近似線性充電達(dá)到80%后,為保護(hù)電池,開始涓流充電,因此可以建立電池充電模型,如公式(1)所示。

        式中:為總充電時(shí)間,h;為電動(dòng)汽車電池總?cè)萘?,Wh;W為充電開始時(shí)電池剩余電量,Wh;為充電功率,W;為充電效率;ΔT為涓流充電時(shí)間,h。

        1.2 車輛日常返回社區(qū)時(shí)間模型

        根據(jù)美國(guó)交通部的《美國(guó)日出法調(diào)查報(bào)告》可知,在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后,車輛在一天內(nèi)最終返回社區(qū)的時(shí)間基本符合正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)f()如公式(2)所示。因此,用戶每日返回小區(qū)的時(shí)間分布如圖1所示。

        圖1 車輛返回時(shí)間分布

        式中:為用戶返回小區(qū)時(shí)間;μ為期望值,μ=17.47;σ為標(biāo)準(zhǔn)差,σ=3.41。

        1.3 電動(dòng)汽車初始電量模型

        人們使用電動(dòng)車的行駛里程一般不超過50 km,而電動(dòng)車的巡航里程一般大于200 km,說明每天的電池剩余電量大于60%。為了保護(hù)電池,在大多數(shù)情況下,當(dāng)電池電量高于60%時(shí),人們就不會(huì)充電,然而,在上文中有許多是用汽車的每日里程數(shù)結(jié)合電池容量和每百公里的耗電量來預(yù)測(cè)汽車的每日電池電量。筆者認(rèn)為,這種方法的可靠性有待檢驗(yàn)。因此,該文參考文獻(xiàn)[4],采用電動(dòng)汽車初始電量的市場(chǎng)調(diào)研蓄電池功率分布概率作為蓄電池初始充電功率的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。電池初始電量的概率分布如圖2所示。

        圖2 電池初始電量分布

        2 電動(dòng)汽車有序充電模型

        住宅小區(qū)的日負(fù)荷如圖3所示,從圖3中可以看出其有一定的規(guī)律性。住宅小區(qū)的負(fù)荷峰值區(qū)基本集中在17:00~23:00,負(fù)荷低谷區(qū)則主要集中在0:00~07:00,而其余時(shí)間被認(rèn)為是用戶外出時(shí)間,沒有用戶充電,因此該文主要研究17:00~07:00的有序充電管理。

        圖3 住宅小區(qū)日負(fù)荷

        2.1 電網(wǎng)負(fù)荷峰值優(yōu)化

        由于社區(qū)配電能力有限,因此當(dāng)社區(qū)內(nèi)有額外的充電負(fù)荷時(shí),須保證汽車充電負(fù)荷和居民用電負(fù)荷不超過變壓器最大負(fù)荷,如公式(3)所示。

        式中:為變壓器額定容量,kVA;為電動(dòng)汽車充電負(fù)荷,kW;為日常居民用電負(fù)荷,kW。

        2.2 負(fù)荷峰谷差最小

        當(dāng)小區(qū)用戶集聚充電時(shí),負(fù)荷曲線上就會(huì)出現(xiàn)“峰加峰”的現(xiàn)象,從而加大峰值和谷值的差距,進(jìn)而嚴(yán)重影響電網(wǎng)的平衡,且會(huì)造成不合理利用電網(wǎng)資源的問題。為降低負(fù)荷峰谷差率而建立的目標(biāo)函數(shù)如公式(4)所示。

        式中:為最大負(fù)荷,kW;為最小負(fù)荷,kW。

        2.3 充電費(fèi)用最小

        采用分時(shí)電價(jià)的方式引導(dǎo)用戶在電價(jià)較低的電網(wǎng)負(fù)荷低谷期充電,從而盡可能地達(dá)到抑峰填谷的效果,有效降低電網(wǎng)峰值,保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。為減小充電成本而建立的目標(biāo)函數(shù)如公式(5)所示。

        式中:為電動(dòng)汽車數(shù)量,個(gè);C為該時(shí)段的分時(shí)充電電價(jià),元·(kW·h);P為第輛電動(dòng)汽車充電量,kW·h;T為優(yōu)化時(shí)間步長(zhǎng),T=0.25;X為取值只能為0或1(當(dāng)X=0時(shí),表示第輛電動(dòng)汽車在時(shí)段未充電,當(dāng)X=1時(shí),表示在充電)。

        將這2個(gè)目標(biāo)子函數(shù)進(jìn)行加權(quán)相加就可以建立最終的有序充電目標(biāo)函數(shù),如公式(6)所示。

        式中:、分別為各子目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù),且+=1。

        3 蛙跳算法

        3.1 算法原理

        蛙跳算法是一種根據(jù)青蛙跳躍到不同地點(diǎn)尋找食物的后啟發(fā)式群體進(jìn)化算法,該算法的主要思想是使每個(gè)局部解都達(dá)到最優(yōu),進(jìn)而使整個(gè)算法達(dá)到最優(yōu),是一個(gè)從局部最優(yōu)到全局最優(yōu)的過程。其結(jié)合了基于模因進(jìn)化的模因演算法以及以社會(huì)行為為基礎(chǔ)的粒子群算法的優(yōu)點(diǎn),不僅計(jì)算速度快,而且全局搜索能力強(qiáng),蛙跳算法流程如圖4所示。首先,建立包括只青蛙個(gè)體的初始種群。其次,通過求解種群內(nèi)所有青蛙個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值來對(duì)青蛙個(gè)體進(jìn)行降序排列,記下當(dāng)前種群中最小目標(biāo)函數(shù)值。再次,按照一定的規(guī)則將初始種群平均分成數(shù)個(gè)模因組,再將每個(gè)模因組中的最小目標(biāo)函數(shù)值的青蛙記為,最大目標(biāo)函數(shù)值的青蛙記為。最后,對(duì)模因組內(nèi)的每個(gè)青蛙執(zhí)行局部位置更新,其更新公式如公式(7)、公式(8)所示。

        圖4 蛙跳算法流程圖

        式中:為青蛙移動(dòng)步長(zhǎng);為0~1的隨機(jī)數(shù);為步長(zhǎng)下限;為步長(zhǎng)上限。

        如果更新后得到的青蛙優(yōu)于原來的青蛙,則可替代原模因組內(nèi)的青蛙;否則,用之前種群最小目標(biāo)函數(shù)值的青蛙代替,執(zhí)行局部位置更新操作。如果仍然不能獲得擁有更好目標(biāo)函數(shù)值的青蛙或移動(dòng)過程中超過了青蛙所允許的最大移動(dòng)距離,那么就隨機(jī)生成一個(gè)新的青蛙直接替代原來的。重復(fù)數(shù)次以上局部位置更新操作,并將所有模因組內(nèi)的青蛙重新混合排序和劃分模因組,再執(zhí)行下一輪的數(shù)次局部位置更新操作,直到達(dá)到混合最大迭代次數(shù)。

        3.2 改進(jìn)的蛙跳算法

        在對(duì)蛙群進(jìn)行排序后,將除之外的其他青蛙個(gè)體的平均值作為中間因子。重新混合后,將其分為2個(gè)新的子種群,分別計(jì)算2個(gè)子種群的平均值,如果其中一個(gè)平均值的適應(yīng)度比中間因子所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度差,則淘汰該子種群,選擇未被淘汰的種群以更新。然后在未淘汰的種群內(nèi)重復(fù)上述操作。

        在蛙跳算法中,步長(zhǎng)為0~1的隨機(jī)數(shù)與位置差值的乘積。引入一個(gè)大于1的加速因子,以適當(dāng)增大步長(zhǎng),在加快局部收斂速度的同時(shí),保證算法平穩(wěn)地進(jìn)行。新的位置更新公式如公式(9)~公式(11)所示。

        式中:F為青蛙種群中除了的其他青蛙個(gè)體;為加速因子。

        4 算例分析

        4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

        假設(shè)某小區(qū)共有500個(gè)家庭,每個(gè)家庭都擁有1輛汽車。電動(dòng)汽車的普及率為10%,充電效率為0.95,電池容量為48.78 kW·h,充電功率為7.0 kW,限流充電時(shí)間Δ=2 h。變壓器配電容量為1 300 kVA,功率因數(shù)為0.9,效率為0.95,則最大負(fù)荷為1 111.5 kW。為了引導(dǎo)用戶在電網(wǎng)閑時(shí)充電,現(xiàn)擬采用分時(shí)電價(jià)措施,分時(shí)電價(jià)見表1。假設(shè)小區(qū)用戶每日從17:00陸續(xù)回家,并從此時(shí)陸續(xù)開始充電,每日7:00出門且不再充電。

        表1 分時(shí)電價(jià)

        4.2 仿真結(jié)果分析

        在MATLAB軟件中,采用蒙特卡洛方法生成隨機(jī)數(shù)的方式對(duì)多種情況下小區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷96時(shí)段(1 h分為4段,因此1 d為244=96時(shí)段)進(jìn)行模擬,當(dāng)電動(dòng)汽車采用無序充電和有序充電時(shí),小區(qū)的總負(fù)荷曲線如圖5、圖6所示。

        由圖5可知,用戶在返回小區(qū)后直接充點(diǎn),給電網(wǎng)增加了極大的負(fù)擔(dān),且造成了嚴(yán)重的“峰加峰”現(xiàn)象,并超過了最大負(fù)荷,增加了電池載荷的峰谷差。

        圖5 無序充電小區(qū)日負(fù)荷

        由圖6可知,有序充電的“峰加峰”現(xiàn)象并不明顯,幾乎可以忽略不計(jì);而且在不增加充電負(fù)荷的情況下,電池負(fù)荷的峰谷差也會(huì)變小。將有序充電和無序充電的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,見表2。

        圖6 有序充電小區(qū)日負(fù)荷

        由表2可知,該文的有序充電方法可以有效地抑峰填谷,避免了小區(qū)負(fù)荷的上峰和增峰,在保障小區(qū)正常負(fù)荷的基礎(chǔ)上,盡可能地滿足用戶的充電需求。有序充電降低了電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)和用戶的充電成本,實(shí)現(xiàn)了多方共贏的局面。在充電過程中,充分考慮用戶的體驗(yàn),提高用戶的滿意度。通過仿真結(jié)果可知,該文提出的有序充電方法達(dá)到了預(yù)期目的。

        表2 有序充電和無序充電數(shù)據(jù)對(duì)比

        5 結(jié)語

        該文提出了一種基于改進(jìn)蛙跳算法的社區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車的有序充電方法,在不改變社區(qū)原有配電網(wǎng)、完成充電任務(wù)的情況下,降低了用戶的充電成本,且保證社區(qū)內(nèi)的電力分配在充電過程中,網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因額外的充電負(fù)荷而長(zhǎng)時(shí)間過載,峰谷差率從61.20%降至35.99%,有利于電網(wǎng)安全運(yùn)行。

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