電動汽車充電站規(guī)劃模型及評價方法

張成，滕歡

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都610065）

電動汽車充電站規(guī)劃模型及評價方法

張成，滕歡

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都610065）

電動汽車充電站是電動汽車相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，也是電動汽車未來大規(guī)模應(yīng)用的必要前提。首先用網(wǎng)格法確定規(guī)劃區(qū)充電站站址，并提出了負荷率控制系數(shù)和充電負荷密集區(qū)等概念，接著建立了充電站規(guī)劃模型和充電站盈利模型。運用充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度4類評價指標(biāo)對充電站的選址與整體經(jīng)濟性進行了評價。案例分析表明了規(guī)劃方法的有效性和適應(yīng)性。

電動汽車；充電站；評價指標(biāo)；規(guī)劃

電動汽車是新能源汽車的主要發(fā)展方向，具有廣闊的市場前景和重大的經(jīng)濟、社會、環(huán)保等戰(zhàn)略意義[1-4]。

國內(nèi)外學(xué)者從電動汽車使用對電力系統(tǒng)的影響[5，6]、電動汽車充電電價的確定[7]、計及入網(wǎng)電動汽車不確定的隨機經(jīng)濟調(diào)度[8]、電動汽車與智能電網(wǎng)的標(biāo)準化工作[9]和電動汽車充電站的選址定容[10，11]以及電動汽車充電站的運營模式[12，13]等方面做了較多的研究工作。對于電動汽車充電站選址定容方面的研究可以分為2類：①從充電站運營商的角度出發(fā)，以充電站投資運營成本最小建立目標(biāo)函數(shù)；②從社會的角度出發(fā)，以充電公司和充電者總成本最小建立目標(biāo)函數(shù)。文獻[11]和文獻[14]分別采用計及地理因素和服務(wù)半徑的2步篩選法和面向充電需求的不規(guī)則分區(qū)法確定站址，以充電站的投資、運行及維護成本最小為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)來確定站容；文獻[10]認為電動汽車充電站選址與規(guī)模的確定既要考慮因電網(wǎng)改建、土地購置、環(huán)境治理等成本，又要考慮充電站建成后的社會效益，使充電公司和充電者總成本最小，并采用2階段算法進行計算：即第1階段確定充電站站址，第2階段確定充電站站容。目前對于電動汽車充電站的規(guī)劃主要是從經(jīng)濟性出發(fā)對其選址布點與容量的研究，對于確定模型如何評價卻很少涉及。

基于此，本文以網(wǎng)格法確定充電站站址，并提出相應(yīng)的站容規(guī)劃模型和充電站盈利模型；為了評價充電站設(shè)計的合理性以及比較不同充電站規(guī)劃方式的優(yōu)劣，提出了充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度等4類評價指標(biāo)。通過實例分析，證明了該方法的有效性。

1 充電站規(guī)劃

1.1 規(guī)劃原則

充電站的建設(shè)必須遵循就近服務(wù)原則和發(fā)展與市場需求保持一致等原則。若其建設(shè)規(guī)模與速度落后于市場需求，則會阻礙電動汽車的推廣；若供大于求，則容易造成土地、設(shè)備、資金等資源的浪費。此外，充電站的設(shè)置還應(yīng)滿足城市總體規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃要求[15]。

1.2 規(guī)劃模型

1.2.1 充電站規(guī)劃模型

本文用網(wǎng)格法[16]確定充電站站址，該方法基于各區(qū)域機會均等和充電站就近供電原則，自動考慮電動汽車充電負荷分布情況，具體步驟如下。

步驟1根據(jù)可能的最大充電站個數(shù)對規(guī)劃區(qū)（不含已有充電站）進行冗余均等網(wǎng)格劃分，并以各網(wǎng)格中心作為候選充電站站址。

（1）確定新建充電站個數(shù)N的范圍[Nmin，Nmax]。

（2）把規(guī)劃區(qū)均等地劃分成（Nmax+1）2個區(qū)域，以形成（Nmax+1）2個網(wǎng)格，然后將各網(wǎng)格的幾何中心作為充電站的候選初始位置，此時充電站的候選個數(shù)N=（Nmax+1）2。

步驟2記錄當(dāng)前的N個初始位置，把電動汽車充電負荷分配給鄰近的候選充電站站址。

步驟3選出帶充電負荷最小的候選充電站將其舍棄，充電站的候選個數(shù)N的值減小1。

步驟4若N>Nmin，則返回步驟2，否則繼續(xù)。

步驟5得到所有N∈[Nmin，Nmax]的充電站位置。

按此方法逐步減少充電站個數(shù)，并最終確定合適的充電站站址。把距同一充電站距離相等或近于相等（假設(shè)偏差10%以內(nèi)）的充電負荷視為一個集合，稱之為充電負荷密集區(qū)。

由于負荷率控制系數(shù)e的存在，則充電站的控制日供電量應(yīng)等于充電站的建設(shè)容量乘以e，為了保證每個充電站正常工作，每個充電站的平均負荷率應(yīng)有一定的裕量，本文設(shè)為10%。充電站規(guī)劃模型的約束條件為充電站供電能力和服務(wù)半徑，但由于電動汽車充電受多種因素的影響，并不一定會選擇最近的充電站充電，如最近充電站已滿員需要長時間等待，則可能選擇次近較空閑的充電站進行充電。

綜上所述，以充電站投資、運行及維護費用最小為目標(biāo)建立的充電站規(guī)劃模型為

式中：C為折算到每年的充電站投資、運行及維護費用；dfix為充電站的固定投資系數(shù)；dvar為充電站的可變投資系數(shù)；dop為充電站運行維護費用折算系數(shù)；m為充電站的設(shè)計使用年限；r0為年利率；Si為充電站i的建設(shè)容量；Ji為充電站i供電的充電負荷密集區(qū)；Wj為充電站i的所供充電負荷密集區(qū)中的負荷j的充電需求量；lij為第i個充電站到第j個充電負荷間距離；R為充電站允許的最大供電半徑。

1.2.2 充電站盈利模型

根據(jù)我國的實際情況，充電站一般由電力供應(yīng)商投資建設(shè)。設(shè)充電站的年純收益為P，假設(shè)一定時期內(nèi)充電站零售電價和上網(wǎng)電價恒定，建立的盈利模型為

式中：Dc為充電電價（即充電站零售電價）和上網(wǎng)電價差；Ncd為年充電量，指一個標(biāo)準充電站運營商每年提供給電動汽車的充電總量，其最大供電量受式（4）中第一個約束條件的限制。

2 評價指標(biāo)

對于評價充電站設(shè)計的合理性程度以及比較不同充電站規(guī)劃方式的優(yōu)劣，本文提出了充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度等4個評價指標(biāo)，作為進一步分析充電站布局合理性及充電站效益評估的基本依據(jù)。

2.1 充電站的日負荷率

某個充電站的實際日負荷率η等于該充電站的日售電量除以該充電站的建設(shè)日供電能力，即

式中：N1為充電負荷密集區(qū)的個數(shù)；Bij為第j個充電負荷密集區(qū)分配到第i個充電站的電動車數(shù)；Wij為電動汽車日充電需求量。

所有充電站的日平均負荷率等于各個充電站負荷率的算術(shù)平均值，即

2.2 投資回收期

投資回收期是投資者收回成本的最短期限。由前所述，充電站的年純收益為P，則總投資模型為

式中：Ai為i個充電站建設(shè)的總投資額；i0為基準收益率（即在貸款利率的基礎(chǔ)上再加5%風(fēng)險系數(shù)）。由此可得第i個充電站的投資回收期Ti為

代入相應(yīng)的充電站建站的總投資、年純收益等參數(shù)，可計算得到整個地區(qū)充電站整體投資回收期、在現(xiàn)有布局的條件下第i個充電站的投資回收期和充電站的平均投資回收期。

2.3 充電行駛里程（空駛里程）

為充電而行駛的里程顯然是越小越有利于減少交通擁擠、無效能耗和時間，其相應(yīng)的充電行駛里程計算公式為

式中：Di為第i個充電站的電動汽車的日平均充電里程；Dij為第j個充電負荷密集區(qū)到第i個充電站的距離為所有電動汽車的日平均充電里程。

2.4 綜合滿意度

對于某個充電站而言單個評價指標(biāo)的高低并不能完全決定其設(shè)計的優(yōu)劣。因為電動汽車選擇某個充電站進行充電可能受多種不確定因素影響，充電者希望充電行駛里程越小越好。因此，綜合充電站和充電者各方利益，建立綜合評價指標(biāo)，即綜合滿意度為

式中：Zm，i為第i個充電站的日綜合滿意度，其值越大說明該充電站設(shè)計越合理，反之，則相對較差；Ti為第i個充電站投資回收期（一年取365 d）；ε為平衡量綱為某規(guī)劃區(qū)所有充電站的日平均綜合滿意度。

3 案例分析

本文以電動汽車處于商業(yè)運行階段的某規(guī)劃區(qū)作為討論對象，示范階段和公益變化階段暫不做討論[14]。設(shè)某規(guī)劃區(qū)擁有電動汽車1 800輛，按照第1節(jié)的方法最終確定的充電站個數(shù)為3個，并且充電負荷密集區(qū)為4個。最終各充電站的充電車輛數(shù)ZD、各充電負荷密集區(qū)實際分配到各充電站的車輛數(shù)如表1所示，各充電負荷密集區(qū)到各充電站的平均距離如表2所示。

假設(shè)每輛車平均每天充電2次，平均每次充電30 kW·h，平均每次充電時間為1 h，此規(guī)劃區(qū)的平均電價差價為0.1元/（kW·h），年利率r0為8%，充電站的設(shè)計使用年限均為30 a，則充電站的評價標(biāo)準，如表3所示。

由表3可知，充電站Z3的設(shè)計最好。

表1 各充電站的車輛分布Tab.1Vehicle distribution of each charging station千輛

表2 各充電站的距離分布Tab.2Distance distribution of each charging station km

表3 充電站評價標(biāo)準Tab.3Evaluation criterions of charging station

4 結(jié)語

本文利用網(wǎng)格法確定了充電站站址，建立了相應(yīng)的站容規(guī)劃模型和充電站盈利模型；為了衡量模型的有效性，比較其他規(guī)劃方法的優(yōu)劣性，還提出了充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度4項評價指標(biāo)；通過實例驗證了該方法的有效性。

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Planning Model and Evaluation Method for Electric Vehicle Charging Station

ZHANG Cheng，TENG Huan
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The charging station is an important component of the electric vehicle's infrastructure.It is also the prerequisite of future′s large scale application of electric vehicles.This paper uses grid method to determine the sites of charging station in the planning area，and proposes two new concepts including the load rate coefficient and charging load concentrated area.Then a charging station planning model and charging station profit model are established.At last four evaluation indexes including the charging station load rate，the investment capital，the charging trip mileage and the comprehensive satisfaction degree are proposed to evaluate the site selection and the whole economy of charging station. Analysis results show that the planning method is effective and adaptable.

electric vehicle；charging station；evaluation method；planning

TM711

A

1003-8930（2014）01-0049-04

張成（1987—），男，碩士研究生，研究方向為負荷預(yù)測，電動汽車充電站規(guī)劃等。Email：624159858@qq.com

2012-03-05；

2012-03-29

滕歡（1964—），女，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化科研、教學(xué)及工程實踐。Email：434988455@qq.com