電動汽車充放電優(yōu)化管理

林學星 陳瑞 張浪 譚艷祥

摘要：首先分析電動汽車充電行為特征量，從而計算了1萬輛車年需用電量為2163720kWh，然后對數(shù)據(jù)作一步處理，通過調(diào)優(yōu)計算，得出當充電站交流1級、交流2級、直流充電這三個充電功率等級比例為0：6.9：1時，既能滿足用戶的需求（即在充電連接時長內(nèi)獲取預期的充電電量），也能減少設備投資。

關鍵詞：電動汽車；充電站；電網(wǎng)

0.引言

電動汽車的能量主要來源于電網(wǎng)，其大規(guī)模發(fā)展離不開電力系統(tǒng)的支撐。電動汽車無序充電行為具有隨機性強、同時率高等特性，將給配電網(wǎng)帶來負荷峰谷差增大、電壓下降及損耗增加等挑戰(zhàn)。同時，電動汽車作為移動式儲能，在削峰填谷、提供電力系統(tǒng)輔助服務、協(xié)同消納新能源等方面具有廣闊的應用前景。[1]

本文以2018年全國大學生電工數(shù)學建模競賽A題為背景，對該問題附件1的100輛車用戶充電記錄的數(shù)據(jù)進行處理，分析電動汽車充電行為特征量。

1.問題分析

電動汽車具有很多優(yōu)點，比如降低石油的消耗，減少溫室氣體的排放，但電動汽車畢竟是電能轉變?yōu)闄C械能，提供動力的。電源由電動汽車上的蓄電池提供，而蓄電池又要考慮到重量大小問題，方便攜帶問題，成本問題，所以我們現(xiàn)在的蓄電池所提供的電源都是極其有限的，電池的儲能少，充電的行程里數(shù)就會減少，那么對電池的充電問題顯得尤為重要。

對此，就必須考慮到以下三個問題：

①充電站的規(guī)模直接關系到可以同時進行電動汽車充電的汽車的數(shù)量多少，和排隊等候的汽車數(shù)量的多少，要講究時效性原則，每個人的時間都是有限的，所以在用車高峰期的排隊等候時間是我們需要研究的問題之一；

②在多少距離范圍內(nèi)設立一個充電站，因為電動汽車的蓄電池的儲能較少，所以續(xù)航能力較弱，為了避免特殊的汽車電力不足問題，需要在短距離內(nèi)設立充電站，通過對汽車充電過程進行數(shù)據(jù)研究分析，還要考慮到發(fā)電站對充電站的電力輸送配送的距離、成本，選取一個合適的距離建立一個充電站，才能達到資源的充分利用，不至于設立過多的充電站而浪費；

③因為早晚上下班時期是用車的高峰期，這個時候充電的汽車數(shù)目比平時要多，所以為了避免因為負載過多而導致電壓下降，這個時候應對電力輸送的電力進行提高。所以對以上問題進行研究探討對電動汽車的投入使用非常有必要，建立電動汽車充電站的布局優(yōu)化模型，考慮充電需求分布、電動汽車數(shù)量增長、充電站服務范圍、城市規(guī)劃等因素，對電動汽車的發(fā)展與應用起到?jīng)Q定性作用。

2.規(guī)?；妱悠嚨哪暧秒娏?/p>

對一周內(nèi)每天的充電電量進行加總求和并分別求平均值。因此可知，一周內(nèi)1百輛充電汽車的充電量最大值在周日，其大小為1649.30kWh，且一周內(nèi)的充電量平均功率為59.28kW。根據(jù)這一平均功率，可計算得當有1萬輛電動汽車時，其年總功率為2163720kWh。

3.充電負荷的調(diào)優(yōu)

再進一步分析原問題數(shù)據(jù)，把一天以一刻15分鐘為一個時間段，從而把一天24個小時劃分為96個時間段區(qū)間，最終計算可得24小時1萬輛電動汽車的充電負荷曲線。

然后對1萬輛電動汽車進行考慮，設交流1級、交流2級、直流充電這三個充電功率等級的充電的設備臺數(shù)分別為x， y， z，且各充電等級的設備每臺成本分別為3000，15000，500000元，結合前面得到的電荷曲線積分得到的一周1 萬輛電動汽車的充電負荷需求總量，其約為350000kW，假設以每臺設備最大功率分別為1.9，25.6，100kw來發(fā)電，則由其目標函數(shù)和約束條件并可求得其最優(yōu)解如下所示：

即交流1級、交流2級、直流充電這三個充電功率等級比例為0：6.9：1時，能夠滿足原問題各方要求。

4.新能源充電站能量優(yōu)化管理

根據(jù)原問題光伏發(fā)電量的利用形式，可分為以下兩種情況，這里選擇原問題數(shù)據(jù)的周一EV用戶充電記錄進行分析。

（1）光伏全額利用

在光伏全額利用的情況下，當在某一段時間內(nèi)，新能源充電站的光伏發(fā)電量W不足供給于EV用戶需求量Wt時，須從電網(wǎng)購電，反之，則向電網(wǎng)售電。設Bt和Ct分別為充電站售單價和購電價，則

①當在第t個時間段內(nèi)，當W–Wt ≥0時，充電站發(fā)電量滿足EV用戶的需求量，則其獲得收入為

It =Wt Bt+（W–Wt）Ct

②當在第t個時間段內(nèi)，當W–Wt <0，充電站不滿足EV用戶的需求量，則其獲得收入為

It =WtBt–（Wt–W ）Ct

（2）允許棄光

在允許棄光的情況下，當在某一段時間內(nèi)，在新能源充電站滿足EV用戶的電荷需求量時，其多余的光伏可以丟棄，而不需出售給電網(wǎng)。

對于以上兩種情況，由此可計算的未來 24 小時充電站利潤分別為

其中sgn（ ）為符號函數(shù)。

作進一步分析，可發(fā)現(xiàn)在光伏全額利用的情況下，其充電站的利潤最大，這說明要充分利用能源，節(jié)約能源，這不僅造福自身，還保護了環(huán)境，有利于可持續(xù)發(fā)展。

5.總結

電動汽車的發(fā)展與電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大是相互促進的，在考慮增加電動汽車的投入使用數(shù)量的時候，也要考慮電力系統(tǒng)的規(guī)劃，科學合理地規(guī)劃電力網(wǎng)絡，并加快充電基礎設施建設，構建開放、智能、互動、高效的充電網(wǎng)絡，以實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的和諧發(fā)展。

參考文獻：

[1]第十一屆全國大學生電工數(shù)學建模競賽A題，http：//shumo.neepu.edu.cn/