電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃與建設(shè)

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃與建設(shè)

0充電站選址優(yōu)化問(wèn)題電動(dòng)汽車(chē)的傳統(tǒng)汽油車(chē)是可持續(xù)發(fā)展汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的必然趨勢(shì)，并在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。分類(lèi)1。電動(dòng)汽車(chē)電池能量補(bǔ)給有充電和換電2種模式。在公交汽車(chē)等公共交通領(lǐng)域,換電模式因能量補(bǔ)給快、節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)效益明顯而得到推廣［2］。充電設(shè)施的規(guī)劃主要包括選址、定容2個(gè)方面,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開(kāi)了大量研究。文獻(xiàn)綜合考慮了電力網(wǎng)絡(luò)、交通因素及建設(shè)初期購(gòu)置設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)行期間購(gòu)買(mǎi)電能費(fèi)用,建立了集中型充電站定址定容模型。文獻(xiàn)提出了計(jì)及地理因素和服務(wù)半徑的以規(guī)劃期內(nèi)充電站總成本最低和年運(yùn)行收益最大為目標(biāo)的充電站最優(yōu)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)給出了一種基于電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃并以用戶進(jìn)站充電過(guò)程能耗損失最小為目的的充電站選址優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[10-11]利用排隊(duì)論的方法研究了基于用戶行為的充電站充電機(jī)數(shù)目定量方法。文獻(xiàn)利用動(dòng)態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)思想,建立了基于硬時(shí)間窗約束下的確定充電站布局及最佳規(guī)模的多目標(biāo)優(yōu)化模型。上述研究主要分析了民用汽車(chē)領(lǐng)域充電站的規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題,而國(guó)內(nèi)目前私人轎車(chē)普及率不高,公共交通工具在日常出行中仍占很大比重,電動(dòng)汽車(chē)在公共交通領(lǐng)域的發(fā)展日益迅速,需要對(duì)電動(dòng)公交汽車(chē)的充換電設(shè)施規(guī)劃進(jìn)行深入研究。本文綜合考慮了電動(dòng)公交車(chē)換電站、電池充電站的工作過(guò)程,利用油—電熱值折算的方法確定公交車(chē)的換電電量需求,并使用帶加權(quán)偏向參數(shù)的近鄰傳播聚類(lèi)(AP)算法對(duì)換電需求的空間分布進(jìn)行聚合分析,完成充電站的選址。然后,使用排隊(duì)論方法對(duì)電池充電站的工作過(guò)程進(jìn)行建模,提出以拒絕服務(wù)率為主要約束、綜合建設(shè)成本最小為指標(biāo)的優(yōu)化模型;并使用遺傳算法對(duì)該混合整數(shù)非線性約束優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解,確定了充換電設(shè)施及所需電池?cái)?shù)目。1運(yùn)營(yíng)模式與充電站規(guī)劃1.1電動(dòng)公交車(chē)換電模式公交車(chē)是城市居民日常出行的重要交通工具。在政府公布的《電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》中,中國(guó)計(jì)劃在“十二五”期間大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē),并在公共交通車(chē)領(lǐng)域率先推廣。由于公交車(chē)每日按照固定班次、時(shí)刻從首末停車(chē)站點(diǎn)出發(fā)并循固定路線往返于首末站之間,運(yùn)營(yíng)十分規(guī)律。其車(chē)載電池容量大、電池規(guī)格統(tǒng)一,常采用換電模式作為其能量補(bǔ)給方式,并通過(guò)在線路首末站建設(shè)換電站為其提供電池更換服務(wù)。電動(dòng)公交車(chē)換電模式下電池充電站的選址是規(guī)劃問(wèn)題的關(guān)鍵。城區(qū)服務(wù)設(shè)施建設(shè)土地成本高,但公交線路均有專(zhuān)用首末停車(chē)站,并且換電過(guò)程常在車(chē)輛抵達(dá)終點(diǎn)站后進(jìn)行,因此,本文選擇已有公交線路的首末停車(chē)站作為電池充電站的備選站址。利用公交車(chē)首末停車(chē)站點(diǎn)地理信息及站內(nèi)公交車(chē)數(shù)目確定公交車(chē)的換電需求點(diǎn)的地理分布,并在每個(gè)需求點(diǎn)建設(shè)換電站滿足換電服務(wù)約束。公交車(chē)首末停車(chē)站點(diǎn)數(shù)目眾多,站點(diǎn)內(nèi)車(chē)輛數(shù)目各異,站點(diǎn)間距大小不一。在每個(gè)站點(diǎn)建設(shè)充電設(shè)施將使成本過(guò)高,需要將空間距離較近的幾個(gè)站點(diǎn)劃分為一個(gè)充電需求點(diǎn)。即綜合考慮每個(gè)換電站的交通便利程度、土地占用面積以及電網(wǎng)改造成本等因素后將空間距離較近的多個(gè)換電站劃分為一個(gè)充電需求點(diǎn)并挑選出與同一個(gè)聚類(lèi)中其他各站點(diǎn)的電池配送距離之和較小的站點(diǎn)來(lái)建設(shè)電池充電站。這種劃分聚類(lèi)后選址的規(guī)劃方法不僅提高了充、換電設(shè)備的利用率,減少了充電設(shè)備投資,而且能通過(guò)對(duì)電池組集中管理、統(tǒng)一維護(hù)來(lái)延長(zhǎng)電池使用壽命?；趽Q電站—電池充電站二級(jí)模式的電動(dòng)公交車(chē)換電過(guò)程如下:待換電公交車(chē)到達(dá)終點(diǎn)站后由換電機(jī)器人進(jìn)行換電操作,換電完成后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單保養(yǎng)即可投入下一班次運(yùn)營(yíng)。當(dāng)站內(nèi)的空電池?cái)?shù)目積累至一定數(shù)目時(shí),通過(guò)電池配送車(chē)借助電池箱轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)將換下的電池送到電池充電站進(jìn)行更換。配送車(chē)往返期間剩余電池?cái)?shù)目需滿足換電站內(nèi)換電需求。1.2基于相似度聚類(lèi)分析電池充電站作為電池的充電、更換、配送樞紐,其位置分布與充、換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力密切相關(guān)。合理的設(shè)置服務(wù)半徑,既可以充分滿足用戶換電需求,又可以避免站點(diǎn)建設(shè)過(guò)于密集,減少服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的投資成本。因此,定義充電站的最大服務(wù)半徑為:式中:Tchange為電池配送車(chē)往返于換電站和充電站的最大時(shí)間限值,由于公交車(chē)定時(shí)排班對(duì)電能補(bǔ)給的及時(shí)性要求很高,Tchange取值受線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間約束;ΔT1為配送車(chē)在換電站裝填/卸載電池的平均耗時(shí);ΔT2為配送車(chē)在充電站卸載/裝填電池的平均耗時(shí);v－為配送車(chē)平均行駛速度;ξ為城市道路非直線系數(shù)。為了確定合適的換電站數(shù)目及規(guī)模,本文采用AP算法對(duì)散布的站點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)分析。AP算法是一種基于近鄰信息傳播的聚類(lèi)算法,其目的是找到最優(yōu)的類(lèi)代表點(diǎn)集合,使得所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到最近的類(lèi)代表點(diǎn)的相似度之和最大;這種聚類(lèi)算法不僅能快速得到經(jīng)典K中心算法花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算的結(jié)果,而且避免了聚類(lèi)結(jié)果易受初值影響,陷入局部最優(yōu)的不足［13］。AP算法在數(shù)據(jù)形成的相似度矩陣S的基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類(lèi),通常選用歐幾里得距離作為點(diǎn)Pi(xi,yi)和Pk(xk,yk)之間相似度的測(cè)度指標(biāo),即表示為:S(i,k)反映了數(shù)據(jù)點(diǎn)Pk在多大程度上適合作為點(diǎn)Pi的類(lèi)代表點(diǎn)。此外,AP算法要為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)k設(shè)定其偏向參數(shù)pre作為S的對(duì)角線元素S(k,k)=pre(k)。pre(k)的值越大,相應(yīng)的點(diǎn)k被選中作為類(lèi)代表點(diǎn)的可能性也就越大。同時(shí)pre值的大小也影響最終得到的聚類(lèi)的個(gè)數(shù),可以通過(guò)改變pre值來(lái)調(diào)整聚類(lèi)半徑的大小,尋找合適的聚類(lèi)數(shù)目。一般情況下,使用基于相似度理論的AP算法均假設(shè)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)被選中成為類(lèi)代表點(diǎn)的可能性相同,即設(shè)定所有S(k,k)為相同值pre。但本文模型中各個(gè)備選站點(diǎn)的交通便利程度、占地面積、電網(wǎng)改造成本均不同,它們成為聚類(lèi)代表點(diǎn)的可能性并不相同。因此,本文在常規(guī)AP算法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn),使用加權(quán)偏向參數(shù)進(jìn)行聚類(lèi)分析。具體方法步驟如下。步驟1:初始化相似度矩陣S。根據(jù)現(xiàn)有公交車(chē)首末停車(chē)站點(diǎn)的位置信息,結(jié)合式(2)構(gòu)造相似度矩陣[S(i,k)]K×K,i≠k,K為站點(diǎn)個(gè)數(shù)。步驟2:確定加權(quán)偏向參數(shù)pre。結(jié)合各站點(diǎn)的交通、擴(kuò)建成本以及電網(wǎng)約束信息,對(duì)每個(gè)站點(diǎn)的偏向參數(shù)進(jìn)行評(píng)估:式中:ηj,ηk,ηd用{0;1}表示,反映各備選站點(diǎn)交通便利程度、土地占用面積和線路改造成本的大小(見(jiàn)表1);p為相似度矩陣S中的元素的最小值,表示初始化時(shí)算法會(huì)得到一個(gè)較小數(shù)量的聚類(lèi)。步驟3:迭代求解。按照文獻(xiàn)中的式(1)至式(3)構(gòu)造信息矩陣Rresponsibilities和Aavailabilities并在阻尼因子取值為0.9時(shí)進(jìn)行迭代更新。同時(shí),對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的Rresponsibilities和Aavailabilities求和,決定每個(gè)點(diǎn)所屬類(lèi)的代表點(diǎn)。若迭代次數(shù)超過(guò)某一上限或信息矩陣改變量小于某閾值或選擇的類(lèi)中心在連續(xù)幾次迭代過(guò)程中保持穩(wěn)定,則停止迭代。步驟4:判斷結(jié)果中各站點(diǎn)到類(lèi)代表點(diǎn)的間距的最大值是否滿足充電站服務(wù)半徑R的要求。若不滿足則成比例改變pre大小,并跳轉(zhuǎn)至步驟3。重復(fù)進(jìn)行程序直至結(jié)果滿足要求,并輸出最終聚類(lèi)結(jié)果。1.3換電服務(wù)mi設(shè)換電站i內(nèi)的電池總數(shù)為NSi,換電需求滿足參數(shù)為θswapi的平均分布。Ei(t)表示在時(shí)間[0,t)內(nèi)到達(dá)的公交車(chē)數(shù)目的期望值,配送車(chē)完成一次更換任務(wù)所需最大服務(wù)時(shí)間為T(mén)change,換電站內(nèi)有mi個(gè)服務(wù)臺(tái)提供換電服務(wù),每個(gè)服務(wù)臺(tái)完成一次換電所需的時(shí)間為T(mén)S。則配送車(chē)將使用后的電池運(yùn)至充電站更換的Tchange時(shí)段內(nèi),到達(dá)換電站i的公交車(chē)數(shù)目期望值為:將每輛公交車(chē)上換下的Nb塊電池視為一組,則Tchange時(shí)段內(nèi)換電站i提供換電的最大服務(wù)能力為:顯然,剩余電池組數(shù)NSileft以及最大服務(wù)能力須滿足:此外,配送車(chē)當(dāng)次運(yùn)回的電池組數(shù)NSidisp還要滿足下一次配送完成之前Tinterval時(shí)段內(nèi)的換電需求:綜上,換電站i內(nèi)的電池配置總數(shù)約束表示為:當(dāng)且僅當(dāng)Tinterval=Tchange時(shí),NSi取值最小。2模型建設(shè)2.1換電模式下公交車(chē)換電分析充電設(shè)施必須滿足用戶的換電電量需求。該需求可通過(guò)將公共交通運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的每日耗油量利用熱值關(guān)系折算成電能進(jìn)行分析。因此,換電模式下公交車(chē)每日換電的電量需求為:式中:Mi為線路i上公交車(chē)的日平均耗油量;ηIC為內(nèi)燃機(jī)效率;γ=11.85(kW·h)/kg,為柴油和電能折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)之比;ηM為電動(dòng)機(jī)效率;α為反映充電需求波動(dòng)的波動(dòng)系數(shù)。2.2電池充電的soc配送車(chē)使用電池箱轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)將各個(gè)站點(diǎn)更換后使用過(guò)的電池集中送到充電站并替換為充滿電的電池送回,由充電機(jī)對(duì)這些電池充電。實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,為了避免對(duì)電池造成損傷,公交車(chē)動(dòng)力電池的剩余荷電狀態(tài)(SOC)低于設(shè)定值時(shí),電池必須充電。公交車(chē)動(dòng)力電池容量為Cbattery,當(dāng)電池SOC低于10%時(shí)電池電壓迅速下降,內(nèi)阻增加,電池不適合大電流充放［14］。因此,在保證一定裕度的情況下將電池充電的SOC門(mén)檻值設(shè)定為20%。結(jié)合每日換電的電量需求Ed得出公交車(chē)的每日平均充換電次數(shù)τ為:若電池充電站i的服務(wù)范圍內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)的電動(dòng)公交車(chē)總數(shù)為Nbusi,則充電站i充換電池組的平均服務(wù)率為:式中:T為等值充電時(shí)間。2.3電池冗余成本充電站站內(nèi)電池組數(shù)目越多服務(wù)能力越強(qiáng),但昂貴的電池成本使得電池在滿足換電需求的基礎(chǔ)上不宜大量冗余。為了避免浪費(fèi),降低運(yùn)營(yíng)成本,必須合理確定站內(nèi)電池?cái)?shù)目。2.3.1電池流通過(guò)程數(shù)學(xué)模型充電站內(nèi)流通的電池可分為3種狀態(tài):待充電狀態(tài)、正在充電狀態(tài)以及充滿電狀態(tài)。設(shè)站內(nèi)的電池?cái)?shù)目為N組(一輛公交車(chē)上換下的Nb塊電池視為一組),充電機(jī)的數(shù)目為s(s<N),則每時(shí)每刻最多有s組電池可同時(shí)充電。若需要充電的電池組(包括待充電和正在充電2種狀態(tài))數(shù)目為i(0<i<N),則以上3種狀態(tài)的電池組數(shù)目分別為:0,i,N-i(0≤i≤s)或i-s,s,N-i(0≤s≤i)。站內(nèi)電池組的流通過(guò)程主要有以下3種情形:1一組電池充滿了電;2換走一組充滿電的電池;3配送車(chē)抵達(dá)但無(wú)電池組可供替換,這種情形發(fā)生的前提是i=N,被稱(chēng)為拒絕服務(wù)狀態(tài)。2.3.2n的運(yùn)行指標(biāo)配送車(chē)進(jìn)站換電過(guò)程可用服務(wù)容量有限的并列多服務(wù)臺(tái)排隊(duì)系統(tǒng)模型(M/M/s/N/∞)描述。得到該模型下電動(dòng)汽車(chē)充換電服務(wù)系統(tǒng)的平衡方程為［10］:式中:λ為電池組進(jìn)入電池充電站的到達(dá)率;μ為服務(wù)率(1/μ為充電機(jī)充滿一組電池所需時(shí)間);Pn為有n組電池需要充電的概率。系統(tǒng)的狀態(tài)概率和運(yùn)行指標(biāo)如下:式中:ρ=λ/(sμ),反映系統(tǒng)的服務(wù)強(qiáng)度,ρ<1時(shí)表示不會(huì)形成無(wú)限長(zhǎng)隊(duì)列。由2.3.1節(jié)中情形3可知,出現(xiàn)拒絕服務(wù)狀態(tài),即n=N時(shí)對(duì)應(yīng)的平衡方程為:為了滿足消費(fèi)者的需要,充電站需要貯藏足夠的電池為配送車(chē)提供換電池服務(wù)。本文以配送車(chē)進(jìn)站后出現(xiàn)無(wú)法換電情形時(shí)的拒絕服務(wù)率作為指標(biāo)確定N。N越大,拒絕服務(wù)率越小,當(dāng)拒絕服務(wù)率小于給定的閾值,如0.01時(shí),認(rèn)為充電站的設(shè)計(jì)滿足消費(fèi)者的需求。結(jié)合式(13)至式(15)得出拒絕服務(wù)率為:2.3.3激發(fā)內(nèi)壓電機(jī)充電功率1)充電站內(nèi)充電機(jī)數(shù)目s和電池組數(shù)目N的不等式約束:2)為不形成無(wú)限隊(duì)長(zhǎng),保證服務(wù)質(zhì)量,充電站需要滿足服務(wù)強(qiáng)度約束:3)確定拒絕服務(wù)率指標(biāo)為1%,結(jié)合式(16)得到充電站拒絕服務(wù)率約束:4)充電機(jī)必須提供足夠的充電功率來(lái)保證電池在規(guī)定的時(shí)間能夠充滿電,因此,充電機(jī)的充電功率必須滿足:式中:Cbattery為一組電池的電量。2.4設(shè)備投資成本本文以充、換電站內(nèi)充換電設(shè)施的投資運(yùn)營(yíng)成本最小為目標(biāo)函數(shù):式中:Ci為電池充電站社會(huì)年總成本,包括充電設(shè)施、電池的投資成本和年運(yùn)行成本;fc(si)為充電站的充電設(shè)備投資成本等額年金;si為充電站i內(nèi)充電機(jī)的數(shù)量;Wc為固定投資,主要是配套設(shè)施建設(shè)成本;k1為充電機(jī)的單價(jià);r0為貼現(xiàn)率;yc為充電站折舊年限;fb(Ni)為充電站i內(nèi)電池儲(chǔ)備投資成本等額年金;Ni為充電站i內(nèi)電池組的數(shù)量;k2為與電池價(jià)格相關(guān)的投資系數(shù);yb為電池折舊年限;uc(si)為充電站i的年運(yùn)行成本,可按比例取自fc(si)。式(16)—式(23)構(gòu)成充電站最優(yōu)配置數(shù)學(xué)模型,模型中si和Ni為待優(yōu)化量,通過(guò)求解該模型可以確定充電站內(nèi)充電機(jī)和電池組的最佳數(shù)目。3公交車(chē)換電方案某市公交營(yíng)運(yùn)線路277條,公交專(zhuān)用首末停車(chē)站120余個(gè),公交車(chē)總數(shù)3384輛,日行駛里程約64萬(wàn)km。本文對(duì)該市主城區(qū)內(nèi)58個(gè)公交首末站點(diǎn)地理位置及站內(nèi)公交車(chē)數(shù)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。這些路線的發(fā)車(chē)間隔為10~20min,路線運(yùn)行時(shí)間為:非高峰期60~80min,高峰期80~120min。這部分站點(diǎn)所屬公交車(chē)數(shù)目約占全市公交車(chē)總數(shù)的35%,若全部使用純電動(dòng)公交車(chē),對(duì)應(yīng)的電動(dòng)公交車(chē)滲透率η=0.35。其站點(diǎn)地理位置分布如圖1所示,圖中,每一個(gè)圓點(diǎn)代表一個(gè)首末站點(diǎn)?，F(xiàn)有試點(diǎn)城市電動(dòng)公交車(chē)充換電運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)表明:所使用純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)載9塊電池,電池容量180kW·h,最大續(xù)駛里程約為160km。電池充電花費(fèi)時(shí)間為3h。由機(jī)械操作完成一次換電服務(wù)平均耗時(shí)為8min。電池的填充/卸載時(shí)間ΔT1=ΔT2=TS。調(diào)查可知該市公交車(chē)行駛平均柴油能耗約0.4L/km［15］。柴油密度為0.86kg/L,則公交車(chē)每日平均耗油量為65.06kg。內(nèi)燃機(jī)的效率為25%~40%,但公交車(chē)實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)頻繁啟停,多為低速行駛,其內(nèi)燃機(jī)效率較低,取ηIC=25%。電動(dòng)汽車(chē)所用電機(jī)能在汽車(chē)下坡、制動(dòng)時(shí)向電池回饋能量,能量轉(zhuǎn)化效率較高,取ηM=85%。另外,考慮到節(jié)假日等特殊時(shí)段對(duì)充電需求有很大影響,波動(dòng)系數(shù)取為α=1.1。由式(9)可得公交車(chē)每日換電電量需求為249.43kW·h。公交車(chē)的每日平均換電次數(shù)為1.73。對(duì)公交車(chē)的首末班發(fā)車(chē)時(shí)間進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果如圖2所示,該市主城區(qū)公交車(chē)的主要運(yùn)營(yíng)時(shí)段為06:00—23:00。電池的換電過(guò)程在公交車(chē)運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行?？紤]到充電機(jī)的停機(jī)、涓流、檢修等狀態(tài)均影響等值充電時(shí)間的大小,取T=15h。已知每條公交線路的公交車(chē)數(shù)目平均為12輛,每條線路上的公交車(chē)均在首末站點(diǎn)間雙向?qū)﹂_(kāi),故每一路車(chē)在首末站分別?？?輛。結(jié)合首末站點(diǎn)的公交線路信息可估算每個(gè)換電站i的公交車(chē)總數(shù)Nswapi。設(shè)換電行為在07:00—22:00之間滿足均勻分布,則換電站i內(nèi)公交車(chē)換電的平均到達(dá)率為:非高峰時(shí)段公交車(chē)線路的運(yùn)營(yíng)時(shí)間為60~80min,而車(chē)輛換電需求可以提前一個(gè)班次確定。提前確定換電安排后為避免公交車(chē)回站時(shí)被拒絕服務(wù),規(guī)定配送車(chē)往返充電站更換電池的最大時(shí)間限值Tchange=1h。結(jié)合式(4)至式(8)可得到各個(gè)換電站的換電工位數(shù)以及站內(nèi)電池的最小配置數(shù),如表2所示。城市道路限速約60km/h,配送車(chē)平均速度取v－=30km/h,道路非直線系數(shù)ξ=1.2,由式(1)可知,充電站的服務(wù)半徑約為6km。根據(jù)站點(diǎn)間相對(duì)位置來(lái)構(gòu)造S(位置、權(quán)值信息