俞豪君 ，梁 茜 ，許文超 ，牛 濤 ，韓志錕

(1.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京211102；2.上海電力公司滬北供電公司，上海200070)

電動(dòng)汽車(chē)作為一種綠色交通工具，在保障國(guó)家能源安全、緩解城市地區(qū)污染和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面具有重要的戰(zhàn)略意義。規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用，將會(huì)給傳統(tǒng)電網(wǎng)造成一定的沖擊。電動(dòng)汽車(chē)充電功率計(jì)算是進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)交互設(shè)施規(guī)劃[1]以及進(jìn)一步進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[2]的基礎(chǔ)。影響電動(dòng)汽車(chē)充電功率的很多因素往往很難建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，因此給功率預(yù)測(cè)帶來(lái)了很大的困難。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此課題的研究通常要基于一系列條件性很強(qiáng)的假設(shè)，利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[3]分析了與電動(dòng)汽車(chē)功率需求相關(guān)的各種因素?？紤]了部分隨機(jī)因素的概率分布，建立了電動(dòng)汽車(chē)功率需求的統(tǒng)計(jì)模型。采用蒙特卡洛隨機(jī)模擬方法，形成了從單體到群體電動(dòng)汽車(chē)功率需求的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4]則對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分類(lèi)，從私家車(chē)、公務(wù)車(chē)、公交車(chē)和出租車(chē)不同的出行特性入手，在起始電量狀態(tài)（SOC）、行駛距離和充電模式的一系列假設(shè)前提下，研究了各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)在工作日和休息日的充電功率預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[5]結(jié)合實(shí)時(shí)地理交通信息，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電行為進(jìn)行了分析。目前的研究存在影響因素考慮不全面、假設(shè)強(qiáng)主觀(guān)性、數(shù)據(jù)缺乏、且尚未有對(duì)換電方式電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的研究等問(wèn)題。

1 電動(dòng)汽車(chē)主要充電方式

目前，電動(dòng)汽車(chē)充電的模式主要有3種，慢充、快充和換電。

（1）慢充（充電樁）方式：通常使用7 kW以下的交流電源充電，充滿(mǎn)一組電池大概需要6～10 h。充電樁緩慢的充電過(guò)程意味著它只適合面向用戶(hù)的停車(chē)過(guò)程，更適合服務(wù)覆蓋范圍較小的分散式布局。

（2）快充方式：電動(dòng)汽車(chē)快速充電需要高功率直流充電機(jī)，額定功率可達(dá)200 kW以上，充滿(mǎn)一組電池大約需要10～30m in。快速充電可以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)急充電需求，但是對(duì)于電池壽命有很大的損傷，同時(shí)會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)沖擊和諧波污染。

（3）換電池方式：換電模式利用專(zhuān)用的電池更換設(shè)備，將電動(dòng)汽車(chē)耗盡的電池組直接更換為充電站內(nèi)已經(jīng)充滿(mǎn)的電池組。整個(gè)過(guò)程由自動(dòng)化設(shè)備在數(shù)分鐘內(nèi)完成，比快速充電更為方便快捷。這種充電方式對(duì)電池?fù)p傷小，而且可以提供統(tǒng)一的電池維護(hù)保養(yǎng)，大大增加了電池壽命。但是這種模式需要統(tǒng)一的電池規(guī)格，充電技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)，還有與之相配套的電池租賃體系和物流系統(tǒng)[6]，因此短期內(nèi)這種模式的推廣普及具有一定的難度，從中長(zhǎng)期看，這種模式良好的特性使得其在未來(lái)市場(chǎng)中將占有一定的份額。

2 電動(dòng)汽車(chē)充電功率計(jì)算

充電功率預(yù)測(cè)的主要任務(wù)是研究電動(dòng)汽車(chē)充電功率在時(shí)間上的分布狀況，從而為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供參考，并作為進(jìn)一步引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)有序充電的依據(jù)。充電功率預(yù)測(cè)是一個(gè)多元、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的復(fù)雜問(wèn)題，影響因素眾多且有些因素難以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在研究中，將選取對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電行為影響最大的幾個(gè)因素進(jìn)行建模和分析。因?yàn)槁浜蛽Q電方式在充電功率特性上表現(xiàn)很大的不同，則分別對(duì)慢充模式和換電模式的充電功率預(yù)測(cè)進(jìn)行分析。

2.1 慢充方式

2.1.1基本假設(shè)

影響慢充方式電動(dòng)汽車(chē)充電功率的主要因素包括出發(fā)/到達(dá)時(shí)刻、行駛距離、起始電量狀態(tài)、充電功率、充電場(chǎng)所和充電習(xí)慣。

（1）出發(fā)/到達(dá)時(shí)刻的選取對(duì)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始/結(jié)束充電時(shí)刻影響較大，而出發(fā)/到達(dá)時(shí)刻因個(gè)人出行習(xí)慣的不同差異很大，為了便于分析，只研究在正常工作日，用于通勤的電動(dòng)汽車(chē)的行為。對(duì)于通勤的車(chē)輛，每天的日常出行有很大的規(guī)律性，根據(jù)中北京市交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[7]，通勤車(chē)輛上班、下班出發(fā)/到達(dá)比例如圖1、圖2所示。

圖1 上班出發(fā)及到達(dá)時(shí)間車(chē)輛分布圖

圖2 下班出發(fā)及到達(dá)時(shí)間車(chē)輛分布圖

（2）電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離決定了電池耗電量的大小，從而決定了充電時(shí)間的長(zhǎng)短，根據(jù)2011年北京市交通發(fā)展年度報(bào)告，車(chē)輛年平均行駛里程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車(chē)輛每年行駛里程統(tǒng)計(jì)表

假設(shè)日平均行駛里程=年平均行駛里程/365。通勤車(chē)輛每天行駛次數(shù)為2次，因此假設(shè)每次出行的距離為二分之一行駛距離。如認(rèn)為車(chē)輛行駛里程滿(mǎn)足正態(tài)分布，其數(shù)學(xué)期望為日均行駛里程，方差為日均行駛里程的1/10。

（3）起始電量狀態(tài)。電量狀態(tài)是表征電動(dòng)汽車(chē)電池狀態(tài)的參數(shù)，其定義為：

起始電量狀態(tài)即電動(dòng)汽車(chē)在一天開(kāi)始時(shí)刻的電池電量，假設(shè)初始電量狀態(tài)服從正態(tài)分布。

（4）根據(jù)中國(guó)于2010年4月通過(guò)的《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)式接口》[8]，認(rèn)為在家充電功率為3.5 kW，而在商場(chǎng)、企業(yè)等的停車(chē)場(chǎng)充電功率為7 kW。

（5）充電習(xí)慣的不同對(duì)充電功率的預(yù)測(cè)影響也較大，且充電決策的主觀(guān)性很大，通常認(rèn)為電池剩余電量與充電意愿存在反向相關(guān)關(guān)系。但這種反向相關(guān)關(guān)系存在很強(qiáng)的主觀(guān)性，這種主觀(guān)性通常難以用客觀(guān)的數(shù)學(xué)模型表述，因此需要引入一個(gè)強(qiáng)假設(shè)。

引入模糊數(shù)學(xué)理論，將{進(jìn)行充電}看作一個(gè)模糊集合，建立從電池電量狀態(tài)到該集合的隸屬度函數(shù)，以此刻畫(huà)用戶(hù)的充電意愿。

A：｛電池電量狀態(tài)｝→｛進(jìn)行充電｝

x → A（x）

其中x是集合{電池電量狀態(tài)}中的元素，取值范圍為0%～100%，它作為用戶(hù)充電意愿的判斷依據(jù)。A為建立在集合{電池電量狀態(tài)}上的函數(shù)，A（x）取值范圍為[0，1]，當(dāng)取值越靠近1時(shí)，表示此時(shí)的電池剩余電量屬于用戶(hù)進(jìn)行充電的集合的程度越高，也就是用戶(hù)充電意愿越強(qiáng)。構(gòu)造隸屬度函數(shù)A為：

該隸屬度函數(shù)的構(gòu)造：① 保證了充電意愿關(guān)于電池電量狀態(tài)的連續(xù)性；② 當(dāng)電池電量狀態(tài)大于80%時(shí)，不進(jìn)行充電；③ 當(dāng)電池電量狀態(tài)低于30%時(shí)，一定進(jìn)行充電。

2.1.2算法流程

利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行慢充方式電動(dòng)汽車(chē)功率預(yù)測(cè)的流程如下。

（1）初始化，計(jì)數(shù)器M=0；（2）按圖3計(jì)算數(shù)量為N的電動(dòng)汽車(chē)在慢充模式下的功率需求，M=M+1，記錄計(jì)算結(jié)果；（3）重復(fù)步驟（2）直到M滿(mǎn)足終止條件，由M組隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算均值和方差。

圖3 慢充方式功率計(jì)算流程圖

2.2 換電方式

2.2.1基本假設(shè)

（1）和慢充方式不同，換電方式只需幾分鐘，不需在換電站停留很長(zhǎng)時(shí)間，因此在這一點(diǎn)上，人們?cè)谑褂脫Q電站設(shè)施行為上表現(xiàn)出和常規(guī)加油站加油行為的相似性。即認(rèn)為人們主要在上下班的途中進(jìn)行更換電池。

（2）換電時(shí)段?？梢哉J(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)的換電操作絕大部分是在上下班的途中完成的，且認(rèn)為換電時(shí)段在上下班途中均勻分布。上下班途中時(shí)間間隔的長(zhǎng)短主要取決于上下班路程的長(zhǎng)短，則認(rèn)為兩者之間存在正比關(guān)系。

（3）換電需求取決于電池剩余電量和用戶(hù)換電習(xí)慣，因此們?cè)诒竟?jié)引入一個(gè)模糊函數(shù)，用于表征用戶(hù)換電意愿的大小，即：

函數(shù)的設(shè)置遵循原則：① 電池電量低于0.2時(shí)，必須更換電池；② 充電意愿相對(duì)電池電量的連續(xù)性。

（4）換電站：運(yùn)行狀態(tài)包括換電站剩余滿(mǎn)充電池?cái)?shù)量與換電站充電計(jì)劃

2.2.2算法流程

（1）初始化，計(jì)數(shù)器M=0；（2）按圖4所示計(jì)算數(shù)量為N的電動(dòng)汽車(chē)在換電模式下的換電需求，M=M+1，記錄計(jì)算結(jié)果；（3）重復(fù)步驟（2）直到M滿(mǎn)足終止條件，由M組隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算均值和方差。

圖4 換電方式需求計(jì)算流程

3 算例分析

以北京城市配網(wǎng)為例，北京現(xiàn)有人口約2000萬(wàn)，汽車(chē)保有量約500萬(wàn)輛。北京負(fù)荷最高峰約為16 000 MW，以峰值負(fù)荷為12 000MW的某工作日為例進(jìn)行分析。假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)初始電量狀態(tài)滿(mǎn)足均值為0.7和方差為0.1的正態(tài)分布，且選擇換電和慢充作為能量補(bǔ)充的可能性分別為0.3和0.7，在5%的滲透率條件下，有15 000輛電動(dòng)汽車(chē)選擇換電，而選擇慢充方式的電動(dòng)汽車(chē)則達(dá)35 000輛。慢充方式選擇設(shè)定為每天充電次數(shù)完全由充電習(xí)慣決定的模式，換電方式選擇設(shè)定為換下即刻開(kāi)始充電。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 綜合算例計(jì)算結(jié)果

由圖5可以看到，2種方式疊加的結(jié)果是形成上午和下午2個(gè)時(shí)段的高峰，上午負(fù)荷高峰出現(xiàn)在10∶00左右，峰值超過(guò)了100MW，甚至在極端的情況下，可以達(dá)到120MW；下午負(fù)荷高峰出現(xiàn)在20∶00-21∶00，峰值超過(guò)了60MW，甚至在極端的情況下，可以達(dá)到75MW。這將對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊。

不同滲透率條件下的負(fù)荷分布如圖6所示。隨著電動(dòng)汽車(chē)滲透率的不斷提高，城市總體負(fù)荷的峰荷將不斷提高，當(dāng)滲透率達(dá)15%時(shí)，峰值負(fù)荷接近13 500 MW，增長(zhǎng)了12.5%，同時(shí)也可看到，電動(dòng)汽車(chē)的充電也拉升了低谷時(shí)段的用電負(fù)荷（19∶00-24∶00），這對(duì)保證電網(wǎng)基荷機(jī)組及可再生能源的連續(xù)運(yùn)行是有益的。

圖6 不同滲透率下的負(fù)荷分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)慢充方式和換電方式2種電動(dòng)汽車(chē)充電行為進(jìn)行了分析，并建立了數(shù)學(xué)模型，利用蒙特卡洛方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以北京為實(shí)例分析電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。電動(dòng)汽車(chē)充電會(huì)造成新的負(fù)荷高峰，在一定程度上給城市供電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)沖擊；且這種沖擊隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及和推廣會(huì)越來(lái)越大，本文的計(jì)算結(jié)果可以為未來(lái)規(guī)?；妱?dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)后，城市電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)提供參考。

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