于德高，鄒艷梅中石化天然氣川氣東送管道分公司

計(jì)及發(fā)車規(guī)律的公交車換電站容量優(yōu)化配置

于德高，鄒艷梅
中石化天然氣川氣東送管道分公司

由于動力電池?fù)Q電過程所需時(shí)長遠(yuǎn)小于充電過程、動力電池充電便于統(tǒng)一管理等優(yōu)點(diǎn)，動力電池?fù)Q電模式成為電動汽車能量補(bǔ)充的重要方式。本文考慮公交車發(fā)車規(guī)律，對可就地向動力電池組充電的公交車換電站的容量優(yōu)化配置展開研究。首先介紹換電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出平均延遲發(fā)車時(shí)間的評價(jià)指標(biāo)；然后分析換電站充電以及換電狀態(tài)的時(shí)序仿真模型，計(jì)算評價(jià)指標(biāo)；構(gòu)建以設(shè)備年成本為目標(biāo)函數(shù)、換電站規(guī)模和平均延遲發(fā)車要求為約束的數(shù)學(xué)模型；采用微分進(jìn)化算法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解；最后對算例進(jìn)行優(yōu)化配置，計(jì)算換電站不同延遲要求下的平均延遲發(fā)車時(shí)間指標(biāo)，并對配置結(jié)果敏感性進(jìn)行分析。

公交車；換電站；發(fā)車規(guī)律；優(yōu)化配置

1 引言

電動汽車從電網(wǎng)獲取電能，相對燃油汽車能有效地減少汽油、柴油的消耗，在效率和環(huán)境污染方面都具有相應(yīng)的優(yōu)勢，因此被視為提高汽車產(chǎn)業(yè)競爭力、保證能源安全以及減少碳排放量的重要途徑[1]。目前，對電動汽車能源供給設(shè)施主要有交流充電樁、充電站和換電站。換電站對于公交車有較好適用性，電池標(biāo)準(zhǔn)化等問題易于解決[2]。目前，國內(nèi)外對于換電站的研究主要集中在選址規(guī)劃[3]和優(yōu)化運(yùn)行方面[4,5]，另外，在電池?cái)?shù)量規(guī)劃方面也有少量研究[6,7]。鮮有在換電站容量優(yōu)化配置方面的研究，文獻(xiàn)[2]研究了考慮換電服務(wù)日可用率和換電服務(wù)最大等待時(shí)長的容量優(yōu)化配置?，F(xiàn)有文獻(xiàn)沒有針對公交車特有的發(fā)車規(guī)律進(jìn)行換電站容量配置，針對此問題，本文提出了考慮發(fā)車規(guī)律的公交車發(fā)車延遲指標(biāo)，來評估換電站的服務(wù)質(zhì)量；建立了以年成本為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型；結(jié)合換電站規(guī)模以及服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)的約束，得到滿足服務(wù)質(zhì)量要求的最優(yōu)換電站容量配置。

2 換電站典型組成

換電站主要由配電變壓器、充電機(jī)、動力電池以及一些動力電池更換設(shè)備組成：1）配電變壓器：將配電網(wǎng)電壓等級轉(zhuǎn)換為充電機(jī)額定電壓等級；2）動力電池充電機(jī)：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為動力電池進(jìn)行充電；3）動力電池：通過充電機(jī)進(jìn)行充電，為電動公交車提供能量；4）動力電池更換設(shè)備：將電動公交車剩余電量不足的動力電池更換為充滿電的動力電池。除此之外，換電站還需配備存儲室以便存儲動力電池和傳送設(shè)備。

3 計(jì)及發(fā)車規(guī)律的延遲指標(biāo)

由于公交車特有的發(fā)車規(guī)律，不同的時(shí)間段發(fā)車的時(shí)間間隔并不相同，因此本文提出平均延遲發(fā)車時(shí)間指標(biāo)（Average Delay Departure Time-ADDT）。每個(gè)發(fā)車時(shí)間間隔都會對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的指標(biāo)，針對單個(gè)發(fā)車時(shí)間間隔，平均延時(shí)發(fā)車時(shí)間百分比的定義如下：

式中，NEY(t)為t時(shí)刻延時(shí)出站的公交車數(shù)量；Δt為仿真運(yùn)行時(shí)間間隔；NEI(t)為t時(shí)刻進(jìn)站的公交車數(shù)量；t0、t1分別為當(dāng)前發(fā)車間隔對應(yīng)的始終時(shí)間。

4 換電站運(yùn)行狀態(tài)仿真模型

4.1 動力電池充電仿真模型(如圖1所示)

動力電池在充電過程中有三種狀態(tài)：等待充電、正在充電以及完成充電。首先需要確定第i時(shí)段等待充電的動力電池組的數(shù)量NBDi：

圖1 動力電池充電時(shí)序圖

式中，NEH(i)為第i時(shí)段從電動公交車上更換下來的動力電池組數(shù)量。

等待充電的動力電池組數(shù)量確定之后，便能計(jì)算正在充電和完成充電的動力電池組數(shù)量（NBZ(i),NBW(i)）。根據(jù)充電機(jī)數(shù)量的不同，分為兩種情況討論。如果換電站的充電機(jī)數(shù)量足夠，第i時(shí)段等待充電的動力電池組NBD(i)將會全部進(jìn)行充電：

式中，T(i,j)為第j組動力電池在第i時(shí)段進(jìn)行充電所需的充電完成時(shí)間。

如果換電站的充電機(jī)數(shù)量不夠充裕，那么第i時(shí)段等待充電的動力電池組中只有一部分能夠進(jìn)行充電，剩余的需要等到下一個(gè)時(shí)段，此時(shí)：

式中，Nch為換電站中充電機(jī)的數(shù)量。

至于沒有在第i時(shí)段進(jìn)行充電的部分動力電池，其數(shù)量計(jì)算如下：

這部分動力電池何時(shí)進(jìn)行充電取決于換電站中充電機(jī)的使用情況，假設(shè)i’時(shí)段為i時(shí)段之后第一個(gè)充電機(jī)富裕，沒有全部使用的時(shí)段，那么這部分動力電池會在i’時(shí)段進(jìn)行充電：

4.2 動力電池更換仿真模型

圖2 動力電池更換時(shí)序圖

與動力電池狀態(tài)相似，公交車在整個(gè)換電過程中也有三種狀態(tài)：等待換電、正在換電、完成換電。首先需要確定等待換電的公交車數(shù)量：

式中，NEI(i)為第i時(shí)段到達(dá)換電站的公交車數(shù)量；NEO(i)為第i時(shí)段沒有進(jìn)行換電的公交車數(shù)量，其計(jì)算過程會在之后介紹。

進(jìn)行換電的公交車數(shù)量與可用的動力電池?cái)?shù)量相關(guān)，因此需要首先討論NEH(i+1)與NBA(i)之間的關(guān)系，其中NBA(i)的計(jì)算如下：

如果換電站中可用的動力電池充足，那么第i+1時(shí)段等待換電的公交車將會全部進(jìn)行換電操作，此時(shí)換電（NEH(i+1)）與不換電（NEO(i+1)）的公交車數(shù)量計(jì)算如下：

如果換電站中可用的動力電池不足，那么只有部分第i+1時(shí)段等待換電的公交車會進(jìn)行換電操作：

如果上一時(shí)段完成換電的公交車全部出戰(zhàn)，則完成換電的公交車數(shù)量為：

如果上一時(shí)段完成換電的公交車尚有部分停留在換電站內(nèi)，則：

式中，NEJ(i)為換電站第i時(shí)段計(jì)劃出戰(zhàn)的公交車數(shù)量。

最后確定延時(shí)出戰(zhàn)的公交車數(shù)量：

5 換電站容量優(yōu)化模型

5.1 目標(biāo)函數(shù)

該優(yōu)化模型以動力電池、充電機(jī)以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的年成本為目標(biāo)函數(shù)如下：

CS=CB+CCH（16）

式中，CB為動力電池的年成本；CCH為充電機(jī)的年成本；CB和CCH的計(jì)算參考文獻(xiàn)[2]。

5.2 約束條件

①動力電池和充電機(jī)數(shù)量約束

假設(shè)NBmax為換電站能持有的最大動力電池?cái)?shù)量，換電站中，充電機(jī)的數(shù)量不應(yīng)大于動力電池的數(shù)量：

NB≤NBmax，NCH≤NB-Nbus（17）

式中，Nbus為換電站服務(wù)的公交車數(shù)量。

②ADDTP指標(biāo)約束

ADDTP≤ADDTPmax（18）

式中，ADDTPmax為允許的最大平均延遲發(fā)車時(shí)間百分比。

6 算例分析

6.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，電動公交車的起始SOC滿足正態(tài)分布N(0.5， 0.12)。假設(shè)換電站內(nèi)有50輛電動公交車，發(fā)車規(guī)律數(shù)據(jù)參照北京市8路電動公交車。動力電池及充電機(jī)的參數(shù)參考文獻(xiàn)[2]。微分進(jìn)化算法參數(shù)：變異因子為0.5；交叉因子為0.4；種群數(shù)量為30；迭代次數(shù)為60.

6.2 優(yōu)化結(jié)果分析

基于上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對換電站的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真分析，并與文獻(xiàn)[2]中方法進(jìn)行對比分析，表1列出了不同最大延遲出站時(shí)長要求下充電機(jī)與動力電池的優(yōu)化配置結(jié)果，表2列出了不同延遲出站時(shí)長要求下各個(gè)發(fā)車間隔對應(yīng)的指標(biāo)。

表1 充電機(jī)與動力電池配置結(jié)果

1min1618548.41618548.4 3min1214535.61316541.0 5min912528.21316541.0 7min69518.61316541.0

表2 優(yōu)化配置結(jié)果對應(yīng)的指標(biāo)

從表中主要可以看出以下三個(gè)結(jié)論（1）在最大延遲出站時(shí)長為1分鐘的要求下，兩種方法的配置結(jié)果相同。（2）在最大延遲出站時(shí)長為3分鐘的要求下，本文方法的優(yōu)化配置結(jié)果大于文獻(xiàn)[2]中方法的配置結(jié)果，這是因?yàn)榇藭r(shí)在3分鐘發(fā)車間隔下對應(yīng)的時(shí)間段下，文獻(xiàn)[2]中方法對應(yīng)的發(fā)車延遲時(shí)長為3.89分鐘，大于3分鐘，不滿足公交車運(yùn)行實(shí)時(shí)性的要求；本文方法考慮了發(fā)車間隔的約束，優(yōu)化配置結(jié)果對應(yīng)的發(fā)車延遲時(shí)長為2.80分鐘。（3）由于公交車的運(yùn)行是時(shí)序性的，如果增加7.5分鐘發(fā)車間隔時(shí)間段的延遲時(shí)長，必然會增加3分鐘發(fā)車間隔時(shí)間段的延遲時(shí)長，為了滿足公交車運(yùn)行實(shí)時(shí)性的要求，此算例中最大延遲出站時(shí)長為5、7分鐘的優(yōu)化配置結(jié)果與3分鐘的優(yōu)化配置結(jié)果相同。

從上述分析中可以看出，如果不考慮公交車的發(fā)車規(guī)律進(jìn)行換電站容量配置，可能會造成某些時(shí)間段公交車的發(fā)車延遲時(shí)間過長，對公交車的實(shí)時(shí)運(yùn)行會產(chǎn)生較大影響；本文考慮發(fā)車規(guī)律的容量配置方法能夠彌補(bǔ)上述缺陷，保證公交車的合理運(yùn)行。

7 結(jié)論

本文提出了考慮公交車特性發(fā)車規(guī)律的換電站容量優(yōu)化配置方法，通過仿真公交車換電站的充電以及換電操作過程，可以獲得充電機(jī)以及動力電池各個(gè)狀態(tài)的數(shù)量，根據(jù)不同換電站對最大延遲出站時(shí)長的要求，能夠得到相應(yīng)最優(yōu)的充電機(jī)和動力電池?cái)?shù)量配置。在具體的實(shí)際應(yīng)用中，換電站可以根據(jù)自身服務(wù)的公交車的發(fā)車規(guī)律以及對延遲時(shí)長的要求，計(jì)算出最優(yōu)的配置結(jié)果，為換電站的規(guī)劃建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

[1]肖湘寧，陳征，劉念.可再生能源與電動汽車充放電設(shè)施在微電網(wǎng)中的集成模式與關(guān)鍵問題[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013,28(2):1-14.

[2]路欣怡,劉念,湯慶峰,等.計(jì)及服務(wù)可用性的電動汽車換電站容量優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,14:012.

[3]McPherson C,Richardson J,McLennan O,et al.Planning an electric vehicle battery-switch network for Australia[C]//Australasian Transport Research Forum 2011 Proceedings.2011,12.

[4]張帝，姜久春，張維戈，等.基于遺傳算法的電動汽車換電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013,37(8):2101-2107.

[5]田文奇，和敬涵，姜久春，等.基于自適應(yīng)變異粒子群算法的電動汽車換電池站充電調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012,36 (11):25-29.

[6]劉念，唐霄，段帥，等.考慮動力電池梯次利用的光伏換電站容量優(yōu)化配置方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013,33(4):34-44.

[7]Zou F,Liu N,Lu X.Optimal configuration for battery switch stations of electric buses[C]//Transportation Electrification Asia-Pacif?ic(ITEC Asia-Pacific),2014 IEEE Conference and Expo.IEEE, 2014:1-5.