电动汽车充电基础设施规划方法与模型_郭春林

ＥＣ ｉ （ ） ４ ＰＣｍａ ｘ ｉ＝ σＣ ｉ ２． ２． ３ 区域分散充电负荷的计算 用户改用电动汽车 与集 中 充 电 基 础 设 施 相 似 ， 后， 会有一部分 到 附 近 区 域 进 行 充 电 。 用 β Ｆ ｋ ＝１－
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· 学术研究 · 郭春林 ， 等 电动汽车充电基础设施规划方法与模型
售油量折算成电动 汽 车 充 电 电 量 ， 在集中充电基础 设施站址备选方案 的 基 础 上 ， 计算得到区域分散和 集中充电基础设施的最大负荷 。 这一方法适用于电 动汽车规模化阶段 私 人 乘 用 车 充 电 负 荷 的 预 测 ， 其 下面予以详细介绍 。 基本方法如图 １ 所示 ，
；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ５ ２ ８ ２ ０ １ ３ ０ ４ １ ２ － － － － ； 国家科 技 支 撑 计 划 重 大 项 目 （ 国家高技术 ２ ０ １ １ Ｂ ＡＧ ０ ２ Ｂ １ ４） ； 研究 发 展 计 划 （ 资助项目（ 中央 ８ ６ ３ 计 划） ２ ０ １ １ ＡＡ ０ ５ Ａ １ ０ ９） ） 。 高 校 基 本 科 研业 务 费 专 项资金资助项目 （ １ ２ Ｚ Ｘ ０ ６
２ 基于能量等效的负荷预测方法
与传 统 配 电 网 规 划 相 比 ， 电动汽车充电基础设 施规划需要解决的 核 心 问 题 是 充 电 负 荷 的 预 测 ， 在 ， 确定各个区域负荷 分 布 和 充 电 站 的 负 荷 分 布 后 才 能对不同充电基础设施进行定址定容 。 本文提出的 能量等效法是基于 能 量 等 效 原 则 ， 将现有加油站的
图 １ 能量等效法负荷预测框图 Ｆ ｉ ． １ Ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｌ ｏ ａ ｄ ｆ ｏ ｒ ｅ ｃ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｇ ｇ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ｅ ｕ ｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｇ ｙ ｑ
２． １ 备选站址选择 集中充电基础设施规模大 、 数量有限 ， 一般可以 根据实际需求和限制条件提出备选方案 。 选择备选 需要考虑如下因素 。 站址时 ， ２． １． １ 交通与使用约束 因 充电 基 础 设 施 需 要 满 足 电 动 汽 车 运 行 需 要 ， 此， 必须满足充电 需 求 、 交 通 条 件、 使用便利性等方 面的约束 ， 主要包括以下几个方面 。 ） 充电需求约束 。 需要根据附近加油站耗油数 １ （ 据 也可以用车辆分布 、 使用等数据 ） 进行粗略估计 ， 站址附近 区 域 内 应 该 达 到 一 定 数 量 的 充 电 负 荷 需 求。 ） 交 通 条 件 约 束。 备 选 站 址 需 要 满 足 交 通 需 ２ 靠近城市快速路 、 主干道等 。 要， ） ３ 服务区域覆盖约束 。 集中式充电基础设施具 所有充电站服务范围的 有一定的服务半径 和 范 围 ， 并集应覆盖规划区域 。 ） 建设条 件 约 束 。 要 有 足 够 的 建 设 用 地 ， 满足 ４ 停车车位 、 充电设备 、 监控设备 、 管理办公用地需要 ， ， 这与充电负荷总量 有 关 在 负 荷 预 测 完 成 后 还 需 要 进一步校核 。 ２． １． ２ 电网建设约束 充电基础设施建设 ， 主要需要考虑出线间隔 、 线 路长度等方面的要求 。 ） ／ 出 线 间 隔 约 束。 目 前 一 般 采 用 １ １ １ ０ｋ Ｖ 集中式充 ３ ５ｋ Ｖ 变电站 为 １ ０ｋ Ｖ 配 电 变 压 器 供 电， 电基础设施的供电电源必须有出线间隔空余 。 ） 线路长度 约 束 。 根 据 《 城市配电网规划设计 ２ 规范 》 的 规 定， 中压配电线路电压损失不宜超过
第３ ７ 卷 第 １ ３期 ２ ０ １ ３年７月１ ０日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ７ Ｎ ｏ ． １ ３ １ ０， ２ ０ １ ３ Ｊ ｕ ｌ ｙ
： ／ ＤＯ Ｉ １ ０． ７ ５ ０ ０ Ａ Ｅ Ｐ Ｓ ２ ０ １ ２ ０ ５ ２ ５ ３
电动汽车充电基础设施规划方法与模型
郭春林 ，肖湘宁
（ ） 新能源电力系统国家重点实验室 ，华北电力大学 ，北京市 １ ０ ２ ２ ０ ６
为由于汽车数量的增加而形成的加油站售油量年增 长率 ； Ｃ 为 电 动 汽 车 的 平 均 每 吨 百 公 里 电 耗； Ｈ 为 电动汽车 的 平 均 重 量 ； Ｍ 为传统汽车平均百公里 。 油耗 ２． ２． ２ 集中充电基础设施负荷的计算 假设 用 户 改 用 电 动 汽 车 后 ， 主要是到原来加油 站附近的充电站 充 电 。 用 γ 表 示 第ｋ 个 加 油 站 的 Ｆ ｋ 集中充 电 率 ， 则对应采用集中充电模式的电量为 需要将其分配到加油站ｋ 附近的集中充电 ＥＦ γ Ｆ ｋ ｋ， 基础设施中 。 如图 ２ 所 示 ， 超出最大距离的集中充电基础设 施不予分配充电电 量 ， 最大距离以内的则采用等负 荷距分配法 。 图中 ： ｒ Ｆ Ｃｍ ａ ｘ为 加 油 站 分 配 到 集 中 充 电 基础设施的最大半径 ； ＥＣ ｉ为 第ｉ 个 集 中 充 电 基 础 设 施的总充电电量 ； ｒ ｉ 个集中 Ｆ Ｃ ｋ ｉ 为第ｋ 个加油站与第 充电基础设施的距离 。
０ 引言
随着 能 源 危 机 和 环 境 污 染 的 加 剧 ， 电动汽车受 ［ ］ １ ２ － 。电动汽车的快速 到了国内外 学 者 的 广 泛 关 注 发展离不开充电基 础 设 施 的 合 理 规 划 ， 很多学者对 ］ 此进行了研究 ， 文献 ［ 介绍了充电模式及充电站 ３ ４ － 规划的基本原则 。 文 献 ［ 研究了电动汽车对区域 ５］ 电力供应的影响 ， 指出充电设施规划需与配电网规 ］ 划结合 。 文献 ［ ６ 提出了基于博弈论的电动汽车充 从电动汽车负荷需求 电站选址优化模型 。 文 献 ［ ７］ 的空间分布出发 ， 提出了一个非线性多目标优化模 ］ 应用区域交通流量守恒定理 ， 将小区 型 。 文献 ［ ８ ９ － 内的电动汽车总量 视 为 充 电 站 的 负 荷 点 ， 进行充电 负荷总量和分布预 测 ， 提出了基于年最小费用的充 ］ 电站选址模型 。 文献 ［ 提出了以充电站年最大运 １ ０ ］ 营收益为目标的充电站选址模型 。 文献 ［ 采用蒙 １ １ 对中国未来电动汽车充电 特卡洛法计算充电 负 荷 ， ］ 负荷水平进行了分析 。 文献 ［ 将充电设施规划分 １ ２ 为示范阶段 、 公益阶段和商业运行阶段 ， 提出了规划 原则和流程 ， 以 及 选 址 布 局 模 型。 这 些 研 究 对 实 际 规划具有一定的指 导 意 义 ， 但有些步骤和要求不够 清楚具体 ， 有些对 数 据 要 求 较 高 ， 因 此， 还需继续深 ， 入研究 以满足电动汽车及其充电设施发展的需要 。 本文研究了基于能量等效负荷预测法的充电设 以为充电基础设施的实际规划 施规划方法和模型 ， 提供指导 。
不宜 ４％ ， １ ０ｋ Ｖ 配电网 供 电 半 径 一 般 为 ３～８ｋ ｍ， 超过此限值 。 ） 电力走 廊 约 束 。 由 于 城 市 用 地 非 常 紧 张 ， 电 ３ 因此 ， 力走廊对充电基础设施建设具有较强的约束 ， 规划过程中必须考虑电力线路的路径 。 ） 容载比约束 。 为了保障电动汽车规模化应用 ４ ／ 后的 充 电 站 供 电 能 力 ， 为其供电的１ １ ０ｋ Ｖ ３ ５ｋ Ｖ 电压等级的变电站容载比需要满足相关标准 。 ２． ２ 负荷预测 ２． ２． １ 等效充电量折算 由加油站的售油量计算得到其等效的充电电 量， 计算公式如下 ：
ｓ ＣＨＦｋ（ １＋ξ α ｙ） Ｆ ｋ （ ） ＥＦ １ ｋ＝ Ｍ 式中 ： ＥＦ ｎ是 ｋ 为第ｋ 个 加 油 站 的 等 效 总 充 电 电 量 ； ； 指所在地区规划的第ｎ 年 α Ｆ ｋ为 加 油 站 所 在 地 区 规 划年的电动汽车渗透率 ； 将汽 油 ｓ 为单位换算系数 ， 的单 位 由 吨 换 算 为 升 ； Ｆ ｋ 为 目 前 的 汽 油 销 售 量； ｙ ξ
１ 充电基础设施规划的总体方法
１． １ 充电模式划分 电动 汽 车 充 电 主 要 分 整 车 交 流 充 电 、 整车快速 充电 、 换电 ３ 种模式 。 对于充电基础设施规划来说 ， 主要关心的是充电负荷和充电基础设施的总量和分 布， 慢充和快充的不 同 可 以 通 过 建 设 过 程 中 选 择 不 同的设备来解决 。 因 此 ， 将充电负荷分为采用集中 充换电站的集中式充电负荷 ， 以及分布在居住 、 办公 等区域的分散式充 电 负 荷 ， 分别通过各区域充电负 、 荷的集中率 分散率进行计算 。 １． ２ 充电基础设施规划流程 ） 现状调查和数据收集 。 收集规划区域内的车 １ 辆、 电网 、 交通 、 地理条件等有用数据 。 ） 。 初步给出集中充电站站址备选方 负荷预测 ２ 案， 在此基础上预测 各 个 集 中 和 分 散 充 电 基 础 设 施 的电量需求和负荷功率 。 ） 定址定容 。 基于负荷预测结果 ， 对各处集中 、 ３ 分散式充电基础设施进行选址定容 。 ） 校核站址备选方案的合理性和规划方案对电 ４ 网的影响 ， 如果不 满 足 规 划 要 求 ， 调 整 备 选 方 案 后， 。 重新进行负荷预测和定址定容 ） 综合评估 ， 考察规划方案的经济性和用户便 ５ 利性 。
Ｋ
ＥＤ ＥＦ ｋ ｋ ｊ＝ ｊ βＦ ∑λＦＤｋ
ｋ＝１
（ ） ６
ＥＣ ＥＦ γＦ ｉ＝ ｉ ｋ ｋ ∑λＦＣｋ
ｋ＝１
（ ） ３
将总 充 电 电 量 除 以 区 域 最 大 负 荷 利 用 小 时 数 就得到了其最大负荷 ： σ Ｄ ｊ
式中 ： Ｋ 为加油站的个数 。 将总 充 电 电 量 除 以 最 大 负 荷 利 用 小 时 数 σ Ｃ ｉ就 得到了其最大负荷 ：
摘要 ：电 动 汽车 具有 节 能 减 排 、 削峰填 谷 等 多 重 作 用 ， 充 电 设 施 规 划 方 法 和 模 型 能 够 指 导 其 建 设， 促 进电 动 汽车 的 发展 。 文中较为 系统 地 提出了 充 电基础 设 施 规 划 步 骤 和 具 体 做 法 。 基于能量 等 效 的原则， 提出了 等负荷 距 分 配 法 将 集 中和分 散 充 电量分 配 到 相应充 电 设 施 ， 给出了其中计 算参数 的 模型 ， 通 过 能量 等 效 方式 进行 负荷 预测 ， 再 进行定 址 定 容 ， 采 用 净 现 值 方 法 评估 经济 性 ， 采用平均充 电 距 离 评估 用 户便 利性 ， 最 终 得到 可用 的 规 划 方 案 。 关键词 ：电 动 汽车 ；充 电基础 设 施 ；规 划 方 法 ；负荷 预测 ；充 电 负荷