换电模式下电动汽车电池充电负荷建模与有序充电研究_罗卓伟

换电模式下电动汽车电池充电负荷建模与 有序充电研究
罗卓伟，胡泽春，宋永华，徐智威，贾龙
(电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084)
Study on Charging Load Modeling and Coordinated Charging of Electric Vehicles Under Battery Swapping Modes
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第 32 卷
求的约束下， 基于分时电价机制， 提出考虑 2 种换电方式的 以总充电费用最小为目标的第 1 阶段优化模型。 第 2 阶段优 化以第 1 阶段求取的最小充电费用为总充电费用的上限， 以 日负荷曲线波动最小为目标。以中国 2020 年充电负荷为例 进行计算， 对不同类型电动汽车采用不同的换电方式， 并将 换电模式与充电模式的充电负荷进行比较。计算结果表明， 换电模式下无序充电情景峰荷较充电模式时增加较小， 有序 充电情景电网峰荷将不会增加， 所提出的换电模式下有序充 电模型能够有效减少充电费用及日负荷曲线波动。 关键词：电动汽车；电池换电模式；电池配送；库存管理； 有序充电
second stage optimization. In the second stage, the objective is to smooth the daily load curve fluctuation. Case studies calculate the charging loads of EVs in the year of 2020 in China, different kinds of battery swapping modes were matched for different kinds of EVs. The results were compared with those of the plug-in charging mode. The calculation results show that, the peak load under battery swapping modes increases less than the plug-in modes in the uncoordinated charging scenario. The peak load will not increase in the coordinated charging scenario under battery swapping modes. The proposed optimal model can effectively reduce charging cost and smooth the load curve. KEY WORDS: electric vehicles; battery swapping modes; battery distribution; inventory management; coordinated charging 摘要： 为了建立换电模式下电动汽车电池充电负荷及优化模 型， 对 2 种电动汽车换电模式即充换电模式和集中充电统一 配送模式的结构、 运营流程进行了分析。 在满足用户换电需
0 引言
随着气候变化、能源短缺等问题的日益凸显， 电动汽车已经成为汽车工业未来的发展方向[1]。世 界各国纷纷制定了电动汽车产业发展战略、出台激 励政策、培育市场，但未来电动汽车采用怎样的能 源补给方式还存在争议，迫切需要加快研究适应中 国国情的电动汽车能源供给方式，科学规划和建设 能源供给网络[2]。 目前电动汽车能源供给方式主要分为充电模 式和换电模式 2 种[3-4]。 充电模式指电动汽车采用整 车充电的方式，按充电功率的大小分为常规充电和 快速充电。换电模式是一种将车辆和电池分开考虑 的思路，用户只购买汽车，专门的电池租赁公司负 责电池的更换、充电、保养和回收。这 2 种模式在 国际上已经得到不同程度的尝试和应用，其中对充 电模式的研究、设备开发[5]相对较多。中国国家电 网公司和南方电网公司均在 2011 年提出换电为主 的商业模式。 未来电动汽车大规模接入将给电网发电、输 电、配电、用电、调度等带来不可忽视的影响[6-7]。 电动汽车充电负荷优化能够减小电动汽车充电负 荷对电网的影响，提高电网运行的安全性及经济 性[8]，是目前研究的热点。电动汽车充电负荷具有 一定的随机性，单辆电动汽车的不确定性主要分为 2 个方面：1）起始充电时间的不确定性，即车辆到 达时刻的随机性；2）充电需求的不确定性，即开 始充电时刻电池的荷电状态(state of charge，SOC) 的不确定性。采用的优化模型主要分为随机规划模 型和确定性规划模型 2 类。随机规划模型将电动汽 车的不确定性通过概率密度函数表述，建立相应的 随机规划模型， 如文献[9]提出了随机机会约束规划
LUO Zhuowei, HU Zechun, SONG Yonghua, XU Zhiwei, JIA Long
(State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China) ABSTRACT: To build the charging load calculation and optimization model under the battery swapping modes of electric vehicles (EVs), the structure and operation of two kinds of battery swapping modes, i.e. charging-swapping modes and centralized charging unified distribution modes, were analyzed. Then taken the constrains of satisfying the battery swapping needs of customers, the first stage coordinated charging formulation considering both the battery swap modes to minimize charging cost based on the time of use (TOU) power price mechanism were proposed. The peak load obtained from the first stage were set as the upper bound of the
1 换电模式分析
1.1 充换电模式 充换电模式指电动汽车电池更换地点与充电 地点相同，更换下来的电池就地回收并充电。充换 电模式运营过程为：需更换电池的车辆驶入电池更
第 31 期
罗卓伟等：换电模式下电动汽车电池充电负荷建模与有序充电研究
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换区，更换上整组电池；换下来的电池送入充电区 进行电能补充，充满后就地编组进入电池库。 公交车在固定线路上运行，可采用充换电模 式， 在首末班停车场建立充换电站， 进行电能补充。 将充换电模式下对更换下的电池立即充电这种模 式定义为无序充电模式；将对电池充电过程进行控 制(如优化起始充电时间和充电功率的大小)这种模 式定义为有序充电模式。 1.2 集中充电统一配送模式 集中充电统一配送模式指电动汽车电池更换 地点与充电地点不同，电池在电池充电站集中充 电，统一配送至各个配送站。配送站负责电池更换 及回收。 以 1 个典型的电池管理片区为例对集中充电统 一配送模式结构进行说明，如图 1 所示。该片区主 要包括配送和充电控制中心、电池充电站和电池配 送站。控制中心组织承运单位进行配送，并根据配 送业务的需求配备足够的运力。
模型。通过对不确定性变量进行随机采样或者情景 集模拟 [10] 可将随机规划问题转化为多个确定性优 化问题。电动汽车充电负荷确定性优化采用的模型 主要包括二次规划模型[11-12]、动态规划模型[13]、整 数规划模型[14]等。文献[15]建立了以配电网网损最 小为目标的电动汽车有序充电随机规划、二次规 划、动态规划模型，并将计算结果进行比较，结果 表明，随机规划优化结果与二次规划、动态规划优 化结果差异很小，2 种方法均可得到较为可信的最 优解。以文献上均采用传统数学优化算法求解。文 献 [16-19] 对大规模电动汽车有序充电优化问题进 行了深入研究， 采用现代优化算法求解， 速度较快， 能够用于电动汽车实时控制。文献[16-18]均采用了 分布估计算法(estimation of distribution algorithm， EDA)求解：文献[16]提出了一种基于 EDA 的大规 模电动汽车有序充电优化算法；文献[17]提出了 2 种电动汽车有序充电方式及模型，并将优化结果进 行比较分析；文献[18]探讨了 4 种不同电池模型对 电动汽车优化控制结果的影响。文献[19]采用粒子 群算法求解大规模电动汽车实时调度的有序充电 优化问题。 上述电动汽车充电负荷优化的研究均基于充 电模式，换电模式下电动汽车充电负荷模型及优化 的研究还比较少。目前文献在研究电动汽车随机性 时，未同时考虑车辆起始充电时间以及充电需求的 不确定性。本文针对换电模式在中国推广的现状， 在分析换电模式运营方式的基础上提出了充电负 荷计算模型。基于分时电价机制，在满足用户换电 需求的约束下， 建立了 2 种换电模式(即充换电模式 和集中充电统一配送模式)下的有序充电优化模型。 该模型分为 2 个阶段：第 1 阶段优化以充电费用最 小为目标；第 2 阶段优化则以日负荷曲线波动最小 为目标，以第 1 阶段求取的最小充电费用为约束。 以中国 2020 年电动汽车充电负荷为例进行计算， 并对换电模式与充电模式下的充电负荷计算结果 进行了比较。
基 金 项 目 ： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 (863 计 划 ) 重 大 项 目 (2011AA05A110)；国家自然科学基金项目(51107060)；质检公益科研专 项项目(201010232)；国家电网公司科技项目。 National High Technology Research and Development Program of China (863 Program)(2011AA05A110); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51107060); Quality Public Service Industry Research and Special Projects (201010232); State Grid Cooperation of China Technology Project.
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编 者 按
发展电动汽车涉及环境保护、能源安全和产业发展等国家战略问题，受到了多国政府的高度重视和大力支持。大规 模电动汽车接入电网，一方面将对电力系统的运行和规划产生不容忽视的影响，另一方面可以对充电负荷进行有序控制， 甚至利用电池放电向电网运行提供支撑。因此，近几年，对电动汽车接入电网的研究成为一个热点。在国家高技术研究 发展计划(863 计划)的资助下，国内的高校、科研院所和企业对电动汽车接入电网以及电动汽车与电网互动方面开展了大 量的研究和实践。本刊特邀请几家参与单位总结近期的研究成果，以专栏刊出。本次共刊出论文 9 篇，内容涉及电动汽 车对电网影响的分析、电动汽车充电行为仿真软件设计、充电设备设计、充电站规划、电池荷电状态估计、充换电负荷 的计算与有序充换电策略，以及电动汽车向电网提供辅助服务的市场模式。希望此专栏对相关领域的研究起到启发和推 动的作用。 文章编号：0258-8013 (2012) 31-0001-10 中图分类号：TM 74 文献标志码：A 学科分类号：470·40
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.31.004
第 32 卷 第 31 期 2012 年 11 月 5 日
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国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
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Vol.32 No.31 Nov.5, 2012 ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng.