基于蒙特卡洛模擬的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷預(yù)測

喬文娟

(銀川能源學(xué)院 電力學(xué)院， 銀川 750100)

0 引言

眾所周知，能源短缺與環(huán)境污染是21世紀(jì)全球關(guān)注的兩大難題，同時(shí)也將是未來社會(huì)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車良好的環(huán)保節(jié)能特性成為現(xiàn)今國際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)之一[1]。據(jù)工業(yè)和信息化部對電動(dòng)汽車的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，預(yù)計(jì)2030年中國的電動(dòng)汽車總量將會(huì)達(dá)到6 000萬輛[2]。電動(dòng)汽車的核心是充電電池，同樣充電電池作為主要?jiǎng)恿υ矗刻於夹枰潆姡罅康碾妱?dòng)汽車接入電網(wǎng)充電一定會(huì)給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊。所以，構(gòu)建合適的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型，不僅利于計(jì)算電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷，并且對電力系統(tǒng)的運(yùn)行乃至規(guī)劃都具有重要的指導(dǎo)意義[3]。

電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷在很多方面都具有很大的隨機(jī)性和間歇性，影響因素很多，主要包括電動(dòng)汽車保有量、起始荷電狀態(tài)(SOC)、充電功率、充電時(shí)間和動(dòng)力電池容量。隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車充電研究已得到國內(nèi)外眾多學(xué)者的高度重視，考慮多種因素，建立了不同的充電負(fù)荷模型。然而，必須提出的是有關(guān)充電負(fù)荷的研究依然存在著很多不足，比如對電動(dòng)汽車類型和充電方式的因素考慮仍然不全面等。

因此，本文按照實(shí)際需求將電動(dòng)汽車劃分為電動(dòng)公交車、出租車、公務(wù)車、私家車4大類，不同種類的電動(dòng)汽車充電特性完全不同，將采用蒙特卡洛模擬方法擬抽取起始荷電狀態(tài)、起始充電時(shí)間來計(jì)算4類電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷，求取負(fù)荷特性曲線，通過曲線對中國未來的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測分析。

1 車輛運(yùn)營情況與充電特性分析

不同類型電動(dòng)汽車，它們的充電特性，例如充電時(shí)間和頻率各種參數(shù)，都有很大差異。通過調(diào)研，得出4種不同種類的電動(dòng)汽車充電特性具體情況：各類電動(dòng)汽車適合的充電時(shí)段，充電頻率，起始充電容量分布和起始時(shí)間分布。基于車輛的日均行駛里程及能耗，得到車輛的充電負(fù)荷。

1.1 公交車

公交車的行駛特性相對非常的固定。早上06:00左右發(fā)車，晚上22:00左右收車，中間不間斷，共計(jì)約16 h。通過對公交車運(yùn)營情況進(jìn)行調(diào)研可知，公交車行程通常是確定的，來回雙程大約為70 km，每輛車在1天當(dāng)中大約可以往返4趟，日耗電量約為275 kW·h。目前已經(jīng)運(yùn)行的電動(dòng)公交車充滿電的額定行駛路程約為150～200 km。

根據(jù)公交車的運(yùn)營情況，分別提出2種充電策略：在白天運(yùn)營時(shí)段，一般不能長時(shí)間的停留，采用快速充電較為合理；在夜間停運(yùn)時(shí)段，可以長時(shí)間逗留，一般采用常規(guī)充電。公交車運(yùn)行早、晚高峰期分別為07:00—08:00，17:00—18:00。根據(jù)上述情況，制定以下的充電措施：白天充電時(shí)間選擇在09:30—16:00，晚上充電時(shí)間為23:00—05:00。電動(dòng)公交車每天需要充電的2次，起始SOC滿足正態(tài)分布。

1.2 出租車

出租車的行駛路線相對比較靈活，可以在不拉乘客時(shí)，選擇就近的充電站充電。電動(dòng)出租車作為多數(shù)人出行的交通工具，在不久的將來會(huì)得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。電動(dòng)出租車行駛路線特別靈活，平均每天行駛里程基本在350～400 km，每天需要充電2次。

根據(jù)出租車的運(yùn)營需求，每輛車運(yùn)行方式為2班倒，規(guī)定要在交班前充滿電。交班時(shí)間一般在早上06:00，下午16:00。為了帶來多的效益，白天運(yùn)營時(shí)段經(jīng)常選擇在就近充電站進(jìn)行快速充電；夜間休息的時(shí)段選擇在就近的充電場所進(jìn)行常規(guī)充電。根據(jù)出租車的交接班時(shí)間和休息時(shí)間，選擇在中午時(shí)間11:30—14:00進(jìn)行快速充電，在夜間02:00—05:00進(jìn)行常規(guī)充電。一天的運(yùn)營過程中需要充電2次，起始SOC滿足正態(tài)分布。

1.3 公務(wù)車

公務(wù)車一般用于各單位公務(wù)出行，行駛路程比較靈活，但大多數(shù)都是是白天運(yùn)行，夜間休息。公務(wù)車在不執(zhí)行公務(wù)外出時(shí)，可以選擇對其進(jìn)行充電。一般公務(wù)車夜間晚上多停留在固定停車場，所以可以選擇在夜間進(jìn)行常規(guī)充電，即18:00—07:00，起始SOC滿足正態(tài)分布N(0.40,0.12)。

1.4 私家車

據(jù)調(diào)查，中國私家車平均每年的行駛里程數(shù)約為15 000～20 000 km，每天的行駛里程為40 km[4]。私家車在工作日的主要用途為上、下班出行，節(jié)假日的主要用途為外出休閑等。針對每天的出行情況，通常停留在小區(qū)停車場或者是單位停車場；而節(jié)假日會(huì)有所不同，私家車一般停留在小區(qū)停車場或商場超市以及娛樂場所停車場。小區(qū)停車場和單位停車場內(nèi)一般會(huì)長時(shí)間逗留，因此可采用常規(guī)充電；商場超市停車場，停留的時(shí)間比較有限，必須限制充電時(shí)間，可以采用快速充電。

私家電動(dòng)汽車的上班出行高峰期為07:00—08:00，充電時(shí)間為白天工作期間。下班出行的高峰期為17:00—19:00，充電時(shí)間可以選擇在回到家時(shí)間至次日早上06:00。節(jié)假日出行時(shí)，可以選擇晚上在小區(qū)停車場充電或白天時(shí)段在公共停車場進(jìn)行快速充電。按私家車平均每天的行駛里程數(shù)來看，每天只需充電1次，起始SOC滿足正態(tài)分布N(0.60,0.12)。

2 不同車輛運(yùn)營及充電特性分析

2.1 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算模型

首先計(jì)算單輛電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷，然后累加所有電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，就可以得到總的充電負(fù)荷曲線。模型建立的難點(diǎn)通常在于電動(dòng)汽車起始充電時(shí)間和起始SOC的不確定因素很大，因此可以選擇蒙特卡洛方法模擬法抽取起始充電時(shí)間和起始SOC，然后得到充電所需時(shí)間。計(jì)算電動(dòng)汽車充電負(fù)荷以1天為單位，將1天分為1 440 min，令Pi表示第i分鐘所有電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，則總充電功率為：

式中，i=1,2，3…1 440；m為電動(dòng)汽車總數(shù)量，輛；Pn,i為第n輛車在i時(shí)刻的充電功率，kW。

2.2 蒙特卡洛方法的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算

假設(shè)電動(dòng)汽車的充電時(shí)間不被控制，為“即插即充”方式。對不同類型的電動(dòng)汽車，確定此類汽車的充電行為。對于常規(guī)充電的電動(dòng)汽車，沒有充電時(shí)長的限制，利用蒙特卡洛方法抽取起始SOC，在滿足充電所需要時(shí)長的約束條件下，縮短起始充電時(shí)間的抽樣范圍，抽取起始充電時(shí)間，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算；選擇快速充電模式的電動(dòng)汽車，同樣基于蒙特卡洛方法抽取起始充電時(shí)間，計(jì)算充電限制時(shí)間長度，在滿足充電所需時(shí)長的限制下，首先抽取起始充電時(shí)間，然后進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，流程如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車充電流程

本文采用的常規(guī)充電時(shí)的充電電流取值0.20 A，從零電量直至充滿電花費(fèi)時(shí)間為5 h；快速充電時(shí)充電電流取值為1.25 A，充電花費(fèi)時(shí)間為80 min。

表2 電動(dòng)汽車充電特性分析

該算法利用蒙特卡洛模擬方法抽取SOC和起始充電時(shí)間，原理是將符合均勻分布u(0,1)的隨機(jī)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0,1)的隨機(jī)點(diǎn)，由概率知識(shí)可知，要轉(zhuǎn)為一般正態(tài)分布N(e,v)，只需進(jìn)行簡單計(jì)算p×v+e即可，其中p表示概率。

3 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線預(yù)測

3.1 各種類型電動(dòng)汽車保有量預(yù)測

隨著人民生活水準(zhǔn)的不斷提高，汽車價(jià)格不斷的平民化，汽車已成為人們出行的必需品。汽車保有量的預(yù)測，可以利用過去和當(dāng)前的觀測值對未來的值進(jìn)行估計(jì)。首先對未來中國的各種類型的汽車數(shù)量進(jìn)行預(yù)測，假設(shè)電動(dòng)公交車、電動(dòng)出租車、電動(dòng)公務(wù)車在2020年、2030年所占比例分別為15%和30%，私家電動(dòng)汽車所占比例分別為10%和30%，然后就能得出2020年、2030年各類電動(dòng)汽車的數(shù)量，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 中國電動(dòng)汽車保有量預(yù)測情況 萬輛

3.2 參數(shù)設(shè)置

基于4種類型電動(dòng)汽車的充電特性的分析，得到一些基本參數(shù)，其中包括充電次數(shù)、充電時(shí)段、是否要求充電時(shí)長的限制、起始充電容量分布、起始時(shí)間分布見表2。

3.3 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線

由表2可知，電動(dòng)公交車每天的充電次數(shù)為2，起始充電時(shí)間服從均勻分布，充電功率為21 kW。電動(dòng)出租車一天中需要充電2次，白天休息時(shí)間的充電方式為快速充電，充電時(shí)間為80 min，快速充電時(shí)起始時(shí)間服從直角梯形分布，常規(guī)、快速充電功率分別為14 kW、90 kW。電動(dòng)公務(wù)車每天僅需充電1次，通常選擇在晚上進(jìn)行常規(guī)充電，充電功率為7 kW,起始時(shí)間分布服從均勻分布。電動(dòng)私家車充電方式有所不同，因?yàn)樵诠ぷ魅蘸凸?jié)假日行駛路線不同，所以參數(shù)不同，在工作日一般需要充電1次，在不同充電場合所占的比例不同，單位停車場和小區(qū)停車場進(jìn)行常規(guī)充電，起始時(shí)間分布分別服從N(9,0.25)、N(19,1.25)，充電功率為7 kW。在商場超市以及娛樂場所的停車場要快速充電，限制充電時(shí)間為80 min，起始時(shí)間服從直角梯形分布，充電功率為45 kW。私家電動(dòng)車在節(jié)假日時(shí)充電概率為0.8，不同的時(shí)間段充電比例會(huì)有所差異，起始充電容量將會(huì)呈現(xiàn)出正態(tài)分布，起始時(shí)間分布會(huì)呈現(xiàn)出均勻分布和直角梯形分布，充電功率與工作日相同。

應(yīng)用C++語言編程，分別輸入4種不同類型電動(dòng)汽車的數(shù)量，當(dāng)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行充電時(shí)，計(jì)算每一分鐘電動(dòng)汽車的充電功率，最后繪制出電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷曲線，分別將4種類型電動(dòng)汽車充電負(fù)荷進(jìn)行疊加，2020年、2030年工作日充電負(fù)荷曲線如圖2所示，2020年、2030年節(jié)假日充電負(fù)荷曲線如圖3所示。

3.4 結(jié)果分析

通過分析仿真圖可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)2020年工作日充電負(fù)荷峰值為2 537.07 MW，節(jié)假日充電負(fù)荷峰值1 329.51 MW。

(2)2030年，隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展普及，4種類型的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷上升趨勢非常迅速。

(3)電動(dòng)私家車在今后所占的比例非常大，因此未來電動(dòng)汽車的主要充電負(fù)荷來自電動(dòng)私家車。

(4)電動(dòng)汽車充電的負(fù)荷高峰期，主要聚集在傍晚下班后一直到晚上22:00點(diǎn)左右，這個(gè)高峰產(chǎn)生的主要原因是絕大多數(shù)的電汽車主會(huì)通常選擇在下班回家后即刻對電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，因此造成了負(fù)荷的迅速上升。充電負(fù)荷曲線不平緩，具有明顯的峰谷差，并且在時(shí)間上與電網(wǎng)的用電高峰期正好相符，若不對電動(dòng)汽車充電行為實(shí)施控制策略，會(huì)出現(xiàn)“峰上加峰”的情況，不久的將來，大規(guī)模的電動(dòng)汽車投入運(yùn)行，那么如此大規(guī)模的電動(dòng)汽車充電必將給電網(wǎng)的正常的運(yùn)行帶來難以承受的壓力。

圖2 2020年、2030年工作日充電負(fù)荷曲線

圖3 2020年、2030年節(jié)假日充電負(fù)荷曲線

4 結(jié)束語

本文將電動(dòng)汽車根據(jù)具體的行駛特性分為公交車、出租車、公務(wù)車、私家車，參照它們的運(yùn)行情況及充電特點(diǎn)，建立了利用蒙特卡洛模擬方法的充電負(fù)荷預(yù)測模型，并得出結(jié)論，同時(shí)也清晰直觀地發(fā)現(xiàn)影響充電負(fù)荷的主要因素。分析和預(yù)測2020年、2030年電動(dòng)汽車保有量，得出電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，對今后相關(guān)部門的電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)有重要的參考價(jià)值。