電動汽車充放電優化管理

林學星 陳瑞 張浪 譚艷祥

摘要：首先分析電動汽車充電行為特征量，從而計算了1萬輛車年需用電量為2163720kWh，然后對數據作一步處理，通過調優計算，得出當充電站交流1級、交流2級、直流充電這三個充電功率等級比例為0：6.9：1時，既能滿足用戶的需求（即在充電連接時長內獲取預期的充電電量），也能減少設備投資。

關鍵詞：電動汽車；充電站；電網

0.引言

電動汽車的能量主要來源于電網，其大規模發展離不開電力系統的支撐。電動汽車無序充電行為具有隨機性強、同時率高等特性，將給配電網帶來負荷峰谷差增大、電壓下降及損耗增加等挑戰。同時，電動汽車作為移動式儲能，在削峰填谷、提供電力系統輔助服務、協同消納新能源等方面具有廣闊的應用前景。[1]

本文以2018年全國大學生電工數學建模競賽A題為背景，對該問題附件1的100輛車用戶充電記錄的數據進行處理，分析電動汽車充電行為特征量。

1.問題分析

電動汽車具有很多優點，比如降低石油的消耗，減少溫室氣體的排放，但電動汽車畢竟是電能轉變為機械能，提供動力的。電源由電動汽車上的蓄電池提供，而蓄電池又要考慮到重量大小問題，方便攜帶問題，成本問題，所以我們現在的蓄電池所提供的電源都是極其有限的，電池的儲能少，充電的行程里數就會減少，那么對電池的充電問題顯得尤為重要。

對此，就必須考慮到以下三個問題：

①充電站的規模直接關系到可以同時進行電動汽車充電的汽車的數量多少，和排隊等候的汽車數量的多少，要講究時效性原則，每個人的時間都是有限的，所以在用車高峰期的排隊等候時間是我們需要研究的問題之一；

②在多少距離范圍內設立一個充電站，因為電動汽車的蓄電池的儲能較少，所以續航能力較弱，為了避免特殊的汽車電力不足問題，需要在短距離內設立充電站，通過對汽車充電過程進行數據研究分析，還要考慮到發電站對充電站的電力輸送配送的距離、成本，選取一個合適的距離建立一個充電站，才能達到資源的充分利用，不至于設立過多的充電站而浪費；

③因為早晚上下班時期是用車的高峰期，這個時候充電的汽車數目比平時要多，所以為了避免因為負載過多而導致電壓下降，這個時候應對電力輸送的電力進行提高。所以對以上問題進行研究探討對電動汽車的投入使用非常有必要，建立電動汽車充電站的布局優化模型，考慮充電需求分布、電動汽車數量增長、充電站服務范圍、城市規劃等因素，對電動汽車的發展與應用起到決定性作用。

2.規模化電動汽車的年用電量

對一周內每天的充電電量進行加總求和并分別求平均值。因此可知，一周內1百輛充電汽車的充電量最大值在周日，其大小為1649.30kWh，且一周內的充電量平均功率為59.28kW。根據這一平均功率，可計算得當有1萬輛電動汽車時，其年總功率為2163720kWh。

3.充電負荷的調優

再進一步分析原問題數據，把一天以一刻15分鐘為一個時間段，從而把一天24個小時劃分為96個時間段區間，最終計算可得24小時1萬輛電動汽車的充電負荷曲線。

然后對1萬輛電動汽車進行考慮，設交流1級、交流2級、直流充電這三個充電功率等級的充電的設備臺數分別為x， y， z，且各充電等級的設備每臺成本分別為3000，15000，500000元，結合前面得到的電荷曲線積分得到的一周1 萬輛電動汽車的充電負荷需求總量，其約為350000kW，假設以每臺設備最大功率分別為1.9，25.6，100kw來發電，則由其目標函數和約束條件并可求得其最優解如下所示：

即交流1級、交流2級、直流充電這三個充電功率等級比例為0：6.9：1時，能夠滿足原問題各方要求。

4.新能源充電站能量優化管理

根據原問題光伏發電量的利用形式，可分為以下兩種情況，這里選擇原問題數據的周一EV用戶充電記錄進行分析。

（1）光伏全額利用

在光伏全額利用的情況下，當在某一段時間內，新能源充電站的光伏發電量W不足供給于EV用戶需求量Wt時，須從電網購電，反之，則向電網售電。設Bt和Ct分別為充電站售單價和購電價，則

①當在第t個時間段內，當W–Wt ≥0時，充電站發電量滿足EV用戶的需求量，則其獲得收入為

It =Wt Bt+（W–Wt）Ct

②當在第t個時間段內，當W–Wt <0，充電站不滿足EV用戶的需求量，則其獲得收入為

It =WtBt–（Wt–W ）Ct

（2）允許棄光

在允許棄光的情況下，當在某一段時間內，在新能源充電站滿足EV用戶的電荷需求量時，其多余的光伏可以丟棄，而不需出售給電網。

對于以上兩種情況，由此可計算的未來 24 小時充電站利潤分別為

其中sgn（ ）為符號函數。

作進一步分析，可發現在光伏全額利用的情況下，其充電站的利潤最大，這說明要充分利用能源，節約能源，這不僅造福自身，還保護了環境，有利于可持續發展。

5.總結

電動汽車的發展與電力系統規模的擴大是相互促進的，在考慮增加電動汽車的投入使用數量的時候，也要考慮電力系統的規劃，科學合理地規劃電力網絡，并加快充電基礎設施建設，構建開放、智能、互動、高效的充電網絡，以實現電動汽車與電網的和諧發展。

參考文獻：

[1]第十一屆全國大學生電工數學建模競賽A題，http：//shumo.neepu.edu.cn/