考慮環境因素的新能源配送汽車換電站選址路徑優化

張永學，張婕姝

（黃河科技學院，鄭州 414100）

引言

由于新能源配送汽車電池能量密度的限制，新能源配送汽車續航里程較短，因此，為了新能源配送汽車的應用性能，需要建設完善的換電設施。由于城市間的新能源配送汽車一般都是長途行駛，考慮到行駛距離約束，需要建立新能源配送汽車換電站。若換電站選址不當既會影響到新能源配送汽車充電的便利性，還會對電網安全運行帶來不利影響。合理對系能源配送換電站選址路徑優化，可避免盲目的進行大規模換電設施建設，減少公共基礎設施的重復建設與資源浪費現象的發生。

現有的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法主要有兩種，一是基于雙目標數學規劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法，二是基于啟發式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法。基于雙目標數學規劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法，是建立集覆蓋問題和最大覆蓋問題兩個數學規劃模型，不預先生成所有可能的站點組合，只需要求解規模不大的線性問題，以對規劃問題求解；基于啟發式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法，綜合考慮電池容量，設施站點的服務能力，并通過約束條件刻畫用戶行駛過程中車輛的用電情況，以考慮換電站選址路徑優化問題。這兩種方法均可以對新能源配送汽車換電站選址路徑優化，但是優化后存在換電站經濟效益低與用戶換電總交通成本高的問題，為此設計一種考慮環境因素的新能源配送汽車換電站選址路徑優化方法。

1 新能源配送汽車換電站選址約束條件設定

為用戶提供換電便利的前提是保證換電站供電可靠性與電能質量，為此在新能源配送汽車換電站選址路徑優化前，設定約束條件[1]。將負荷約束與電能質量約束作為選址約束條件，如下所示。

新能源配送汽車換電站必須滿足供電可靠性，需要保證規劃區域內的換電站額定容量不小于配送汽車最大換電負荷需求。因此從負荷約束對新能源配送汽車換電站選址路徑約束，負荷約束表達式為：

式中：

N—換電站額定容量；

M—換電站內最大換電負荷需求；

l—換電站最大傳輸容量；

x—換電站線路傳輸的實際傳輸容量[2]。

新能源配送汽車換電站選址還需要考慮到電壓質量，配送汽車接入電網后會直接影響到線路的節點電壓，尤其是末端節點電壓會嚴重下降，從而影響到用戶正常用電。因此，制定電能質量約束條件[3]，其表達式為：

式中：

g—節點電壓偏移量；

iv—節點i的電壓；

M—電網負荷；

A—換電站總負荷。

2 新能源配送汽車換電站服務半徑測算

新能源配送汽車換電站選址是否合理[4]與服務半徑密切相關，換電站的服務半徑[5]需要滿足新能源配送汽車續駛能力的要求，如果換電站服務半徑過大，會出現新能源配送汽車停運現象，不利于保障新能源配送汽車的續駛能力。若服務半徑過小，會導致換電站過于集中，從而造成資源浪費。

通過上述分析可知，服務半徑的確定與配送汽車的續駛里程相關，則從汽車的續駛能力角度考慮換電站服務半徑。新能源配送汽車的續駛里程與新能源配送汽車動力電池類型、容量[6]、汽車行駛速度以及電池循環壽命相關。續駛里程可認為是新能源配送汽車開始放電狀態直到電池容許的最小荷電狀態時的行駛距離[7]，表示為：

式中：

L—新能源配送汽車開始放電到電池容許的最小荷電狀態時的行駛距離；

P—新能源配送汽車電池的放電效率；

q—汽車電能轉換為機械能的轉換效率；

w—新能源配送汽車額定下的荷電狀態；

e—汽車電池的容量；

r—新能源配送汽車額定功率。

依據上述計算得到的新能源配送汽車的續駛能力[8]，確定換電站最大服務半徑，為保證配送汽車續駛能力，其表達式為：

式中：

y—換電站最大服務半徑；

sij—換電站i與換電站j之間的距離；

L—上述計算得到的新能源配送汽車的續駛里程；o—約束條件。

通過上述計算，確定新能源配送汽車換電站的最大服務半徑。

3 新能源配送汽車換電站選址路徑規劃

對于換電站選址路徑規劃，不僅要考慮最大服務半徑，還要考慮換電站最大服務次數[9]、周圍的固定充電需求與過路充電需求。因此在上述新能源配送汽車換電站服務半徑測算完成的基礎上，確定換電站的最大服務次數、固定需求[10]與過路充電需求。

3.1 換電站最大服務次數

考慮換電站最大服務次數的原因是，新能源配送汽車進行換電時，除了電池組的配置[11]決定其服務能力外，換電工位數以及換電時間都會影響換電站的服務能力。若服務等待的時間長，則會增加換電時間。服務等待內容組成如圖1所示。

因此在規劃時，從換電工位數與換電時間兩個方面考慮該換電站最大服務次數，表達式如下：

式中：

T—換電站日均工作時間；

N—換電站所需換電工位數；

C—換電站每天最大服務次數；

V—換電時間；

f—車輛之間影響等的儲備系數。

3.2 固定充電需求與過路充電需求

依據上述計算計算出換電站最大服務次數，在此基礎上，考慮換電站最大服務次數、周圍的固定充電需求與過路充電需求[12]。過路充電需求即當一些新能源配送汽車從某條固定路線上經過時，出現的臨時充電需求，因此需要考慮這些車流量對換電站選址[13]的影響。對于過路需求，主要計算某條線路的重要程度，其計算公式為：

式中：

A—最大覆蓋用戶需求；

j—該條線路最大過路需求；

d—線路重要程度系數；

g—潛在過路顧客流量；

圖1 服務等待內容組成

h—設施候選點。

通過上述計算找到總需求量最大的候選點[14]，然后將該點作為第一座換電站的選址點，則選址路徑表達式為：

式中：

L—總需求量最大的選址點；

Z—候選站址的集合；

V—待選節點；

b—固定需求點；

n—經過需求量最大選址點的線路結合，即需求量最大換電站位置所能服務到的位置。

不斷迭代上述計算，尋找下一個換電站位置，直到找到要求數目的站址。

4 實驗對比

在Windows7 系統的計算機上進行此次實驗，其中服務器的硬件配置如表1。

在該實驗背景下，將此次設計的方法與傳統的基于雙目標數學規劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法和基于啟發式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法對比。對比這三種方法換電站選址路徑優化后的換電站經濟效益與用戶充電總交通成本。

4.1 換電站經濟效益對比

經濟效益是換電站選址路徑優化追求的根本目標，其收益來源主要是充電站周圍的固定充電需求與隨機分布的過路充電需求，三種方法在一天內的換電站經濟效益對比結果如圖2所示。

分析上述實驗結果可知，在7：00～9：00時間段內，屬于早高峰時期，這個時間段內三個方法的經濟效益都相對較高。但是此次設計的方法高于基于雙目標數學規劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法和基于啟發式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規劃方法。在12：00～2：00時間時間段與16：00～20：00時間段內，此次設計換電站的經濟收益的方法仍高于傳統兩種方法。原因是，此次方法在對新能源配送汽車換電站選址路徑優化時，考慮到固定充電需求與過路充電需求，從而提高換電站經濟效益。

4.2 用戶充電總交通成本對比

充電總交通成本是指用戶行駛到充電站過程中消耗的成本，一些充電用戶由于交通約束或者剩余電量對續航路程的約束，追求的目標是尋找到最近的充電站充電，即充電總交通成本最小。因此，以該指標作為對比三種優化方法優化后的選址合理性，對比結果如表2所示。

表1 服務器硬件配置

圖2 換電站經濟效益對比

表2 用戶充電總交通成本對比

由表2可知，基于雙目標數學規劃模型的優化方法與基于啟發式算法的換電站選址路徑優化方法優化后的用戶充電總交通成本較高，基本在15元以上。此次設計方法優化后的用戶充電總交通成本基本在15元以下，經過對比可知，此次設計的方法比傳統兩種方法的用戶充電總交通成本對比少。原因是，此次設計的方法考慮換電站服務能力與距離的關系，重點對新能源配送汽車換電站服務半徑測算，從而保證了新能源配送汽車換電站選址路徑優化的合理性，減少了用戶充電總交通成本。

綜上所述，在換電站經濟效益上，此次所設計的方法比傳統兩種方法的經濟效益高，在用戶充電總交通成本上，此次設計的方法比傳統兩種方法交通成本低。通過上述兩個指標對比，可充分證明所設計的考慮環境因素的新能源配送汽車換電站選址路徑優化方法的合理性。

5 結束語

由于時間限制和數據獲取難度，此次研究的方法中還存在一定的不足，需要進行完善與改進，下一步的研究方向如下：

1）此次研究中雖然融入成本、充電時間等使優化結果更優，但是實際中的車輛類型以及客戶需求的變化等因素沒有全面考慮；

2）實際中的耗電量還受到配送汽車載重量的影響，在優化中沒有考慮到這一因素，因此在后續研究中，研究載重量對充電量的影響；

3）換電站存在多種運營模式，除了本文研究的換電站外，還包含充電樁、充電站等，因此在下一步的研究中將重點研究如何構建完善的供電網絡體系。