本發(fā)明涉及高寒地區(qū)充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
：目前，在能源危機(jī)和節(jié)能減排的雙重壓力下，我國(guó)很早就開始重視電動(dòng)汽車的開發(fā)工作，科技部在“十五”期間提出了我國(guó)發(fā)展新能源汽車的實(shí)施方案，電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)是重點(diǎn)組織實(shí)施的12個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。該項(xiàng)目中，我國(guó)組織企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)，以官、產(chǎn)、學(xué)、研四位一體的方式，聯(lián)合攻關(guān)，確立了以燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車為“三縱”，以多能源動(dòng)力總成、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池共性關(guān)鍵技術(shù)為“三橫”的“三縱三橫”的電動(dòng)汽車開發(fā)布局。如同傳統(tǒng)汽車的加油站服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，電動(dòng)汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是電動(dòng)汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，目前，為了促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展，包括國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)石油、中國(guó)石化等企業(yè)都在籌建各種電動(dòng)汽車充換電站，但是由于電動(dòng)汽車的保有量極少且存在諸多不確定因素，電動(dòng)汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)在未來是應(yīng)該大力發(fā)展、適度發(fā)展還是限制發(fā)展還難以確定。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)沒有考慮高寒地區(qū)對(duì)充電服務(wù)的影響以及設(shè)備閑置或供不應(yīng)求的問題，而提出的一種高寒地區(qū)充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法。一種高寒地區(qū)充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一：進(jìn)行電動(dòng)車及充電站數(shù)量分析；步驟二：進(jìn)行電動(dòng)汽車耗電量分析；步驟三：根據(jù)步驟一和步驟二進(jìn)行電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃；步驟三一：進(jìn)行公交專用充電站的規(guī)劃；步驟三二：進(jìn)行環(huán)衛(wèi)及物流充電站的規(guī)劃；步驟三三：進(jìn)行出租車及私家車充電站的規(guī)劃。發(fā)明效果：很多研究計(jì)算過程中用到的是實(shí)際的汽車保有量，但是在實(shí)際使用過程中，對(duì)于每日行駛距離較短的用戶，并不需要每天充一次電，同理對(duì)于行駛里程大的用戶每天充電次數(shù)不止一次。如果利用汽車保有量計(jì)算地區(qū)的充電設(shè)備建設(shè)計(jì)劃，將會(huì)出現(xiàn)設(shè)備閑置或者供不應(yīng)求的現(xiàn)象，與實(shí)際需求有著較大差距。本發(fā)明從實(shí)際出發(fā)，充分總結(jié)不同種類車輛的行駛習(xí)慣，使整體方案更加接近實(shí)際使用情況。同時(shí)本發(fā)明考慮到用戶充電的便捷性，本規(guī)劃方案中，各充電站之間距離盡量平均，考慮到區(qū)域的人口密度、商業(yè)區(qū)的發(fā)達(dá)程度，通過調(diào)節(jié)各個(gè)充電站的容量進(jìn)行協(xié)調(diào)。附圖說明圖1為充電站規(guī)劃流程圖；圖2為所選區(qū)域各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)賦值圖，圖中數(shù)字為負(fù)擔(dān)系數(shù)；圖3為區(qū)域劃分圖；圖4為快充費(fèi)用隨充電機(jī)臺(tái)數(shù)變化圖；圖5為慢充費(fèi)用隨充電機(jī)臺(tái)數(shù)變化圖。具體實(shí)施方式具體實(shí)施方式一：一種高寒地區(qū)充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法包括以下步驟：步驟一：進(jìn)行電動(dòng)車及充電站數(shù)量分析；步驟二：進(jìn)行電動(dòng)汽車耗電量分析；步驟三：根據(jù)步驟一和步驟二進(jìn)行電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃；步驟三一：進(jìn)行公交專用充電站的規(guī)劃；步驟三二：進(jìn)行環(huán)衛(wèi)及物流充電站的規(guī)劃；步驟三三：進(jìn)行出租車及私家車充電站的規(guī)劃。具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述步驟一中進(jìn)行電動(dòng)車及充電站數(shù)量分析的具體過程為：示范推廣地區(qū)中預(yù)計(jì)到2020年，推廣電動(dòng)汽車規(guī)模將達(dá)到223萬輛，需要新建充換電站4300座，充電樁220萬個(gè)；假設(shè)電動(dòng)汽車的占有量等于生產(chǎn)總值所占比例，根據(jù)示范推廣地區(qū)各省人口以及生產(chǎn)總值，得到示范推廣地區(qū)中任一省份年生產(chǎn)總值占示范推廣地區(qū)所有省份年生產(chǎn)總值的比例，以及該省份中任一城市年生產(chǎn)總值占該省年生產(chǎn)總值的比例，進(jìn)一步得到該城市預(yù)計(jì)在2020年建設(shè)的充電站和充電樁的數(shù)量；根據(jù)2020年預(yù)計(jì)我國(guó)電動(dòng)汽車數(shù)量、充電站數(shù)量，以及公交車、出租車、環(huán)衛(wèi)物流和公務(wù)及私人電動(dòng)汽車和充電站數(shù)量所占總電動(dòng)汽車數(shù)量和充電站數(shù)量的比例，得到該城市公交車、出租車、環(huán)衛(wèi)物流和公務(wù)及私人電動(dòng)汽車所需的充電站數(shù)量。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述步驟二中進(jìn)行電動(dòng)汽車耗電量分析的具體過程為：n1＝n0·n·η(2)n為城市任一類型車輛總數(shù)，p0為每輛該類型車充滿電時(shí)的最大容量，p1為每輛該類型車平均每天耗電量，η為車輛在充電站充電的概率，n0為每輛該類型車每天平均充電次數(shù)，n1為該類型車平均每天充電總次數(shù)。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述步驟三一中進(jìn)行公交專用充電站的規(guī)劃具體為：公交專用充電站選址以公交車的始發(fā)、終點(diǎn)站為主，每輛公交車慢充容量約為150kW/h，慢充時(shí)間為6h，則公交車充電機(jī)的慢充功率為25kW，公交車在白天運(yùn)行過程以快充的方式補(bǔ)充82kW/h電量，假設(shè)這些容量需要在1h內(nèi)充滿，則選用的充電機(jī)功率大于等于82kW。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述步驟三二中進(jìn)行環(huán)衛(wèi)及物流充電站的規(guī)劃具體為：設(shè)置環(huán)衛(wèi)車和物流車專用充電站，物流車輛每輛每天耗電139.2kW/h，夜間慢充車輛充電時(shí)間為8h，每個(gè)充電站功率1799.4kW，若選用雙槍充電機(jī)，則每個(gè)充電站的功率大于等于35kW。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：所述步驟三三中進(jìn)行出租車及私家車充電站的規(guī)劃具體為：采用加權(quán)Voronoi法劃分服務(wù)區(qū)域；充電站服務(wù)范圍的劃分主要是利用加權(quán)Voronoi圖來實(shí)現(xiàn)的，加權(quán)Voronoi圖的定義為：設(shè)R＝{R1,R2,…,Rt}，2≤t<∞為平面上的一個(gè)控制點(diǎn)集，τi(i＝1,2,…,t)是給定的t個(gè)整數(shù)，x為平面上的任意點(diǎn)，d(x,Ri)表示點(diǎn)x與Ri間的歐氏距離，則：將平面分成t部分，由Vn(Ri,τi)(i＝1,2,…,n)確定的對(duì)平面的分割稱為點(diǎn)上加權(quán)的Voronoi圖，τi為Ri的權(quán)重；位于加權(quán)Voronoi圖的某曲邊形中的每個(gè)點(diǎn)到該曲邊形發(fā)生元的加權(quán)距離均小于該點(diǎn)到其他曲邊形發(fā)生元的加權(quán)距離。權(quán)重反映所選充電站位置車流密度和人口密度對(duì)充電站服務(wù)范圍的影響。本文中確定權(quán)重的方法如下所述，在地圖上按照距離劃分網(wǎng)格，每個(gè)交點(diǎn)視為一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。由于城市中車流量、特殊功能區(qū)域分布不均衡，故應(yīng)酌情調(diào)整充電站服務(wù)區(qū)域，即相對(duì)繁華或人口車流密集的地方，充電站的服務(wù)范圍應(yīng)有所減小，反之范圍相應(yīng)擴(kuò)大。綜合車流、人口等因素，給每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)充電站負(fù)擔(dān)系數(shù)k，不同區(qū)域的系數(shù)賦值如下表：表8各功能區(qū)權(quán)重賦值舉例區(qū)域性質(zhì)k住宅密集區(qū)5商業(yè)區(qū)5辦公區(qū)4公園3醫(yī)院2學(xué)校2一般區(qū)域1則所選站址的權(quán)重τi表示為：其中y為觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目，u、a為調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)實(shí)際需求取值，調(diào)節(jié)權(quán)重的取值范圍和數(shù)值之間的差異，如果要想突出距離對(duì)充電站容量的影響，則將權(quán)重值之間的差異減小，如果要突出該地區(qū)車流、人流等對(duì)充電站的影響，則將權(quán)重值之間的差異增大；l為觀測(cè)點(diǎn)到所選站址的距離；定容模型在計(jì)算電動(dòng)汽車的充電需求時(shí)，將路網(wǎng)中的交通流量用每個(gè)路口節(jié)點(diǎn)的交通流量表示；設(shè)與路口節(jié)點(diǎn)j相連的路段數(shù)為w，用j′f表示與節(jié)點(diǎn)j相連的第f個(gè)路口節(jié)點(diǎn)，表示t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)j′f相連的第f條路段的交通流量密度，則節(jié)點(diǎn)j在t時(shí)刻的交通流量密度表示為：由于任一路段的交通流都是雙向的、非對(duì)稱的，所以在計(jì)算路口節(jié)點(diǎn)的交通流量密度時(shí)，應(yīng)取統(tǒng)一流向，即統(tǒng)一取流入(或流出)節(jié)點(diǎn)的車流數(shù)據(jù)。T時(shí)間段內(nèi)路口節(jié)點(diǎn)，需要充電的電動(dòng)汽車數(shù)量q′j表示為：其中α為電動(dòng)汽車所占比例；β為所有電動(dòng)汽車中需要充電的汽車所占比例，即電動(dòng)汽車的充電率；若充電站i的服務(wù)范圍內(nèi)有ni個(gè)路口節(jié)點(diǎn)，則充電站i服務(wù)范圍內(nèi)T時(shí)間段需要充電的電動(dòng)汽車數(shù)量Qi表示為：若充電站有c臺(tái)充電機(jī)，則ρ＝λ/(cμ)稱為充電站的服務(wù)強(qiáng)度。在用戶的使用過程中存在一個(gè)心理可接受的SOC充電最低閾值，即當(dāng)用戶不會(huì)再SOC為0時(shí)才進(jìn)行充電。這一現(xiàn)象將單位時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車到充電站的期望提升到λ/SOC，同時(shí)也將單位時(shí)間內(nèi)可服務(wù)的車輛數(shù)提高的μ/SOC，即用戶的心理接受程度對(duì)該方法中充電站服務(wù)強(qiáng)度基本沒有影響。另外，環(huán)境溫度的降低影響電池性能，在低溫狀態(tài)下，電池SOC不能100％放電，同時(shí)在冬季，不同的電動(dòng)車存在不同電池保溫方案，相當(dāng)一部分電動(dòng)車會(huì)通過消耗動(dòng)力電池的能量為電池組提供熱量，這都間接影響著充電站的服務(wù)強(qiáng)度。寒冷的環(huán)境與室溫情況相比，單位時(shí)間耗電量增加，單位時(shí)間車輛充電會(huì)更加頻繁，單次充電電量減小。如單次充電時(shí)間固定，則充電功率減小，充電站排隊(duì)人數(shù)增多。但是由于不是所有電動(dòng)車都有低溫運(yùn)行方案，且電動(dòng)車在低溫情況下的方案根據(jù)車型不同，目前很難估計(jì)由此造成的充電強(qiáng)度變化程度。同時(shí)在冬季低溫環(huán)境下，由于SOC降低，續(xù)航能力降低，應(yīng)適當(dāng)減小充電站之間的距離。該充電站屬于標(biāo)準(zhǔn)的M/M/c/∞/∞排隊(duì)系統(tǒng)模型，表示顧客到達(dá)時(shí)間服從指數(shù)分布，到達(dá)過程為泊松分布，服務(wù)臺(tái)個(gè)數(shù)為c個(gè)，最大允許隊(duì)長(zhǎng)為無窮的排隊(duì)系統(tǒng)。電動(dòng)汽車接受充電服務(wù)的概率為：其中pn為有n輛電動(dòng)汽車接受充電服務(wù)的概率，p0表示沒有車輛在排隊(duì)的概率，λ為單位時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車到充電站的期望值，μ為單位時(shí)間進(jìn)行服務(wù)的數(shù)量，服務(wù)臺(tái)個(gè)數(shù)為c個(gè)；ρ＝λ/(cμ)稱為充電站的服務(wù)強(qiáng)度；對(duì)于充電站來說，若充電機(jī)配置較多，則充電站的服務(wù)成本會(huì)增加，服務(wù)水平會(huì)有所提高，顧客在充電站中由于等待所花費(fèi)的成本會(huì)降低；相反，若充電機(jī)配置較少，充電站的服務(wù)成本會(huì)減少，服務(wù)水平會(huì)降低，而顧客在充電站中由于等待所花費(fèi)的成本會(huì)增加。所以，本文兼顧了充電站與顧客雙方的利益，以充電站的服務(wù)成本和顧客的等待費(fèi)用之和最小為目標(biāo)來優(yōu)化配置充電站的充電機(jī)臺(tái)數(shù)。在穩(wěn)態(tài)的情況下，設(shè)單位時(shí)間每個(gè)充電機(jī)的成本費(fèi)用是cs，每個(gè)顧客在充電站停留單位時(shí)間的費(fèi)用為cw，則單位時(shí)間的費(fèi)用的期望值z(mì)表示為：z＝cs·c+cw·Ls(9)其中Ls是充電站的平均隊(duì)長(zhǎng)，表示為：系統(tǒng)的總費(fèi)用z＝z(c)，記c*為充電機(jī)的配置臺(tái)數(shù)，則z(c*)為最小費(fèi)用，z(c)是離散函數(shù)，采用邊際分析法求解，則有：將式(9)代入式(11)，化簡(jiǎn)整理得：由式(12)即可求得充電站的充電機(jī)配置臺(tái)數(shù)c*；約束條件節(jié)點(diǎn)電壓幅值的上下限：其中VA為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A的電壓幅值，和分別為該節(jié)點(diǎn)電壓幅值的上下限，M為配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；饋線最大電流約束：IAB|≤IAB,max,A,B＝1,2,…,M(14)其中IAB和IAB,max分別是配電網(wǎng)中饋線AB的電流和允許流過的最大電流；充電站接入點(diǎn)容量約束：PC-AB≤PB,max(15)其中PC-AB為接入電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B的與充電站相連的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A的最大充電功率；PB,max為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B的最大接入功率；變電站變壓器容量：SA≤SA,max(16)其中SA為給對(duì)應(yīng)區(qū)域供電的變電站或變壓器的負(fù)載，SA,max為該變電站或變壓器的最大負(fù)荷；配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行接入的電動(dòng)汽車最大充電功率約束：其中PCi為充電站i的充電功率，為配電網(wǎng)允許接入的電動(dòng)汽車最大充電功率；成本核算：電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃建設(shè)既要考慮充電站的建設(shè)運(yùn)行成本，也要考慮充電站建成后的社會(huì)效益。在規(guī)劃方案的選擇過程中，應(yīng)該同時(shí)考慮到建設(shè)方和用戶兩方面的利益，目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)形式如下：其中C為規(guī)劃方案折算到每年的全社會(huì)成本，N為充電站的數(shù)量，C1i為充電站i的建設(shè)投資年費(fèi)用，C2i為充電站i的運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用，C3i為充電站i的網(wǎng)損年費(fèi)用，C4i為充電站i服務(wù)范圍內(nèi)用戶的年充電成本，C5i為用戶平均每年在充電路程中的損耗成本；1)充電站i的建設(shè)投資年費(fèi)用為：其中ei是充電站i配置的變壓器數(shù)量，a為變壓器的單價(jià)，mi為充電站i配置的充電機(jī)數(shù)量，b為充電機(jī)的單價(jià)，li為充電站接入配電網(wǎng)的中壓線路長(zhǎng)度，cl為中壓線路的單位造價(jià)，ωi為充電站i的基建費(fèi)用；r0為貼現(xiàn)率，z為運(yùn)行年限；2)充電站的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用包括充電站的設(shè)備檢修維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備折舊費(fèi)用和人員工資；年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按照初期投資的百分比進(jìn)行計(jì)算，若比例因子為η，則充電站i的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用為：C2i＝(eia+mib+licl+ωi)·η(20)3)充電站i的網(wǎng)損年費(fèi)用為：C3i＝ei(CFe+CCu)·TV·365·p+mi(CL+CD)·kt·TV·365·p(21)式中CFe和CCu分別是變壓器的鐵耗和銅耗，CL是充電站內(nèi)的線路損耗折算到每臺(tái)充電機(jī)的損耗值，CD是單臺(tái)充電機(jī)的充電損耗，kt為充電站內(nèi)多臺(tái)充電機(jī)的同時(shí)率，TV為充電站平均每天的有效充電時(shí)間，p為充電電價(jià)；4)充電站i服務(wù)范圍內(nèi)用戶的年充電成本為：C4i＝p·q·PV·365(22)其中q為充電站i服務(wù)范圍內(nèi)平均每天需要充電的電動(dòng)汽車數(shù)量，PV為電動(dòng)汽車的平均容量；5)每年用戶在充電路程中的損耗成本主要包括用戶在充電路程中所產(chǎn)生的空駛電量損耗成本h1和間接損耗成本h2，其函數(shù)為：C5i＝h1+h2(23)空駛電量損耗年成本為：式中∑Li為充電站i服務(wù)范圍內(nèi)所有充電需求點(diǎn)到充電站的綜合距離，g為電動(dòng)汽車單位電量的行駛里程；間接損耗年成本為：其中ku為用戶的出行時(shí)間價(jià)值，v為電動(dòng)汽車的平均速度；充電站i服務(wù)范圍內(nèi)所有充電需求點(diǎn)到充電站的綜合距離為：其中dik為充電需求點(diǎn)k到充電站i的空間距離；將式(24)～(26)代入式(25)，整理可得：其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至六之一相同。實(shí)施例一：步驟一：進(jìn)行電動(dòng)車及充電站數(shù)量分析；國(guó)家在《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015-2020年)》中對(duì)電動(dòng)車未來發(fā)展提出了總體規(guī)劃，到2020年，全國(guó)電動(dòng)汽車保有量超過500萬輛，新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個(gè)，以滿足電動(dòng)汽車充電需求。下表所示為《指南》中提出的預(yù)計(jì)在2020年電動(dòng)汽車和充電站數(shù)量，根據(jù)國(guó)家“整體謀劃、系統(tǒng)推進(jìn)、適度超前”的原則，本發(fā)明就以該組數(shù)據(jù)作為指導(dǎo)。表1預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)電動(dòng)汽車以及充電站數(shù)量總數(shù)公交車出租車環(huán)衛(wèi)物流公務(wù)/私人數(shù)量(萬輛)500203020430比例(％)46486充電站數(shù)量1198783848246224383239比例(％)32.120.520.427.0同時(shí)將全國(guó)大致分成三類發(fā)展區(qū)域，北京、天津、河北等為加快發(fā)展地區(qū)，山西、內(nèi)蒙古、黑龍江等為示范推廣地區(qū)，廣西、西藏等為積極促進(jìn)地區(qū)。在示范推廣地區(qū)中，擁有包括黑龍江省在內(nèi)的14個(gè)省。指南中進(jìn)一步提出，示范推廣區(qū)域中預(yù)計(jì)到2020年，推廣電動(dòng)汽車規(guī)模將達(dá)到223萬輛，需要新建充換電站4300座，充電樁220萬個(gè)。在考慮黑龍江省電動(dòng)汽車數(shù)量時(shí)，應(yīng)考慮到由于不同省份的人口以及生產(chǎn)總值不同，市民對(duì)私家車的購(gòu)買力以及政府對(duì)公務(wù)車、公交車等的推廣力度不同，對(duì)電動(dòng)汽車的占有量也不同。下表中列出了2014年示范推廣區(qū)域各省人口及生產(chǎn)總值。表22014年示范推廣地區(qū)各省人口以及生產(chǎn)總值人口生產(chǎn)總值(億元)內(nèi)蒙古250517770吉林275213803黑龍江383315039山西364812761江西454215715河南943634938湖北581627379湖南673727037重慶299114263四川814028537貴州35089266云南471412815陜西377517690甘肅25916837總數(shù)64988253850黑龍江省生產(chǎn)總值占整體的5.9％，哈爾濱市2014年生產(chǎn)總值為5017.0億元，占黑龍江省生產(chǎn)總值的33.4％。假設(shè)電動(dòng)汽車的占有量近似等于生產(chǎn)總值所占比例，估計(jì)哈爾濱市電動(dòng)汽車和充電站數(shù)量如表所示，充電樁43353個(gè)。本發(fā)明以指南中國(guó)家預(yù)計(jì)在2020年建設(shè)的充電站和充電樁數(shù)量為設(shè)施建設(shè)的最低標(biāo)準(zhǔn)。表3按比例計(jì)算的哈爾濱市計(jì)劃電動(dòng)車保有量和充電站數(shù)量總數(shù)公交車出租車環(huán)衛(wèi)物流公務(wù)/私人數(shù)量(輛)4394417582637175837791充電站數(shù)量8527171724步驟二：進(jìn)行電動(dòng)汽車耗電量分析；由2008-2013年城市公交情況表可知，運(yùn)營(yíng)公交車輛數(shù)和營(yíng)運(yùn)線路數(shù)逐年上升。根據(jù)年鑒中的數(shù)據(jù)，表中還計(jì)算出了每條線路的車輛數(shù)、平均線路長(zhǎng)度和行駛里程等數(shù)據(jù)。表42008-2013年城市公交情況在數(shù)據(jù)中取2013年電動(dòng)公交車每天平均行駛232公里為例計(jì)算，純電動(dòng)公交車每百公里耗電約為100kW·h左右，故每天耗電約為232kW·h。根據(jù)文獻(xiàn)[20-22]，每輛車的容量為150kW·h左右。所有電動(dòng)公交車每天需要充電容量約為407856kW·h，每個(gè)公交車專用充電站平均每天提供的電能約為15106kW·h，每輛公交車平均每天充電1.55次。由于在實(shí)際規(guī)劃中，需要考慮到公交車行駛線路和公交始末站的集中程度等因素，故以上計(jì)算均為根據(jù)指導(dǎo)意見得到的理想狀態(tài)下的平均值，實(shí)際規(guī)劃中當(dāng)根據(jù)具體情況有所調(diào)整。n1＝n0·n·η(2)式中，n為城市擁有某種類型車輛總數(shù)，p0為每輛車充滿時(shí)的最大容量，p1為每輛該類型車平均每天耗電量，η為車輛在充電站充電的概率，n0為每輛某種類型車每天平均充電次數(shù)，n1為某種類型車平均每天充電總次數(shù)。平均每天充電車次這一物理量在計(jì)算過程中有著重要的實(shí)際意義。很多研究計(jì)算過程中用到的是實(shí)際的汽車保有量，但是在實(shí)際使用過程中，對(duì)于每日行駛距離較短的用戶，并不需要每天充一次電，同理對(duì)于行駛里程大的用戶每天充電次數(shù)不止一次。如果利用汽車保有量計(jì)算地區(qū)的充電設(shè)備建設(shè)計(jì)劃，將會(huì)出現(xiàn)設(shè)備閑置或者供不應(yīng)求的現(xiàn)象，與實(shí)際需求有著較大差距。只有從實(shí)際出發(fā)，充分總結(jié)不同種類車輛的行駛習(xí)慣，才能使整體方案更加接近實(shí)際使用情況。表5各類車型預(yù)計(jì)每天在站充電車次據(jù)統(tǒng)計(jì)私家車和公務(wù)車每天行駛里程基本在50km以下。假設(shè)平均每輛私家/公務(wù)車平均每天行駛30km，結(jié)合表5可以得出，私家/公務(wù)電動(dòng)汽車每日平均用電量為226746kW·h，每天平均充電0.2次。環(huán)衛(wèi)及物流車承擔(dān)著清掃及運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，車輛具有耗電量大，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)，其耗電量應(yīng)遠(yuǎn)大于私家車而小于公交車。公交車每天平均運(yùn)營(yíng)14h，環(huán)衛(wèi)及物流車每天平均工作8h，則估計(jì)環(huán)衛(wèi)及物流車每日耗電量為公交車的60％，即每日耗電約為244713.6kW·h。步驟三：根據(jù)步驟一和步驟二進(jìn)行電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃；在黑龍江等高寒地區(qū)，低溫的環(huán)境大大縮短電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的續(xù)航能力。環(huán)境溫度降低導(dǎo)致單次充電容量降低，充電頻率升高。對(duì)充電站的建設(shè)也有要求，在低溫環(huán)境中使用電池不僅大大降低電池的可用容量，也對(duì)電池的壽命和健康產(chǎn)生一定的損害，嚴(yán)重時(shí)甚至造成電池容量驟降、短路等嚴(yán)重后果，在充電過程中采取較低的環(huán)境溫度對(duì)電池的損害更大。故在充電過程中需要保證一定的電池溫度，一般采取的方法其一是做好電池保溫，邊充電邊將部分電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能給電池組，這種方法對(duì)充電站建設(shè)要求較低，但是通過實(shí)驗(yàn)得出，給電池加熱所需能量為總能量的9％，環(huán)境溫度越低消耗的額外能量越多。這種方式導(dǎo)致電能需求量升高，充電時(shí)間延長(zhǎng)或者充電功率增大。第二種方式是將充電站盡量建設(shè)在室內(nèi)，保持一定的環(huán)境溫度，這種方式提高了充電站的建設(shè)成本，和整站的用電需求。同時(shí)還應(yīng)考慮到用戶充電的便捷性，本規(guī)劃方案中，各充電站之間距離盡量平均，考慮到區(qū)域的人口密度、商業(yè)區(qū)的發(fā)達(dá)程度，通過調(diào)節(jié)各個(gè)充電站的容量進(jìn)行協(xié)調(diào)。充電站個(gè)數(shù)以5.1節(jié)中根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推算的哈爾濱市區(qū)充電站數(shù)量為最低標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算和論證得到合理的電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃。由于電動(dòng)汽車和普通汽車儲(chǔ)能方式的不同，對(duì)能量補(bǔ)充站點(diǎn)的設(shè)置和規(guī)劃有很大區(qū)別。普通汽車在加油站加油，用時(shí)較短且加油的時(shí)間段分散，基本在白天進(jìn)行加油。電動(dòng)汽車分快充和慢充兩種方式，快充用時(shí)較短，但由于功率大，大量電動(dòng)車同時(shí)充電對(duì)電網(wǎng)影響較大；慢充多在夜晚泊車期間充電，能減小電網(wǎng)的峰谷差，故推薦盡量使用慢充。但慢充時(shí)間約為6-7小時(shí)，充電不能隨充隨走，同時(shí)進(jìn)行慢充的車輛數(shù)量大，故對(duì)場(chǎng)地的要求很高。因此在選址時(shí)應(yīng)滿足：場(chǎng)地面積足夠大可對(duì)充電站覆蓋面積內(nèi)車輛提供充電服務(wù)；充電站最好避免建在交通負(fù)擔(dān)很大的路段，以免用戶集中提車對(duì)交通帶來跟多負(fù)面影響。根據(jù)各種車型的行駛規(guī)律，車型的充電方式和充電需求也存在差別，表6中分析了各種車型的充電方式。表6各類型車輛充電模式及充電設(shè)施配置建議步驟三一：進(jìn)行公交專用充電站的規(guī)劃；公交專用充電站選址以公交車的始發(fā)、終點(diǎn)站為主。每輛公交車慢充容量約為150kW·h，由于公交車的充電方式為夜間慢充，白天根據(jù)行駛距離的要求，在必要時(shí)進(jìn)行快充，夜間同時(shí)充電的公交車數(shù)量多，白天車輛充電時(shí)間分散。故對(duì)公交車專用充電站而言，最大功率發(fā)生在夜晚公交車同時(shí)進(jìn)行慢充時(shí)。慢充時(shí)間為6h，則公交車充電機(jī)的慢充功率為25kW，公交車在白天運(yùn)行過程還需要以快充的方式補(bǔ)充82kW·h電量，假設(shè)這些容量需要在1h內(nèi)充滿，則選用的充電機(jī)功率應(yīng)該不小于82kW。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，公交車在終點(diǎn)站?？繒r(shí)間約為20min，公交車可以利用在線路兩端站點(diǎn)站?？繒r(shí)間分三次進(jìn)行快充。由于公交車調(diào)度因素，以及快充應(yīng)該盡量錯(cuò)開用電高峰時(shí)段，假設(shè)快充充電機(jī)每天累計(jì)工作6h。市區(qū)計(jì)劃建設(shè)27個(gè)公交專用充電站，平均每個(gè)充電站設(shè)立功率大于82kW快充充電機(jī)11臺(tái)，功率大于25kW慢充充電機(jī)55臺(tái)。步驟三二：進(jìn)行環(huán)衛(wèi)及物流充電站的規(guī)劃；環(huán)衛(wèi)車每天行駛軌跡比較固定，停放位置也固定，故可以設(shè)置專用充電站，根據(jù)環(huán)衛(wèi)車輛的用電需求配置充電機(jī)。物流車輛雖然行駛路線不固定，但是行駛區(qū)域和行駛時(shí)間固定，故也可以配置專用充電站。與公交車情況相似，物流車輛每輛每天耗電139.2kW·h，設(shè)夜間慢充車輛充電時(shí)間為8h，共建設(shè)17個(gè)物流環(huán)衛(wèi)充電站，每個(gè)充電站功率1799.4kW，如選用雙槍充電機(jī)，則每個(gè)站需要選用功率大于35kW充電機(jī)52臺(tái)。步驟三三：進(jìn)行出租車及私家車充電站的規(guī)劃；由于出租車，私家車和公務(wù)車等小型電動(dòng)汽車的行駛路線、停靠區(qū)域不固定，可以假設(shè)這三種車型在充電站充電的需求相似，按照同一種規(guī)劃方案進(jìn)行規(guī)劃。出租車，私家車和公務(wù)車等小型電動(dòng)汽車對(duì)應(yīng)的充電站的規(guī)劃受到很多因素影響，規(guī)劃思路如圖1所示。算例分析以城市中一區(qū)域?yàn)槔?，?yīng)用上述方法進(jìn)行充電站規(guī)劃。小型電動(dòng)汽車正常狀況下續(xù)航里程約為150km，冬季按照續(xù)航里程變?yōu)?0％計(jì)算，續(xù)航里程平均為120km。國(guó)家在《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南》中提出，未來爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)充電站覆蓋密度在1km之內(nèi)。在初步規(guī)劃中，取冬季平均續(xù)航里程的1/30，即4km為最低標(biāo)準(zhǔn)。那么，在所選的28km范圍內(nèi)，至少建造2座充電站才能符合要求。取哈爾濱市一面積為28km2的區(qū)域如圖所示，進(jìn)行充電站規(guī)劃。以近似平均的原則所選站址如圖所示。該區(qū)域中分布著居民區(qū)、商業(yè)中心、火車站、醫(yī)院和學(xué)校等設(shè)施，對(duì)充電站容量有著程度不等的影響。根據(jù)設(shè)置的負(fù)擔(dān)系數(shù)k對(duì)地圖上間距互為1km的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行賦值。如圖2所示。假設(shè)：1、對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行賦值時(shí)，綜合車流量以及人口密集程度估計(jì)負(fù)擔(dān)系數(shù)，從1至5賦值，其中5為負(fù)擔(dān)最重區(qū)域。2、從表5中可以看出，市區(qū)每天平均有3164.4+2267.5＝5431.9輛小型電動(dòng)車充電。全市計(jì)劃最少建設(shè)充電站41個(gè)，哈爾濱城區(qū)面積為7045km2，選中地圖中區(qū)域面積為28km2。由于選中實(shí)例區(qū)域?yàn)槌鞘兄行膮^(qū)，車流量大，按照地圖中選擇區(qū)域，按照GDP與面積的比值近似估測(cè)該地區(qū)擁有的車輛數(shù)。估計(jì)圖中南崗區(qū)面積：道里區(qū)面積：香坊區(qū)面積＝4:1:1，該地區(qū)每平方公里面積上所占GDP為城市平均單位面積GDP的8.42倍。設(shè)在寒冷環(huán)境下，充電車次為正常環(huán)境下的1.2倍，計(jì)算得出該區(qū)域擁有的電動(dòng)車數(shù)量約占全市電動(dòng)車充電數(shù)量的4％，即每日充電汽車數(shù)量217.28。3、求參數(shù)μ首先要求每輛車的平均服務(wù)時(shí)間。由于在充電站充電的電動(dòng)汽車既有慢充也有快充，故首先設(shè)車輛的慢充/快充比例。出租車需要營(yíng)運(yùn)，部分出租車為倒班制，故出租車大部分進(jìn)行快充，私家車和公務(wù)車大部分時(shí)間處于停泊狀態(tài)，慢充就可以滿足需求。典型快充方式需要1h/次，根據(jù)人的生活習(xí)慣和出行習(xí)慣而言，人們傾向于在短時(shí)間內(nèi)需要使用時(shí)才會(huì)選擇快充，夜晚大部分私家車和公務(wù)車處于停靠的狀態(tài)，少部分倒班出租車仍有快充需求，設(shè)一日內(nèi)一臺(tái)慢充充電機(jī)最多服務(wù)18臺(tái)車，即μ1≤18。典型慢充方式為6h/次，一臺(tái)充電機(jī)在車主下班后到次日上班前的時(shí)間段內(nèi)，只能給一輛車提供慢充服務(wù)，考慮到早晚高峰需要用車，則白天8點(diǎn)到當(dāng)天下午5點(diǎn)的9個(gè)小時(shí)時(shí)間段內(nèi)，每臺(tái)充電機(jī)最多可充1.5輛車，加上夜晚泊車時(shí)的慢充過程可得，在一日內(nèi)一臺(tái)快充充電機(jī)最多可服務(wù)2.5臺(tái)車，即μ2≤2.5。4、根據(jù)表6給出的各個(gè)車型充電方式的區(qū)別可知，出租車由于有倒班制，以快充為主，私家車和公務(wù)車閑置時(shí)間較長(zhǎng)，以慢充為主，兩種車型的每日充電車次分別為3164.4輛和2267.5輛。初步假設(shè)在充電站充電的車輛中，慢充:快充為1:1。平均每天每臺(tái)充電設(shè)備可以服務(wù)的快充車輛數(shù)為μ1＝16，慢充車輛數(shù)為μ2＝1.5?；谝陨纤膫€(gè)假設(shè)進(jìn)行規(guī)劃，分別在區(qū)域內(nèi)設(shè)置兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)和五個(gè)充電站，每個(gè)充電站的快充慢充充電機(jī)配置如下。方案一當(dāng)該地區(qū)計(jì)劃建設(shè)三個(gè)電動(dòng)汽車充電站時(shí)，根據(jù)公式(4)計(jì)算各自權(quán)重為：τ1＝1.1017，τ2＝1.2035，τ3＝0.9989；根據(jù)權(quán)重劃分范圍，三個(gè)充電站的服務(wù)覆蓋范圍如圖3所示。各個(gè)充電站覆蓋的區(qū)域以及對(duì)應(yīng)負(fù)擔(dān)系數(shù)的和如表(9)所示。表9各個(gè)充電站覆蓋的區(qū)域以及對(duì)應(yīng)負(fù)擔(dān)系數(shù)從表中可以看出，通過加權(quán)Voronoi法對(duì)覆蓋面積進(jìn)行分配后，由于所選區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟(jì)等狀況的不同，充電站服務(wù)所覆蓋的面積不同，但是所承擔(dān)的充電任務(wù)量近似相同。這也體現(xiàn)了加權(quán)Voronoi法分配服務(wù)覆蓋區(qū)域的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。根據(jù)區(qū)域劃分和區(qū)域內(nèi)負(fù)擔(dān)系數(shù)，可得三個(gè)充電站λ1＝72.45,λ2＝79.14,λ3＝65.68。在穩(wěn)態(tài)的情況下，設(shè)充電機(jī)的成本費(fèi)用cs與顧客在充電站停留單位時(shí)間的費(fèi)用cw比值為2:1，則單位時(shí)間的費(fèi)用(服務(wù)成本和等待費(fèi)用之和)的期望值z(mì)隨著充電機(jī)臺(tái)數(shù)的變化情況如圖4和圖5所示?？梢缘弥潆娬?1快充充電機(jī)4臺(tái)，慢充充電機(jī)28臺(tái)。分別對(duì)其余兩個(gè)充電站進(jìn)行計(jì)算得，充電站#2快充充電機(jī)4臺(tái)，慢充充電機(jī)31臺(tái)；充電#3快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)26臺(tái)。這些車位同時(shí)充電時(shí)，充電站最大工作功率為：P1＝260,P2＝275,P1＝220方案二當(dāng)該地區(qū)計(jì)劃建設(shè)兩個(gè)電動(dòng)汽車充電站時(shí)，根據(jù)公式(4)計(jì)算各自權(quán)重為：τ1＝1.1832，τ2＝0.9875，λ1＝118.43,λ2＝98.85計(jì)算可知，充電站#1快充充電機(jī)5臺(tái)，慢充充電機(jī)45臺(tái)，容量375kW·h。充電站#2快充充電機(jī)5臺(tái)，慢充充電機(jī)38臺(tái)，容量340kW·h。方案三當(dāng)該地區(qū)計(jì)劃建設(shè)四個(gè)電動(dòng)汽車充電站時(shí)，計(jì)算各自權(quán)重為τ1＝1.1690，τ2＝1.1849，τ3＝0.9948，τ4＝1.2037；λ1＝55.8,λ2＝56.52,λ3＝47.49,λ4＝57.46可以得知充電站#1快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)22臺(tái)，容量200kW·h。充電站#2快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)22臺(tái)，容量200kW·h。充電站#3快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)19臺(tái)，容量185kW·h。充電站#4快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)23臺(tái)，容量205kW·h。方案四當(dāng)該地區(qū)計(jì)劃建設(shè)五個(gè)電動(dòng)汽車充電站時(shí)，計(jì)算各自權(quán)重為τ1＝1.2128，τ2＝1.0472，τ3＝0.9943，τ4＝1.1708，τ5＝1.2316λ1＝46.58,λ2＝40.22,λ3＝38.19,λ4＝44.97,λ5＝47.31充電站#1快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)19臺(tái)，容量185kW·h。充電站#2快充充電機(jī)2臺(tái)，慢充充電機(jī)16臺(tái)，容量140kW·h。充電站#3快充充電機(jī)2臺(tái)，慢充充電機(jī)16臺(tái)，容量140kW·h。充電站#4快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)18臺(tái)，容量180kW·h。充電站#5快充充電機(jī)3臺(tái)，慢充充電機(jī)19臺(tái)，容量185kW·h。對(duì)上述三種充電站規(guī)劃方案進(jìn)行成本核算，可得：表10四種方案的成本核算充電站數(shù)C1C2C3C4C5總體2310810.9192000173248.65774952.094360.465453723345777.2213600172061.95735397.673969.765408064379448.4234400171214.35707144.463358.365555655414414.625600170366.75678891.256109.96575782考慮到投資維護(hù)和用戶的成本，按照總費(fèi)用最小的原則可知，建設(shè)三個(gè)變電站為最優(yōu)方案。當(dāng)在充電站進(jìn)行快充與慢充的車輛數(shù)比分別為40％和60％時(shí)，得到的四種方案快充、慢充充電機(jī)臺(tái)數(shù)如下表11所示。表11四種方案下充電機(jī)種類和臺(tái)數(shù)經(jīng)過成本核算可知，建設(shè)三個(gè)充電站時(shí)的成本最小，為6549186.6元。按照平均每天每臺(tái)充電設(shè)備可以服務(wù)的快充車輛數(shù)為μ1＝18，慢充車輛數(shù)為μ2＝2.5計(jì)算，得到的四種方案快充、慢充充電機(jī)臺(tái)數(shù)如下表12所示。經(jīng)過成本核算可知，建設(shè)三個(gè)充電站時(shí)的成本最小，為6463289.7元。表12提高每日充電站服務(wù)能力后四種方案下充電機(jī)種類和臺(tái)數(shù)當(dāng)前第1頁1 2 3