电动汽车充放电优化管理

林学星 陈瑞 张浪 谭艳祥

摘要：首先分析电动汽车充电行为特征量，从而计算了1万辆车年需用电量为2163720kWh，然后对数据作一步处理，通过调优计算，得出当充电站交流1级、交流2级、直流充电这三个充电功率等级比例为0：6.9：1时，既能满足用户的需求（即在充电连接时长内获取预期的充电电量），也能减少设备投资。

关键词：电动汽车；充电站；电网

0.引言

电动汽车的能量主要来源于电网，其大规模发展离不开电力系统的支撑。电动汽车无序充电行为具有随机性强、同时率高等特性，将给配电网带来负荷峰谷差增大、电压下降及损耗增加等挑战。同时，电动汽车作为移动式储能，在削峰填谷、提供电力系统辅助服务、协同消纳新能源等方面具有广阔的应用前景。[1]

本文以2018年全国大学生电工数学建模竞赛A题为背景，对该问题附件1的100辆车用户充电记录的数据进行处理，分析电动汽车充电行为特征量。

1.问题分析

电动汽车具有很多优点，比如降低石油的消耗，减少温室气体的排放，但电动汽车毕竟是电能转变为机械能，提供动力的。电源由电动汽车上的蓄电池提供，而蓄电池又要考虑到重量大小问题，方便携带问题，成本问题，所以我们现在的蓄电池所提供的电源都是极其有限的，电池的储能少，充电的行程里数就会减少，那么对电池的充电问题显得尤为重要。

对此，就必须考虑到以下三个问题：

①充电站的规模直接关系到可以同时进行电动汽车充电的汽车的数量多少，和排队等候的汽车数量的多少，要讲究时效性原则，每个人的时间都是有限的，所以在用车高峰期的排队等候时间是我们需要研究的问题之一；

②在多少距离范围内设立一个充电站，因为电动汽车的蓄电池的储能较少，所以续航能力较弱，为了避免特殊的汽车电力不足问题，需要在短距离内设立充电站，通过对汽车充电过程进行数据研究分析，还要考虑到发电站对充电站的电力输送配送的距离、成本，选取一个合适的距离建立一个充电站，才能达到资源的充分利用，不至于设立过多的充电站而浪费；

③因为早晚上下班时期是用车的高峰期，这个时候充电的汽车数目比平时要多，所以为了避免因为负载过多而导致电压下降，这个时候应对电力输送的电力进行提高。所以对以上问题进行研究探讨对电动汽车的投入使用非常有必要，建立电动汽车充电站的布局优化模型，考虑充电需求分布、电动汽车数量增长、充电站服务范围、城市规划等因素，对电动汽车的发展与应用起到决定性作用。

2.规模化电动汽车的年用电量

对一周内每天的充电电量进行加总求和并分别求平均值。因此可知，一周内1百辆充电汽车的充电量最大值在周日，其大小为1649.30kWh，且一周内的充电量平均功率为59.28kW。根据这一平均功率，可计算得当有1万辆电动汽车时，其年总功率为2163720kWh。

3.充电负荷的调优

再进一步分析原问题数据，把一天以一刻15分钟为一个时间段，从而把一天24个小时划分为96个时间段区间，最终计算可得24小时1万辆电动汽车的充电负荷曲线。

然后对1万辆电动汽车进行考虑，设交流1级、交流2级、直流充电这三个充电功率等级的充电的设备台数分别为x， y， z，且各充电等级的设備每台成本分别为3000，15000，500000元，结合前面得到的电荷曲线积分得到的一周1 万辆电动汽车的充电负荷需求总量，其约为350000kW，假设以每台设备最大功率分别为1.9，25.6，100kw来发电，则由其目标函数和约束条件并可求得其最优解如下所示：

即交流1级、交流2级、直流充电这三个充电功率等级比例为0：6.9：1时，能够满足原问题各方要求。

4.新能源充电站能量优化管理

根据原问题光伏发电量的利用形式，可分为以下两种情况，这里选择原问题数据的周一EV用户充电记录进行分析。

（1）光伏全额利用

在光伏全额利用的情况下，当在某一段时间内，新能源充电站的光伏发电量W不足供给于EV用户需求量Wt时，须从电网购电，反之，则向电网售电。设Bt和Ct分别为充电站售单价和购电价，则

①当在第t个时间段内，当W–Wt ≥0时，充电站发电量满足EV用户的需求量，则其获得收入为

It =Wt Bt+（W–Wt）Ct

②当在第t个时间段内，当W–Wt <0，充电站不满足EV用户的需求量，则其获得收入为

It =WtBt–（Wt–W ）Ct

（2）允许弃光

在允许弃光的情况下，当在某一段时间内，在新能源充电站满足EV用户的电荷需求量时，其多余的光伏可以丢弃，而不需出售给电网。

对于以上两种情况，由此可计算的未来 24 小时充电站利润分别为

其中sgn（ ）为符号函数。

作进一步分析，可发现在光伏全额利用的情况下，其充电站的利润最大，这说明要充分利用能源，节约能源，这不仅造福自身，还保护了环境，有利于可持续发展。

5.总结

电动汽车的发展与电力系统规模的扩大是相互促进的，在考虑增加电动汽车的投入使用数量的时候，也要考虑电力系统的规划，科学合理地规划电力网络，并加快充电基础设施建设，构建开放、智能、互动、高效的充电网络，以实现电动汽车与电网的和谐发展。

参考文献：

[1]第十一届全国大学生电工数学建模竞赛A题，http：//shumo.neepu.edu.cn/