计及交通状况的公交充电站负荷的优化策略.pdf
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1、138第4 0 卷第6 期2023年6 月真机仿算文章编号:10 0 6-9 34 8(2 0 2 3)0 6-0 138-0 9计及交通状况的公交充电站负荷的优化策略何鑫,孙国歧?,魏晓宾?,蔡客旭3(1.东华大学信息科学与技术学院,上海2 0 16 2 0;2.山东德佑电气股份有限公司,山东淄博2 550 8 8;3.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海2 0 0 2 4 0)摘要:随着电动公交车使用的越来越多,公交充电站的电力负荷大增,其优化提上了议事日程。电动公交充电站电力负荷的优化是一个在出车班次、充电桩数量、变压器容量、充电时长和电价计费方式约束下的电费最少问题。针对上述问题,
2、提出计及交通状况的电动公交的优化充电策略。首先考虑车辆排班计划生成可行的充电状态集以及该充电状态上可行的充电计划。然后充分考虑交通状况产生的影响与约束。最后在两部制电价计费基础上建立在交通状况影响下以充电站用电费用最低为目标的优化充电模型。基于真实运营数据,使用粒子群算法对模型进行仿真验证,结果表明所提模型相较于原有在充电成本、负荷峰值有着良好的改善,并且在交通状况升级情况下相较于常规应对方法在削减充电成本和减小负荷峰值也有着比较好的效果。关键词:电动公交:电动公交充电站;粒子群算法;交通指数中图分类号:U469.72;TM910.6文献标识码:BOptimization Strategy o
3、f Bus Charging Station LoadConsidering Traffic ConditionsHE Xin,SUN Guo-qi?,WEI Xiao-bin,CAI Xu3(1.College of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Shandong Deyou Electric Co.,Ltd.,Zibo Shandong 255088,China;3.College of Electronic Information and Electrical E
4、ngineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)ABSTRACT:With the increasing use of electric buses,the power load at bus stations has increased significantly,andits optimization has been put on the agenda.The optimization of the electric power load of the electric bus station is aprobl
5、em of minimizing the electricity cost under the constraints of the number of trips,the number of charging piles,the capacity of the transformer,the charging time and the electricity price and billing method.Aiming at this problem,an optimized charging strategy for electric buses that takes into acco
6、unt the traffic conditions is proposed.First,thevehicle scheduling plan was considered to generate a set of feasible charging states and a feasible charging plan on thestate of charge.Then,the impact and constraints of the traffic conditions were fully considered.Finally,based on thetwo-part electri
7、city price billing,an optimized charging model was established under the influence of the traffic condi-tions with the goal of the lowest electricity cost of the charging station.Based on real operating data,the particleswarm algorithm was used to simulate and verify the model.The results show that
8、the proposed model has a good im-provement in charging costs and load peaks compared to the original,and compared with conventional response meth-ods under the escalation of traffic conditions.Cutting down the cost of charging and reducing the peak load also has abettereffect.基金项目:国家自然科学基金重点项目(518 3
9、7 0 0 7);山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2 0 19 JZZY020804)收稿日期:2 0 2 1-10-2 5修回日期:2 0 2 1-11-0 2139KEYWORDS:Electric bus;Electric bus charging station;Particle swarm optimization;Traffic performance index1引言近年来,在国内外石油资源紧缺和环境问题日益严重的情况下,作为对于石油极度依赖的汽车行业也面临挑战,电动汽车成为了解决燃油汽车造成污染和能耗问题的有效方案,得到迅速发展。随着“碳中和”这一目标的提出,未来的电动
10、车发展规模会进一步加速提高,预估在2 0 30 年时中国的电动汽车数量将达到6 0 0 0 万辆【1.2】。电动公交车作为电动汽车的一员,其在公共交通中得到了政策的大力支持,重点区域占比已达到6 0%以上3。因此,公交车的充电策略和经济运营成为了研究关注的热点。公交汽车作为特殊的电动汽车,其与普通电动汽车区别主要特点有:充电模式多样、服从调度潜力很大、线路固定。但同样其充电负荷集中接人也会导致经济效益降低,将会给电网带来负荷高峰,造成过大的峰谷差、增加电力设备的损耗,同时影响运营的经济性4-7 。文献8 以电动公交充电站充电成本最小为目标,使用整数规划方法建立有序充电模型,用大规模集群充电显著
11、提升了充电站的经济性,但是没有考虑公交行车计划的交通影响因素。文献9 考虑了公交充电站运营成本与电网安全性,以充电站的充电成本和负荷方差为目标优化,但未考虑车辆运营的不确定性,并只用作日前优化。文献10 论述了公交车在采用换电模式时,换电电池数量和充电需量的关系,改善了经济效益并减少峰时用电。但未考虑充电需求的交通影响因素。文献11 考虑电动公交的充电计划和行车安排,进行车次、充电计划和夜晚充电二次计划的三阶段优化,通过三段优化找出了最优的发车车次和充电计划进而改善了充电费用和峰谷差。但是其充电计划都为恒功率充电,并未考虑现实中的突发交通状况。文献12 针对公交车建立了日前、日内多时间尺度上的
12、优化调度策略,但是只考虑了单线路情形,多线路未考虑其中。上述研究在充电成本优化时都未考虑行车中交通状况带来的影响,并且充电功率都为单一的恒功率充电,导致车辆在面对交通拥堵状况时,计划的优化策略难以保持最优,可能会出现新的负荷尖峰以及更高的充电成本。本文将重点研究在考虑多线路公交行车计划及其不同交通拥堵状况下,电动公交车站的优化充电策略。首先在满足原有行车计划和充电需求的前提下,生成可行的充电状态集以及该充电状态上可行充电功率曲线。然后,考虑交通状况建立负荷需求与充电时间等约束,建立在交通状况影响下以充电站用电费用最低为目标的优化充电模型。最后使用运营数据验证其有效性和可行性。2电动公交充电站实
13、际充电问题分析电动公交车充电模式分为换电模式和整车充电模式。换电模式是通过准备一定量的备用电池,经由换电机械设备更换下车辆上原有的低电量电池来实现车辆的按时运营。其设备和电池成本较高,更换一块电池时间需要15 2 5分钟13。整车充电模式有着交流慢充和直流高压快充两种方式14 。其中交流慢充其功率较低,对于大容量动力电池通常需要数十小时才可以完成充电任务,在这种充电方式下,需要运营商在公交车数量上进行大量的投人才能维持规定的运营计划。而直流快充的输出功率可变,支持范围调整,最高可达6 C的充电电流使得公交车可以在15分钟内快速补电15。相比于交流慢充公交车在快充模式下可以在人站间隙进行快速补电
14、,排班更加类似于传统燃油公交车,并且公交条线路上的需求运行和备用车辆数也更加少,投人成本相比于换电也更低。为了减少成本投入,直流快充成为运营商首选的充电方式。目前国内新建的公交充电站几乎都为直流快充充电站,充分发挥了快充的快补电、高效率和低设备投入成本等优点。本文将以直流快充方式的公交汽车充电站为研究对象。对于公交而言,其运营班次和路线较为固定,计划性和规律性较强。计划车辆在运营中只有三种状态:任务中、充电中、等待中。等待中包含充电等待与发车等待,具体如下图1所示。电动公交充电站充电桩任务1任务2任务nTstart充电等待充电发车等待Tend图1单线路单车辆运营图图1描述的系统是一个离散和连续
15、组成的混合系统,车辆的状态可用状态转移流图表示,见图2。其中,方向线表示到站充电等待充电tmjltmi2发车等待发车tmj3tmj4图2汽车状态转移流图140的是状态转移路径,tm,表示第m辆车第j次人站的车辆状态的连续时间,其中(i=1,2,3,4)。在实际公交充电站枢纽调研中,车辆的充电站公交充电决策分白天和夜晚。白天根据到站时间及车辆状态由司机判断充电与否,夜晚则由管理人员统一进行集群充电在第二天运营之前将所有车辆充至满电。充电功率分配策略采取“先到先得”方式,即在变压器容量限制下先充电的车辆可以获得最高功率进行充电。在上述充电策略下,某公交车站的电力负荷曲线见图3。3000一充电负荷2
16、750基本负荷2500225020001750150012501000750500250003691215182124时间/h图3公交充电站的典型电力负荷曲线我国电价的计费方式主要有四种形式:定额电价制、单一电价制、分时电价、两部制电价。两部制电价因其结合了需(容)量对应的基本电价和用电量对应的电度电价,可以较好地反映电价的成本结构,而被大部分地区所采用。其中基本电价为用户的变压器容量或最大负荷尖峰进行计算,电度电费为根据分时电价计算出的电费。在两部制电价计费方式下,上述的公交运营策略难以保证充电的经济性。从图3所示的充电负荷曲线可知,大规模的夜晚集群充电在电价上具有优势,但过多的充电负荷会带
17、来更高的负荷峰值,收取更高的需(容)量费用。白天充电由司机决策更会导致白天充电计划的无规划无序状态,并在分时电价的峰时产生需求充电以外的额外充电负荷。为了解决夜晚大规模充电和白天无规划无序充电所带来的问题,就需要合理地决策其充电的起止时间及充电功率,这样就可以在时序上转移充电负荷,起到降低充电成本的作用。3计及交通状况充电策略的数学模型3.1日可行充电计划模型通过历史运营数据和运营时刻表可以获得某日在第m辆车的到站时刻矩阵T_bim和发车时刻矩阵T_b。T_bt_6(1)二2,1,t_6.mT_b。t_bou,m,1,t_b.(2)out,m式中:t_bi表示该日第m辆车第j次任务的进站时间;
18、t_n.mbou.m,表示该日第m辆车第j次任务的出站时间通过进出站时间矩阵可得出该日任务时间矩阵T_6a和站内时间矩阵T_6T_bduty=t_b,t_bu2,2,t_6l(3)T_biayt_bstay,bstay(4)sta针对其在站时间段内可以生成该日的第m辆车在第j次任务后人站以t为最小时间间隔生成可行的充电时间状态集,算式如下tbstay tbstay-t-1m,mj(5)i,t=imini=1m.2式中:z.,为连续状态计数器,数值为“1;,为以最大功率P。充至运行需求所需电量Emj.ned状态的最小时间。该情形下,其充电为恒功率充电,忽略电池充电过程的功率上升和功率下降过程,计
19、算式可写为如下形式tminm.j2P。(6)C每个充电状态开始时间和结束时间记为mj和bmj.i,其中(i=1,2,3,,y ),第m辆车在第j次任务后人站的第i个可行充电状态以At为时间间隔分割后的充电功率为Pmj.=6m.j,im.j,iAt则在第个时间状态可以根据如下约束生成状态上的功率Pmj.i6bm.j.iamjiPP(7)一mj.imj.i,nn=16m,ji,i-am.j.iAim,jPm,j.i,At(8)n=10Pm.j.i.nP(9)式中:Pmj为第m辆车在第j次任务后人站的第i个充电状态的充电功率;Pmji.,第m辆车在第j次任务后人站的第i个充电状态第n个以t为间隔的时
20、间段上的充电功率;E为第m辆车第j次任务后所充人的电量总和。为了确保生成的以t为间隔的充电功率Pmi功率不会出现剧烈波动,针对其生成的功率曲线进行筛选,条件如下0I P,I(10)m,j,i,nmj.in-1式中:为负荷跳变的数值上限,根据实际需求设定。3.2目标函数电动公交运营商希望公交运行中,充电具有经济性。充电费用的收取是按照两部制电费标准,每月进行统一收取。在保证满足公交运行需求情况下,以月充电站用电费用F1最低为目标。minF,=C,+(1-)C2+入C,(11)式中:C,为电度电价下收取的每月电费;C,为按照负荷尖峰收取的每月需量电费;C3为按照变压器额定容量收取的每月容量电费;入
21、为收费机制标志位,“0”表示按照需量电费收费,“1 表示按照容量电费收费。其中141Dc,=2D.(12)d=1C,=d,Pm(13)C,=d,SN(14)式中:D。为每月第d天充电所产生的电度费用;D为该月的天数;S,为第n个时间段上的电度电价;d,为需量电费价格;dz为容量电费价格;Pmx为每月15分钟平均负荷的尖峰值;S为变压器容量。通过3.1节可以得出某一日中m辆车的充电可行计划,那么其第d天的电度电费D.计算公式如下所示:b;-a;JMymmAD.=ZPmj.Ats(15)mj,i,nm=1=1i=1n=式中:为标志为表示车辆m的第j次任务片段是否被选中,其为0-1决策变量,选中为1
22、,否则为0;”为第m辆车在第次任务下的第i个可行片段是否被选中其为0-1决策变量,选中为1,否则为0;Smj.i.,为第m辆车在第j次任务下的第i个可行片段中第n个以t为间隔的时间段上的分时电价;J为第m辆车的一天的任务次数。3.3约束条件3.3.1电价计费方式约束两部制电价收取按照其签订的协议进行。采用两部制电价时,由分时电价计费收取的电度电费是电费的固定组成部分。由需量或者容量构成的基本电价标准会根据变压器的状况进行以月为周期的切换。在变压器容量使用超过70%,便强制按照变压器额定容量计费16 。即充电成本目标函数切换至C3,否则为C2。在以C,构成充电成本目标函数时当其负荷峰值低于其变压
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