电池更换站与电网的互动机制以及优化控制策略研究报告-大报告

1、第 PAGE 51页 共 = NUMPAGES 51-2 49页 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Chapter 4 Section 1 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ MTChap r 4 h * MERGEFORMAT 电池更换站集群优化算法研究报告绪论发展新能源车辆是全世界各国应对能源危机和环境保护的主要手段之一，随着锂离子动力电池的使用寿命、能量密度等性能快速提升，各种类型的新能源车辆逐渐进入了大规模的示范应用阶段，某些类型的新能源车辆已经

2、进入商业化阶段，如：日本丰田公司混合动力车已经销售了 100多万辆，美国通用公司的VOLT纯电动轿车2012年销售超过了 6万辆。在国内为推动新能源车辆的发展，推出了“十城千辆”的电动汽车推广计划，公布了“关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知”，“节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法”等电动汽车补贴政策。2012年6月28日，国务院印发了“关于节能与新能源汽车产业发展规划(20122020年)”，确立了纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，提出了到2015年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产

3、能力达200万辆、累计产销量超过500万辆产业化目标。充电基础设施网络是大规模的电动汽车商业运行实现的主要支撑环节，其中有关充电基础设施规划布局、充换电站优化设计方法、充换电站经济运行方法以及充换电站与配电网的相互影响关系等问题成为国内外相关研究领域的重点研究内容。研究背景景根据不同同纯电动动车辆的的运行特特点以及及搭载的的动力电电池的容容量不同同，目前主主要有以以下几种种能源补补给模式式：（1）交交流慢速速充电充电装置置安装在在车辆上上，地面只只提供单单相交流流电源，电池充充电倍率率为0.1C0.115C，满充电电时间一一般在88100小时；（2）直直流快速速充电设立地面面充电设设备，通过充

4、充电设备备为车辆辆提供直直流充电电输出接接口，电池充充电倍率率为0.3C1C，满充电电的时间间一般为为133小时；（3）电电池更换换方式电池更换换模式是是采用事事先充满满电的电电池组替替换车辆辆上需要要充电的的电池组组，满足车车辆运行行的要求求，替换下下来的电电池组在在地面进进行充电电，电池充充电倍率率为0.3C1C，满充电电的时间间一般为为133小时。表1-11 纯电电动汽车车能源补补给模式式分析特点交流慢充充直流快充充电池更换换优势占地面积积小、投投资少、安全性性好，有有利于延延长电池池使用寿寿命便于分散散安装、满足紧紧急补电电需求节省充电电时间，提高车车辆利用用率、便便于集中中管理劣势功

5、率小、充电时时间长快速充电电策略受受环境因因素影响响较大占地面积积大、设设备投入入多、运运营成本本较高交流慢速速充电由由于投资资成本低低、配套套资源需需求少是是未来私私人使用用的电动动乘用车车的主要要能量补补给模式式，直流快快速充电电是交流流慢速充充电的有有效补充充，可以为为电动乘乘用车提提供应急急性的充充电服务务，而电池池更换模模式具有有的最大大特点为为：车辆利利用率高高、电池池充电环环境好，特别适适用于要要求车辆辆运行密密度髙的的场合，例如：公交车车、城市市环卫车车、出租租车等。目前，“十城千千辆”试点城城市已增增至255个；私人购购买节能能与新能能源汽车车试点城城市已增增至6个，包括上上

6、海、深深圳、长长春、合合肥、杭杭州和北北京。其其中，北京、深圳、合肥、杭州、重庆等等城市充充电基础础设施发发展规模模较大。北京的纯纯电动公公交车、环卫车车和出租租车主要要以集团团用户为为主，采用裸裸车销售售、电池池租赁、充换结结合的运运营模式式，由北京京市电力力公司负负责充电电设施的的建设、运营和和电池租租赁；北京市市发改委委给予充充电设施施不高于于30%的补贴贴，北京市市给予和和国家补补贴1：1的配套套资金。截止目目前，北京示示范运营营的新能能源汽车车已达到到24557辆，已建设设各类充充换电站站49座。深圳市的的纯电动动公交车车和出租租车采用用第三方方建站运运营的模模式，充电方方式以直直流

7、整车车充电为为主，采用融融资租赁赁、车电电分离、网络智智能管理理、充维维结合的的运营模模，目前已已建成并并运营557座充充换电站站，为23003辆新新能源汽汽车提供供充换电电服务。合肥市电电动车辆辆采用定定向采购购模式，用户主主要是车车企员工工和合作作企业；车辆采采用交流流慢充的的充电方方式，集中建建站管理理。截止止20111年底底，合肥市市共推广广新能源源汽车220188辆，其中江江淮同悦悦纯电动动轿车15585辆辆。杭州市新新能源汽汽车达114255辆，杭州在在公共服服务领域域，倡导购购买新能能源汽车车的同时时探索整整车租赁赁模式。由电池池企业购购买裸车车，连同电电池系统统一起开开展整车车

8、租赁，乘用车车采用标标准电池池模块的的快速更更换模式式。重庆市目目前已有有8299辆新能能源汽车车，2座充换换电站，其中比比较特色色的是铁铁酸锂电电池纯电电动公交交车，快速充充电，满足公公交车的的使用特特性，每688分钟充充电一次次，每天充充电68次。根据中中国汽车车产业发发展报告告(220088年)确定的的各种车车辆在车车辆总体体保有量量的比例例，国务院院”关于节节能与新新能源汽汽车产业业发展规规划(220122-20220年)”确定的的全国电电动车辆辆的总量量，以及北京市市电动汽汽车规划划中预预测到220155年北京京市电动动汽车数数量，利用等等比例的的方法预预测到220200年北京京市电

9、动动车辆的的数量如如表1-2。表1-22 20020年年北京市市纯电动动汽车规规模预测测私人用车车公交车出租车公务车数量（万万辆）53.330.4991.1885.033表1-33 20020年年北京市市充电设设施规模模预测私人用车车公交车出租车公务车数量（万万辆）充电桩53.33万个配电容量量100MMW快充桩0.5万万个慢充桩1.3万万个1.2 目前换换电站设设计和运运行过程程中主要要问题目前国内内电动汽汽车换电电站已经经从初期期奥运会会、世博会技技术验证证阶段发发展到具具有一定定规模的的商业推推广和运运行阶段段，在这个个发展过过程中相相关核心心充电装装备、更更换装备备以及监监控系统统软硬

10、件件等已经经实现了了产业化化，设备性性能指标标和产品品工艺化化程度以以及可靠靠性能够够满足电电池更换换和充电电的需要要，但是从从目前推推广应用用的实际际情况看看，存在如如下的主主要问题题：（1）换换电站主主要的服服务对象象是公交交车、环环卫车以以及出租租车等，运行的的区域主主要集中中在城市市核心区区，占地面面积大、配电容容量大等等缺点使使换电站站的选址址变得非非常困难难。由于于换电站站运行需需要额外外的备用用电池和和换电设设备，使换电电站的建建设成本本相对较较高，对换电电站的建建设和运运营方产产生了较较大的资资金压力力。（2）换换电站的的充电负负荷受车车辆运行行的规律律影响较较大，而大部部分公

11、交交车运行行存在早早晚高峰峰期和平平峰期，使换电电站的负负荷呈现现出负荷荷波动大大，高峰负负荷出现现的时间间与其他他常规负负荷的高高峰期接接近，不利于于城市配配电网的的移峰填填谷，并对换换电站外外电源的的接入带带来一定定的困难难，同时造造成换电电站的充充电电价价大部分分是峰值值电价，造成换换电站的的运行成成本较高高。从换电站站设计方方法和实实际运行行管理策策略角度度出发，主要存存在以下下的问题题：（1）核核心参数数的设计计冗余度度大目前换电电站有关关备用电电池数量量、配电电容量、更换装装备及更更换通道道数量等等核心参参数设计计值和实实际使用用数量之之间存在在设计冗冗余度过过大的问问题，这主要要

12、是因为为有关换换电站相相关设计计经验少少，可用于于设计改改进的运运行数据据较少。为保证证换电站站能满足足辆的运运行需要要，往往设设计过程程基于车车辆和锂锂电池的的的极限参参数设计计，对公交交车运行行参数及及运行模模式对换换电站核核心参数数的影响响模式理理解不深深入，例如：电池充充电时间间基本按按照电池池1000%放电电的充电电时间设设计、换换电站配配电功率率简单的的按运行行充电机机的最大大输出功功率计算算、不同同车辆运运行模式式对车辆辆更换频频率的影影响未考考虑等，同时在在换电站站设计过过程中缺缺乏相应应的计算算工具，往往通通过手工工安排发发车时刻刻、电池池回站换换电时刻刻等，无法应应对车辆辆

13、多条线线路运行行模式和和车辆多多圈运行行模式，造成设设计过程程中冗余余度较大大，进一步步提升换换电站的的建设成成本和占占地面积积。（2）车车辆充电电管理策策略简单单，经济性性差目前实际际运行的的公交车车换电站站都釆用用车辆回回站即换换电，换电后后随即充充电的充充换电管管理策略略，并未考考虑公交交车运行行特点、电池充充电成本本以及换换电站负负荷特性性，造成换换电站充充电成本本高、负负荷波动动大等问问题。实实际上在在换电站站内进行行以降低低充电电电费和改改善负荷荷特性为为目标的的充电控控制策略略是可行行的，因为公公交车存存在高峰峰和平峰峰的运行行规律，而备用用电池的的充电时时间和功功率是可可在一定

14、定范围内内进行调调节，可以在在很大程程度上改改善换电电站的负负荷特性性和充电电经济性性。（3）缺缺乏与城城市配电电网协调调控制技技术目前已经经运行的的公交车车换电站站数量较较少，建设地地点往往往选在配配电条件件较好的的地区，换电站站负荷特特性对城城市配电电网的影影响并没没有引起起研究人人员的重重视。当当换电站站在城市市核心区区的建设设规模较较大时，准确预预测相关关换电站站充电负负荷对配配电网的的经济运运行、区区域配电电网的稳稳定运行行以及换换电站内内光伏及及储能等等新能源源的接入入意义重重大，是相关关研究内内容的基基本手段段。国内外研研究现状状1.2.1电动动汽车充充电负荷荷预测文献11基于于

15、英国乘乘用车概概率统计计特性，采用蒙蒙特卡罗罗方法，给出了了一天中中PHEEV充电电负荷与与时间的的定量关关系。文文献22基于于加拿大大温尼伯伯市的776辆电电动汽车车，分别采采用了基基于GPPRS和和实际充充电数据据的确定定性方法法、基于于统计分分布的蒙蒙特卡洛洛方法及及基于条条件密度度函数的的方法对对不同场场景、季季节和电电池容量量下的负负荷进行行了预测测和估算算。文献献3针对匈匈牙利的的具体情情况从空空间角度度对电动动汽车充充电负荷荷进行了了预测，指出由由于充电电造成了了额外功功率需求求需要对对电网容容量进行行扩充。文献23以确定定纯电动动公交车车充电站站配电容容量需求求为目标标，根据公

16、公交客车车的运行行机制和和充电功功率曲线线特性建建立了电电动公交交充电站站容量需需求的数数学模型型。文献献4以乘用用车为研研究对象象，分析了了电动汽汽车充电电负荷的的各自相相关因素素，根据美美国燃油油汽车统统计数据据，建立了了电动汽汽车充电电负荷的的统计模模型，用蒙特特卡罗方方法得到到了电动动汽车充充电总负负荷曲线线。文献献5在总结结我国电电动汽车车政策和和发展趋趋势的基基础上，基于调调研结果果，分析了了私家车车、公交交车、出出租车等等不同类类型电动动汽车的的充电方方式和充充电时段段，通过蒙蒙特卡罗罗方法计计算得到到了我国国未来电电动汽车车充电负负荷曲线线，进而分分析了充充电负荷荷对电网网运行

17、和和规划的的影响。文献6考考虑用户户日常驾驾车模式式及充电电模式，对电动动汽车充充电负荷荷特性进进行了分分析，并采用用蒙特卡卡罗仿真真研究了了电动汽汽车在不不同场景景下对丹丹麦配电电系统的的影响。综上，目目前关于于电动汽汽车充电电负荷预预测的研研究主要要以电动动乘用车车为研究究目标，从电动动汽车的的每日行行驶里程程概率和和开始充充电时间间概率等等角度建建模，通过燃燃油车既既有数据据和统计计结果类类比或小小规模的的电动车车运行数数据统计计，主要应应用蒙特特卡罗方方法计算算不同时时间点各各种概率率分布的的累计结结果，而面向向以快换换模式为为主的电电动公交交车充电电负荷预预测研究究较少，对天气气、季

18、节节、工作作日、电电池特性性对负荷荷预测的的影响考考虑较少少，基于电电动车大大量运行行历史数数据预测测方法没没有应用用。1.2.2 电电动汽车车充电负负荷控制制策略文献77给出出了电动动汽车换换电充裕裕度的概概念，建立了了基于一一定假设设条件的的车主用用车习惯惯和充电电管理策策略的数数学模型型，主要研研究了换换电模式式下不同同时段的的充电需需求，从而得得到应该该储备的的电池组组数量。文献8研研究了基基于动态态电价的的充电决决定策略略，并建立立了购买买电池原原始投资资和后期期运营成成本的经经济数学学模型，为充电电站的运运营提供供指导。文献9-111综综述了国国内外关关于电动动汽车接接入电网网的研

19、究究现状及及电动汽汽车充电电对电网网的影响响，并对电电动汽车车接入电电网的解解决方案案和利用用进行了了分析，文献112利利用充电电负荷具具有时空空双尺度度的可调调节特性性，在时间间和空间间上进行行双尺度度的负荷荷调度，使电动动汽车充充电能够够在满足足用户需需求的基基础上，还能对对电网运运行产生生积极的的作用。文献13针对电电动汽车车无序充充电造成成电网“峰上加加峰”的问题题，以换电电站各时时刻的充充电功率率为控制制对象，建立多多目标的的调度策策略数学学模型，并采用用自适应应变异的的粒子群群算法求求解，有效地地降低电电网峰谷谷差，达到平平稳负荷荷波动的的效果。文献14建立了了一个以以配电网网网损

20、最最小为目目标的电电动汽车车充电优优化模型型，研究如如何优化化电动汽汽车充电电过程以以降低网网络损耗耗，从而达达到配电电网经济济运行的的目的。文献15基于网网损灵敏敏度，以网损损和充电电成本最最小为目目标，来安排排电动汽汽车的充充电，实现电电动汽车车的实时时有序充充电控制制，达到降降低配电电网网络络损耗和和平抑负负荷的目目的。文文献116分分别建立立了电动动汽车放放电用户户、电力力企业的的成本效效益分析析模型，分析了了电动汽汽车入网网高峰放放电削峰峰填谷的的成本和和收益。综上，上上述的研研究主要要以乘用用车为对对象，利用粒粒子群、遗传等等智能优优化算法法对电动动汽车充充电时间间和充电电功率进进

21、行控制制，从电网网损耗、电价以以及顾客客等待成成本等方方面进行行优化，从实现现用户和和电网双双方利益益的目标标。专门门针对纯纯电动公公交更换换充电站站的研究究不多，特别在在换电站站的优化化调度和和经济运运行方面面的研究究鲜有相相关成果果见诸报报端。在在电动汽汽车充电电时间和和充电功功率的调调控模型型建立中中，假设条条件和电电动汽车车真实运运行情况况有一定定的差异异，在控制制方法上上以充电电功率控控制为主主，对充电电设备利利用率、锂离子子电池充充放电功功率对电电池寿命命的影响响分析较较少，利用电电动汽车车真实运运行数据据作为对对比分析析的研究究结果未未见应用用。充放电机机的集群群控制调调度策略略

22、设计方方法2.1纯纯电动公公交车换换电站基基本组成成图1-11典型换换电站平平面拓扑扑结构图1-11所示是是一座典典型换电电站的平平面拓扑扑结构，其一般般主要由由配电室室、监控控室、电电池更换换区、电电池充电电区、电电池维护护区等部部分组成成，各部分分功能单单元说明明如下：配电室：换电站站的配电电室包括括充电机机动力配配电和其其它站内内用电配配电两部部分。通通过独立立的变压压器一部部分用于于充电机机充电，另一部部分用于于满足照照明、计计量及控控制设备备等站用用负荷的的供电。监控室：监控室用用于监控控充电机机的运行行情况、数据库库管理和和报表打打印等工工作。电池更换换区：需要更更换电池池的车辆辆

23、驶入电电池更换换区进行行电池更更换，是用于于更换电电池的场场所。另另外，需要应应急充电电的车辆辆也停靠靠在电池池更换区区，通过充充电延长长线引到到车体上上进行充充电。电池充电电区：用于摆摆放更换换下来的的动力电电池组对对其进行行充电，主要包包括充电电机和充充电平台台。内有有充电机机设备、电池管管理系统统供电、电池管管理系统统内部网网络、充充电机与与充电平平台之间间的通讯讯网络接接口等。电池维护护区：电池维维护区包包括蹄选选和维护护、充电电间以及及备用电电池库。电池进进入维护护车间后后，进行电电池的蹄蹄选，确定电电池的好好坏，不能使使用的电电池作恰恰当处理理，避免污污染环境境；可继续续使用的的电

24、池进进行维护护和活化化。维护护完后的的电池送送至充电电区进行行充电，充满电电后进行行装箱编编组。如图1-2所示示，换电电站整体体运作流流程首先先是需要要更换电电池的车车辆进站站后驶入入更换电电池区，进行故故障诊断断，出具电电池故障障诊断报报告，然后更更换上已已经充满满电的整整组电池池，最后返返回停车车区。更更换下来来的电池池按有无无故障就就地分离离，故障电电池送维维护车间间进行蹄蹄选、维维护、充充电和装装箱，无故障障电池送送充电区区以单箱箱电池为为单元进进充电，充满电电后进行行编组，所缺电池池箱由维维护车间间的备用用电池库库补齐后后按组为为单位送送至更换换电池库库。图1-22 换电电站运作作流

25、程图图2.2智智能优化化算法换电站通通过更换换电池的的方法来来提高公公交车辆辆利用率率，但目前前采用的的电池换换电原则则会造成成充电负负荷受到到公交车车早晚高高峰以及及夜间停停运的影影响，主要负负荷集中中在电价价的高峰峰段造成成充电费费用高，进一步步加重区区域配电电网的峰峰谷差。通过对对实际备备用电池池等待使使用时间间的分析析发现从从电池充充电完毕毕到下一一次使用用之间会会有较长长的等待待时间，可以利利用合理理的优化化算法对对电池开开始充电电时间进进行调控控，使充电电电价尽尽可能的的集中在在平峰段段和谷段段，实现充充电费用用最低和和减小充充电负荷荷的峰谷谷差。人工鱼群群算法是是一种随随机搜索索

26、算法，是群智智能算法法的一种种。通过过构造人人工鱼来来模仿鱼鱼群的觅觅食、聚聚群、追追尾及随随机行为为，从而而实现群群体全局局寻优。该算法法虽具有有较快的的收敛速速度和较较好的求求取全局局极值的的能力，但存在一些些缺点，如人工工鱼群算算法的参参数(可视域域vissua、步长sttep、最大尝尝试次数数tryynummberr、拥挤挤度因子子)设定是是固定的的，这样样获得的的最优解解精度不不高，而而且各个个人工鱼鱼行为存存在一些些缺陷。为了克克服这些些缺点，本文提提出了自自适应改改进行为为人工鱼鱼群算法法。图2-11 智能能优化算算法流程程图2.2.1 自自适应改改进行为为人工鱼鱼群算法法的自适

27、适应性自适应改改进行为为人工鱼鱼群算法法的自适适应性，具体体体现在算算法寻优优程序在在执行过过程中重重要参数数的自动动修正上上。改进进方式如如下所述述：在算算法的初初始阶段段，每条条人工鱼鱼在较大大的可视视域viisuaal内以以较大的的移动步步长sttep寻寻找较优优解，从从而扩大大了算法法的搜索索范围。随着算算法的迭迭代进行行，自适适应地减减小可视视域viisuaal和移移动步长长steep，从从而自动动的加快快算法的的收敛速速度和有有效地提提高算法法的求解解精度。具体实实现方式式请见式式子(2-22-1)： (2-2-11)式中visuualmmin 可可视域最最小值，取0.0011；s

28、teepmiin 移动动步长最最小值，取0.00002；Tmaxx 为最大大迭代次次数；stepp移移动步长长steep = 0.1255vissuall；为为衰减因因子；t 为当前前迭代次次数；s 取值范范围为1 ,30。visuual可视视域，其其初值可可以取搜搜索范围围的最大大值的11/4左左右；式子(22-2-1)对可可视域vvisuual 和步长长 sttep 进行了了改进；这种对参参数进行行自动修修正的功功能正解解决了基基本人工工鱼群算算法求解解精度不不高的问问题。2.2.2 自自适应改改进行为为人工鱼鱼群算法法的行为为优化性性自适应改改进行为为人工鱼鱼群算法法的行为为优化性性主要

29、体体现在对对各个人人工鱼行行为寻优优能力的的提高上上3。改进方式式具体改改进如下下所述：觅食行为为：设人人工鱼当当前处于于状态XXi，然后后在可视视域viisuaal内随随机选择择一个状状态Xj，人工工鱼将当当前的状状态与选选择的状状态进行行比较，若选择择状态XXj优于当当前状态态Xi，那么么人工鱼鱼就向选选择状态态Xj方向移移动一步步steep，否否则再进进行搜寻寻。若在在搜寻次次数trrynuumbeer内没没有找到到比当前前更优的的状态，此时有有两个选选择：一一个是若若当前状状态Xi不是当当前群体体的最优优状态，那么人人工鱼就就执行随随机行为为；另一一个是若若当前状状态Xi是当前前群体的

30、的最优状状态，则则保留。聚群行为为：设人人工鱼当当前处于于状态XXi，然后后在可视视域viisuaal内随随机搜寻寻伙伴数数目nf及中心心位置XXc，若伙伙伴中心心位置状状态Xc优于当当前状态态Xi且不太太拥挤。此时有有两个选选择：一一是人工工鱼直接接移动到到中心位位置Xc，另一一是人工工鱼向中中心位置置状态XXc方向前前进一步步后所在在的位置置Xc1，然后后比较两两种方式式下的状状态哪一一种更优优良就选选哪一种种移动方方式。否否则人工工鱼就执执行觅食食行为。追尾行为为：设人人工鱼当当前处于于状Xi，然后后在可视视域viisuaal内随随机搜寻寻伙伴数数目nf及最优优的伙伴伴Xmaxx1，若若

31、最优的的伙伴状状态Xmaxx1优于于当前处处于状态态Xi且不太太拥挤。此时有有两个选选择：一一种方式式是人工工鱼直接接移动到到Xmaxx1，另另一种方方式是人人工鱼向向Xmaxx1方向向前进一一步后所所在的位位置Xmaxx2，然后后比较两两种方式式下的状状态哪一一种更优优良就选选哪一种种移动方方式。否否则人工工鱼就执执行觅食食行为。人工鱼行行为的优优化，有助于于提高基基本人工工鱼群算算法的寻寻优能力力。综上所述述，自适适应改进进行为人人工鱼群群算法具具有很好好的自适适应能力力和优秀秀的人工工鱼行为为，从而而可以更更快地得得到高精精度的最最优解。2.2.3惩罚罚函数法法电池更换换站的充充电策略略

32、优化属属于带约约束的优优化问题题；自适适应改进进行为人人工鱼群群算法直直接可以以用于无无约束的的优化问问题中，而不可可以直接接用于带带约束的的优化问问题中；那么惩惩罚函数数法是一一种可以以把约束束优化问问题转化化为一系系列无约约束优化化问题来来处理的的方法。下面简简单说明明一下，如给定定一带约约束式子子 (2-22-2)将带约束束式子(2-22-2)转写成成罚函数数的形式： (2-2-33)式中 ff(X)目标标函数；Blamme(XX)惩罚函数数，将约约束的条条件表示示成函数数的形式式；根据惩罚罚函数法法的性质质，不难得得到，对对于求解解最小值值的目标标函数ff(X)来说，满足约束束条件的的

33、X，均可可以使BBlamme(XX)的值值为零。因此求求解式子子(2-2-33)就相相当于求求解式子子(2-2-22)。基于峰谷谷调节的的实时电电价系统统对电动汽汽车采取取合理的的调度策策略，可可以充分分发挥电电动汽车车在优化化电网运运行方面面的作用用。而电电动汽车车的充电电行为还还可以通通过制定定峰谷电电价、实实时电价价或者辅辅助服务务价格等等途径进进行控制制9。文献献100提出出一种计计及供电电侧填谷谷效果与与用户成成本的数数学模型型，在确确定优化化时段的的情况下下，优化化充电起起始时间间及充电电电价，达到了了供电侧侧与用户户侧共赢赢的效果果。文献献111研究究了电动动汽车基基于分时时电价

34、的的电动汽汽车有序序充电控控制策略略，以用用户充电电费用最最小作为为一级目目标，电电池起始始充电时时间最早早作为二二级目标标，综合合考虑了了电网的的优化运运行与用用户满意意度。但但是分时时电价的的时间段段为固定定的，欠欠缺灵活活性。文文献112提提出了一种计及及车主满满意度的的最优峰峰谷分时时电价模模型，在在将电动动汽车分分为三类类的情况况下，建建立了电电动汽车车充放电电的需求求响应模模型，并并将用户户满意度度最高、负荷峰峰谷差最最小、购购电成本本最低等等因素作作为目标标，进行行多目标标优化。在改善善负荷曲曲线的同同时还兼兼顾了车车主的满满意度。国内外外很多基基于电动动汽车的的电价研研究都是是

35、在假设设车主能能够实时时地响应应电价的的基础上上所展开开的。事事实上用用户很难难响应当当天制定定的实时时电价。基于上述述，考虑虑到未来来将有大大量的电电动汽车车和风电电接入电电网，课课题组提提出了一一种计及及风电接接入和车车主互动动意愿的的实时电电价模型型，并引引入调度度的思想想，优化化电动汽汽车充放放电功率率，计算算日前电电价，并并在已发发布日前前电价的的基础上上，根据据风电预预测功率率的误差差，实时时地调节节日前电电价，形形成当日日电价。这种实实时电价价的制定定方式对对地区电电网公司司具有一一定的参参考价值值。3.1电电动汽车车充放电电模型文献113可知，20220-220300年我国国私

36、家电电动汽车车数量将将大规模模上升。因此，为分析析电动汽汽车对区区域电网网的影响响，课题题组主要要针对私私家车展展开研究究。3.1.1日行行驶里程程及速度度根据美国国交通部部对全美美家用车车辆的调调查结果果 (NHHTS)14，私家家电动汽汽车日行行驶距离离服从对对数正态态分部，如公式式（3-11-1）所示：（3-11-1）式中，D=3.20，D= 00.888；x为行驶驶里程，0 00表示充充电，PPi(t)00表示放放电。一般情况况下，在在用电高高峰时段段，将电电价调高高，鼓励励用户放放电；而而在用电电低谷阶阶段，将将电价降降低，鼓鼓励用户户充电，从而可以以达到以以电价引引导电动动汽车充充

37、放电来来实现移移峰填谷谷的目的的。对于由由电价升升降所引引发用电电量的变变化即弹弹性系数数，其计计算公式式如下所所示118：(3-11-100)qt1和和qt2分别表示示时段tt的参考考电价和和当前电电价；ppt1和pt2分别表示示时段tt的参考考负荷值值和当前前负荷值值。为确保车车主愿意意参与VV2G，对于这这部分用用户在电电价上具具有如下下优惠：放电电电价为日日前电价价与当日日电价的的较大值值，充电电电价为为日前电电价与当当日电价价的较小小值，如如式(111)所所示；而而不愿意意参与VV2G的的用户与与其相反反。(3-11-111)式中，qqchaa(t)为时段段t的充电电电价；qdiss

38、chaa(t)为时段段t的放电电电价；qaheead(t)为时段段t的日前前电价；qdayy(t)为时段段t的当日日电价。3.2.2 程程序设计计程序以在在一个调调度周期期内，愿愿意参与与V2GG的电动动汽车充充电功率率作为染染色体个个体，采采用遗传传算法进进行优化化，得到到优化前前后电网网的等效效负荷曲曲线。其其中算法法参数的的选择如如下：初初始种群群大小为为50；最最大遗传传代数为为30000次；交交叉概率率为0.8；变变异概率率为0.02。算法流流程如图图2所示。图3-22优化算算法求解解过程优化算法法求解的的主要过过程如下下：1)输入入常规负负荷L(t)；风电预预测功率率PW,FF(t

39、)；车主主互动意意愿率及电动动汽车数数量N。2)构建建目标函函数及相相应的约约束条件件。3)初始始化种群群。以(PC(1), PPC(2), PC(T)i作为染色色体个体体，在取取值范围围内随机机生成550个初初始化个个体。每每个个体体均采用用实数编编码。4)判断断生成的的种群是是否满足足优化模模型的约约束条件件，如不不满足则则丢弃此此种群。5)以等等效负荷荷方差的的倒数作作为适应应度函数数，计算算每个染染色体的的适应值值，并记记录产生生最小方方差的个个体(PC(1), PPC(2), PC(T)i。6)通过过旋转轮轮赌法选选择染色色个体，并对其其进行交交叉和多多窗口变变异操作作，产生生子代种

40、种群。7)反复复迭代寻寻优，直直至达到到最大遗遗传代数数，并输输出全局局最优个个体。8)计算算日前电电价，并并输入实实测风电电功率，滚动计计算当日日电价。3.3.3 算算例结果果以某地区区典型日日负荷数数据为基基础负荷荷，电动动汽车充充放电相相关参数数设置如如下：NN=1000000，=0.30，qt1=0.50元元/kWh，=-00.500。功率率基值为为1000WVAA。图3-33(a)，3-44(a)，3-55(a)，3-66(a)中将优优化前后后电动汽汽车的充充电功率率曲线与与风电功功率曲线线和日负负荷曲线线叠加得得到包含含风电和和电动汽汽车的负负荷曲线线。（a）包包含风电电和电动动汽

41、车的的负荷曲曲线（b）日日前电价价和当日日电价的的曲线图3-33风电功功率曲线线具有正正调峰特特性，风电渗渗透率为为60%，预测测误差为为30%图3-33(b)，3-44(b)，3-55(b)，3-66(b)的曲线线显示了了与之相相对应的的日前电电价和当当日电价价的曲线线。日前前电价给给出了第第二天电电价的变变化趋势势，而当当日电价价则为修修正风电电预测功功率的误误差，采采用以一一个小时时为一个个时段制制定电价价。图3-33(b)显示了了具有正正调峰特特性的风风电功率率曲线且且风电渗渗透率为为60%，预测测误差为为30%情况下下的电价价曲线。图3-4(bb)显示示了具有有正调峰峰特性的的风电功

42、功率曲线线且风电电渗透率率为600%，预预测误差差为100%情况况下的电电价曲线线。由此此可知，风电功功率预测测误差越越大，日日前电价价与当前前电价之之差就越越大。（a）包包含风电电和电动动汽车的的负荷曲曲线（b）日日前电价价和当日日电价的的曲线图3-44风电功功率曲线线具有正正调峰特特性，风电渗渗透率为为60%，预测测误差为为10%（a）包包含风电电和电动动汽车的的负荷曲曲线（b）日日前电价价和当日日电价的的曲线图3-55风电功功率曲线线具有反反调峰特特性，风电渗渗透率为为60%，预测测误差为为10%图3-55(b)显示了了具有反反调峰特特性的风风电功率率曲线且且风电渗渗透率为为60%，预测

43、测误差为为10%情况下下的电价价曲线。由图33-4(b)和和图3-5(bb)可知知，具有有反调峰峰特性的的风电功功率曲线线将导致致电网负负荷曲线线峰谷差差变大以以及实时时电价曲曲线峰谷谷差的拉拉大。（a）包包含风电电和电动动汽车的的负荷曲曲线（b）日日前电价价和当日日电价的的曲线图3-66风电功功率曲线线具有反反调峰特特性，风电渗渗透率为为30%，预预测误差差为10%图3-66(b)显示了了具有反反调峰特特性的风风电功率率曲线且且风电渗渗透率为为30%，预测测误差为为10%情况下下的电价价曲线。由图33-5(b)和和图3-6(bb)可知知，将具具有反调调峰特性性的风电电功率曲曲线接入入电网后后

44、，风电电渗透率率越低，电网负负荷曲线线越平缓缓，实时时电价曲曲线的峰峰谷差越越小。并并且在实实施实时时电价引引导电动动汽车进进行V22G后，电网负负荷曲线线得到了了一定程程度的改改善。4 多目目标系统统控制的的充放电电机集群群控制模模型4.1 参数设设置的基基本思路路在每日224点之之前，对对电池更更换站内内的信息息进行统统计，以以进行下下一次日日前计划划的制定定。包括括站内所所有充电电机的工工作状态态、站内内所有充充电机的的故障情情况、站站内所剩剩电池的的信息（A、BB、C各各组充已已经充好好的以及及未充电电电池的的数量）4.1.1 电电池排队队理论对于各组组电池，将已经经充好的的电池和和没

45、有充充好的电电池分开开进行排排队。正正在充电电的和等等待充电电的电池池排成一一组，依依次进行行充电。当充好好一块电电池时，将其排排到已充充好电池池组队列列的末端端，需要要放电时时，流水水线从已已充好电电池组的的队列前前段提取取电池，连接充充放电机机进行放放电。当当有用户户进站需需要更换换电池时时，也从从已充好好电池组组的队列列前段提提取电池池更换给给用户，同时，将用户户更换下下来的空空电池放放入未充充电电池池队列的的末端进进行排队队。通过分开开排序的的方法，可以避避免电池池出现刚刚充满电电就进行行放电的的情况，有效减减少电池池的折损损情况。4.1.2 电电池梯度度利用以半小时时为优化化最小时时

46、间单位位，优化化时段为为24hh，根据次次日的进进站流量量密度曲曲线对电电池更换换需求进进行预测测，对次次日的电电池更换换站充换换电流程程进行优优化。认为用户户换给充充电站的的电池均均已使用用至电量量阀值（剩余220%）。按照照电池的的健康程程度，将将站内的的电池按按一定比比例（如如：600%，30%，10%）分为A、B、C三组。A组为健健康度较较好的电电池，参参与正常常的充电电馈电行行为，并并可以换换给用户户；B组为较较不健康康电池，考虑到到其折损损情况，不再对对其进行行馈电操操作，仅仅用于充充电并换换给用户户；C组为不不健康电电池，其其电池折折损较重重已不适适合电动动汽车日日常使用用，因此

47、此留在电电池更换换站内，进行充充电和馈馈电的经经济运作作。在此之外外需要额外外考虑一一部分的的备用电电池，通通常为站站内电池池总数的的20%，这部分分备用不不参与放放电收益益，仅作作为换电电备用使使用。4.1.3 电电池更换换站收费费制定对于电池池更换站站的换电电池收费费与馈电电电价的的计算思思路如下下：换电站年年收益率率为：其中， 为换电电站每天天换电服服务的所所有电动动汽车充充电量；为电池更更换站充充电损耗耗率；为电池更更换站销销售电价价；为电池更更换站每每年运营营折算成成本；为电池更更换站向向电网购购电电价价，即充充电成本本价为电池更更换站建建设成本本；F为电池池更换站站每年租租赁电池池

48、成本。换一块电电池的价价格=*Q*0.88，其中中Q为单单块电池池的容量量；放电价格格高于换换电价格格，取裕度度10-20%。4.2 变量设设置的基基本思路路每个充电电机对应应3个状状态：充充电、放放电、和和停运，对应实实数-1，0，1。认为电电机的充充放电过过程均为为恒功率，效率均均为900%。采采取快充充模式进进行充电电。设站站内的充充电机总总数为MM，对应应于电池池组的分分类，同同样也将将充电机机按电池池组比例例分为AA、B、C三组组，A组组充电机机仅对AA组电池池进行充充放电操操作，BB、C组组同理。那么变量量矩阵表表示为：（4-22-1）变量向量量设置为为7200维变量量；（4-22

49、-2）4.2.1 电电池更换换站基本本设计模模型换电站主主要包括括车辆数数、备用用电池组组数、更更换工位位数和配配电功率率等四个个关键参参数。这这些关键键参数和和公交车车的高峰峰持续时时间、高高平峰发发车间隔隔、车辆辆运行周周期、电电池充电电时间、电池组组充电功功率等参参数密切切相关。结合换换电站设设计经验验和实际际运营数数据，给出基基本的换换电站参参数设计计模型示示意图4-1和和图4-2:图4-11换电站站参数设设计模型型图4-22车辆运运行时间间和电池池使用时时间4.2.2 换换电站参参数设计计模型中中基本原原则(1)换换电站设设计时要要考虑最最严峻的的情况，也就是是要选取取一天中中高峰时

50、时间最长长时间段段及与它它相邻的的平峰时时间段(图4-2中中加粗的的那一段段时间)；(2)更更换工位位数的计计算原则则要满足足车一进站就就换电池池的要求求；(3)模模型中的的计算方方法是基基于换电电站为单单条线路路服务，并且车车辆只运运行一圈圈就换电电充电。在不同条条件下的的换电站站核心参参数计算算公式如如下所示示:（1）车车辆数计计算方法法当即车辆辆运行一一次的时时间大于于高峰期期持续时时间条件件下的车车辆数为为（4-22-3）当即车辆辆运行一一次的时时间小于于高峰期期持续时时间条件件下的车车辆数为为（4-22-4）（2）备备用电池池计算方方法当即充电电时间大大于高峰峰时间条条件下的的备用电

51、电池为（4-22-5）当即充电电时间小小于于高峰时时间条件件下的备备用电池池为（4-22-6）（3）更更换工位位数计算算方法取整（44-2-7）（4）充充电功率率计算方方法当即充电电时间大大于高峰峰时间条条件下的的充电功功率为（4-22-8）当即充电电时间小小于高峰峰时间条条件下的的充电功功率为（4-22-9）其中，NNc是充换换电站内内的车辆辆数，NNb是备用用电池组组数，NNk是充换换电站需需要配置置的更换换工位数数，Pavee是电池池组的平平均充电电功率，P是充换换电站需需要配置置的充电电功率。4.2.3 核核心参数数计算主主要影响响因素根据上面面的分析析，影响响换电站站配电容容量、备备

52、用电池池组数、更换通通道数等等关键参参数的主主要因素素有车辆辆运行时时间、电电池组充充电时间间、电池池更换时时间、高高峰和平平峰的发发车间隔隔、高峰峰持续时时间以及及电池组组充电功功率曲线线等。这些参数数可分成成两类:（1）受受实际运运行工况况有较大大影响的的，需要要在设计计阶段进进行准确确估算的的参数；1）车辆辆运行时时间2）电池池组充电电时间3）电池池组充电电功率曲曲线表4-11对比了了当初换换电站设设计的核核心参数数和实际际充换电电站运行行数据，发现在在换电站站配电容容量、车车辆使用用数、备备用电池池等参数数存在较较大差异异。表4-11换电站站设计参参数与实实际使用用情况对对比对比内容容

53、充电时间间/h车辆数/辆备用电池池组数/组工位数/个配电容量量/MWW设计数据据3503023.2实际数据据1.82.55502420.955造成核心心参数差差异大的的核心原原因是对对电池组组的充电电时间和和多组电电池同时时充电的的功率计计算方法法存在较较大的误误差，原原设计中中按电池池组1000%DDOD (Deepthh Off Diischhargge)放放电来计计算充电电时间，实际上上车辆运运行过程程中由于于线路运运行长度度和运行行时间的的特点和和为应对对突发性性交通拥拥堵的情情况，车车辆回站站更换电电池的放放电深度度大约在在40%600%DOOD，引引起充电电时间的的设计值值与实际际

54、值存在在较大差差异，从从而影响响车辆的的使用数数量、备备用电池池数量以以及换电电站配电电容量。换电站电电池组充充电是按按照电池池更换的的频率投投入充电电，存在在多台充充电机同同时工作作的情况况，但由由于锂离子电电池充电电功率在在充电过过程是变变化的，虽然多多台充电电机同工工作，但但工作的的时间起起始点不不一样。在原设设计中按按换电站站的最大大输出功功率的累累加和计计算配电电容量，造成设设计值远远远大于于实际的的配电容容量。（2）根根据成本本、效益益、服务务能力综综合考虑虑，要进进行设计计优化的的参数；1）高峰峰和平峰峰发车间间隔2）高峰峰持续时时间3）电池池更换时时间为满足交交通需求求，公交交

55、车的运运行存在在高峰段段和平峰峰段，高高峰段和和平峰段段的发车车间隔有有较大的的区别。普通燃燃油车采采用在不不同时段段投入不不同的车车辆数来来应对高高峰运行行需要，不需要要其他方方面的支支持，而而纯电动动公交车车为满足足高峰运运行要求求，不仅仅需要投投入相应应的车辆辆，同时时需要提提高换电电站的电电池更换换能力，并增加加备用电电池组数数，对换换电站的的建设成成本和相相应的占占地面积积带来较较大的影影响。在世博会会换电站站设计过过程中，要求高高峰期的的断面客客流量达达到1440000人/小时，要求高高峰期的的车辆的的发车间间隔为11分40秒，换电站站内更换换设备的的更换时时间为110分钟钟，必须

56、须配置88套更换换设备，釆用四四个更换换通道，造成换换电站的的建设投投资增加加30000多万万，备用用电池数数达到1120套套，备用用电池数数和车辆辆数的比比例达到到2:11，远超超过了北北京奥运运会换电电站的11.4:1。经经过世博博会的实实际运行行发现，高峰期期断面客客流量达达到1440000 人/小时持持续时间间很短，在绝大大多数时时间内更更换设备备和备用用电池大大量闲置置。4.3 目标函函数4.3.1 考考虑电池池更换站站的运行行经济性性以电池更更换站全全天运行行收益最最大为目目标，即即电池更更换站向向用户提提供电池池更换服服务的收收益与向向电网馈馈电所得得的收益益总和最最大：（4-3

57、3-1）、分别为为j时段段电池更更换站内内的馈电电总功率率和充电电总功率率；、分别为为j时段段电池更更换站向向电网馈馈电的电电价和从从电网买买电的电电价，为为电池更换换站换给给用户一一块电池池所收取取的费用用，为固固定常数数；为j时段段换给用用户的电电池数目目；为单位优优化时段段，即半半小时。4.3.2 考考虑电池池更换站站内电池池的健康康利用以电池更更换站内内电池在在一天之之内状态态切换次次数总和和最小为为目标（4-33-2）为站内所所有电池池组1dd之内状状态切换换总次数数。4.4 约束条条件4.4.1 站站内电池池总数的的约束（4-33-3）（4-33-4）、分别别为j时时段A，B，CC

58、三组电电池中处处于已充充好状态态的电池池数量。、分别别为j时时段A，B，CC三组电电池中处处于充电电状态的的电池数数量。、分别为为j时段段A、BB两组电电池中换换给用户户的数目目（由于于C组电电池不参参与电池池更换，因此不不存在）。、分别为为j时段段A、CC两组电电池中处处于放电电状态的的电池数数量（由由于B组组电池不不参与电电池更换换，因此此不存在在）。4.4.2 充充电机数数目约束束j时段所所有处于于充电、放电状状态的电电池总数数应不超超过站内内充电机机数量MM（4-33-5）4.4.3 用用户需求求约束站内可用用于用户户更换的的电池数数量满足足当前车车辆换电电量，并并保证220%的的裕度

59、；（433-6）4.4.4连续续充电约约束设定电池池完成一一次充电电行为需需要的时时间为，则在表表示站内内所有充充电机状状态的变变量矩阵阵中，对对于每台台充电机机，表示示其处于于充电状状态的11值连续续出现的的次数必必须为的的整数倍倍。4.5输输入输出出4.5.1 输输入信息息（1）电电动汽车车电池配配置：1）电池池更换站站内所配配置的电电池种类类数；2）每种种电池的的具体组组成结构构：即每每组电池池箱中不不同容量量电池的的配比。例如组组成一个个电池箱箱需要1120AAh、1000Ah和和80AAh的电电池各有有几个。（2）电电池信息息：1）站内内各类电电池的数数量。例例如1220Ahh、10

60、00Ah和和80AAh的电电池各自自的总数数。2）各类类电池的的SOCC。3）各类类电池的的健康度度信息，即各个个电池分分属于AA、B、C哪个电电池组别别中。4）各个个电池的的充放电电状态。包括充充电中、放电中中和等待待中三种种状态。5）电池池所能承承受的最最大充电电速率与与放电速速率。6）电池池的IDD信息。在进站站时进行行扫描录录入，提提供电池池的基本本信息与与使用限限制。（3）充充电机信信息：1）换电电池站内内所拥有有的充电电机总数数。2）各个个充电机机当前的的工作状状态（包包括充电电中、放放电中、暂停工工作与故故障中集集中状态态）。3）充电电机的充充电功率率限值与与放电功功率限值值。4