电池更换站集群优化算法研究报告

1、第 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

2、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。充电基础设设施网络络是大规规模的电电动汽车车商业运运行实现现的主要要支撑环环节，其中有有关充电电基础设设施规划划布局、充充换电站站优化设设计方法法、充换换电站经经济运行行方法以以及充换换电站与与配电网网的相互互影响关关系等问问题成为为国内外外相关研研究领域域的重点点研究内内容。研究背景根据不同纯纯电动车车辆

3、的运运行特点点以及搭搭载的动动力电池池的容量量不同，目前主主要有以以下几种种能源补补给模式式：（1）交流流慢速充充电充电装置安安装在车车辆上，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）直流流快速充充电设立地面充充电设备备，通过充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）电池池更换方方式电池更换模模式是采采用事先先充满电电的电池池组替换换车辆上上需要充充电的电电池组，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

4、为0.3C1C，满充电电的时间间一般为为133小时。表1-1 纯电动动汽车能能源补给给模式分分析特点交流慢充直流快充电池更换优势占地面积小小、投资资少、安安全性好好，有利利于延长长电池使使用寿命命便于分散安安装、满满足紧急急补电需需求节省充电时时间，提提高车辆辆利用率率、便于于集中管管理劣势功率小、充充电时间间长快速充电策策略受环环境因素素影响较较大占地面积大大、设备备投入多多、运营营成本较较高交流慢速充充电由于于投资成成本低、配配套资源源需求少少是未来来私人使使用的电电动乘用用车的主主要能量量补给模模式，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

5、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，“十十城千辆辆”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个个，包括上上海、深深圳、长长春、合合肥、杭杭州和北北京。其其中，北京、深深圳、合合肥、杭杭州、重重庆等城城市充电电基础设设施发展展规模较较大。北京的纯电电动公交交车、环环卫车和和出租车车主要以以集团用用户为主主，采用裸裸车销售售、电池池租赁、充充换结合合的运营营模式，由北京京市电力力公司负负责充电电设施的的建设、

6、运运营和电电池租赁赁；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的配配套资金金。截止止目前，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座座。深圳市的纯纯电动公公交车和和出租车车采用第第三方建建站运营营的模式式，充电方方式以直直流整车车充电为为主，采用融融资租赁赁、车电电分离、网网络智能能管理、充充维结合合的运营营模，目前已已建成并并运营557座充充换电站站，为23303辆辆新能源源汽车提提供充换换电服务务。合肥市电动动车辆采采用定向向采购模模式，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

7、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115855辆。杭州市新能能源汽车车达14425辆辆，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。由由电池企企业购买买裸车，连同电电池系统统一起开开展整车车租赁，乘用车车采用标标准电池池模块的的快速更更换模式式。重庆市目前前已有8829辆辆新能源源汽车，2座充充换电站站，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68分钟钟充电一一次，每天充充电68次。根据中国国汽车产产业发展展报告(2

8、0008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，以及北北京市电电动汽车车规划中中预测到到20115年北北京市电电动汽车车数量，利用等等比例的的方法预预测到220200年北京京市电动动车辆的的数量如如表1-2。表1-2 20220年北北京市纯纯电动汽汽车规模模预测私人用车公交车出租车公务车数量（万辆辆）53.30.491.185.03表1-3 20220年北北京市充充电设施施规模预预测私人用车公交车出租车公务车数量（万辆辆）充电桩53.3万万个配电容量100MWW快

9、充桩0.5万个个慢充桩1.3万个个1.2 目目前换电电站设计计和运行行过程中中主要问问题目前国内电电动汽车车换电站站已经从从初期奥奥运会、世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）换电电站主要要的服务务对象是是公交车车、环卫卫车以及及出租车车等，运行的的区域主主要集中中在城市市核心区区，占地面

10、面积大、配配电容量量大等缺缺点使换换电站的的选址变变得非常常困难。由由于换电电站运行行需要额额外的备备用电池池和换电电设备，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）换电电站的充充电负荷荷受车辆辆运行的的规律影影响较大大，而大部部分公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

11、本较高高。从换电站设设计方法法和实际际运行管管理策略略角度出出发，主要存存在以下下的问题题：（1）核心心参数的的设计冗冗余度大大目前换电站站有关备备用电池池数量、配配电容量量、更换换装备及及更换通通道数量量等核心心参数设设计值和和实际使使用数量量之间存存在设计计冗余度度过大的的问题，这主要要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。为为保证换换电站能能满足辆辆的运行行需要，往往设设计过程程基于车车辆和锂锂电池的的的极限限参数设设计，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10

12、00%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）车辆辆充电管管理策略略简单，经济性性差目前实际运运行的公公交车换换电站都都釆用车车辆回站站即换电电，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、

13、电电池充电电成本以以及换电电站负荷荷特性，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）缺乏乏与城市市配电网网协调控控制技术术目前已经运运行的公公交车换换电站数数量较少少，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

14、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。国内外研究究现状1.2.11 电动汽汽车充电电负荷预预测文献1基于英英国乘用用车概率率统计特特性，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

15、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。文文献223以以确定纯纯电动公公交车充充电站配配电容量量需求为为目标，根据公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

16、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和和规划的的影响。文文献66考虑虑用户日日常驾车车模式及及充电模模式，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，目前前关于电电动汽车车充电负负荷预测测的研究究主要以以电动乘乘用车为为研究目目标，从电动动汽车的的每

17、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。1.2.22 电动动汽车充充电负荷荷控制策策略文献7给出了了电动汽汽车换电电充裕度度的概念念，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

18、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。文文献88研究究了基于于动态电电价的充充电决定定策略，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。文文献99-111综述述了国内内外关于于电动汽汽车接入入电网的的研究现现状及电电动汽车车充电对对电网的的影响，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12利用充充电负荷荷具有时时空双尺尺度的可可调节特特性，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

19、的作用。文文献113针针对电动动汽车无无序充电电造成电电网“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。文文献114建建立了一一个以配配电网网网损最小小为目标标的电动动汽车充充电优化化模型，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。文文献115基基于网损损灵敏度度，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

20、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，上述述的研究究主要以以乘用车车为对象象，利用粒粒子群、遗遗传等智智能优化化算法对对电动汽汽车充电电时间和和充电功功率进行行控制，从电网网损耗、电电价以及及顾客等等待成本本等方面面进行优优化，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

21、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、锂锂离子电电池充放放电功率率对电池池寿命的的影响分分析较少少，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。充放电机的的集群控制调调度策略略设计方方法2.1 纯纯电动公公交车换换电站基基本组成成图1-1典典型换电电站平面面拓扑结结构图1-1所所示是一一座典型型换电站站的平面面拓扑结结构，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：

22、换换电站的的配电室室包括充充电机动动力配电电和其它它站内用用电配电电两部分分。通过过独立的的变压器器一部分分用于充充电机充充电，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：监监控室用用于监控控充电机机的运行行情况、数数据库管管理和报报表打印印等工作作。电池更换区区：需要更更换电池池的车辆辆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。电池充电区区：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

23、电机机设备、电电池管理理系统供供电、电电池管理理系统内内部网络络、充电电机与充充电平台台之间的的通讯网网络接口口等。电池维护区区：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。电电池进入入维护车车间后，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1-22所示，换电站整体运作流程首先是需要更换电池的车辆进站后驶入更换电池区，进行故障诊断，出具电池故障诊断报告，然后更换上已经充满电的整组电池，最后返回停车区。更换下来的

24、电池按有无故障就地分离，故障电池送维护车间进行蹄选、维护、充电和装箱，无故障电池送充电区以单箱电池为单元进充电，充满电后进行编组，所缺电池箱由维护车间的备用电池库补齐后按组为单位送至更换电池库。图1-2 换电站站运作流流程图2.2 智智能优化化算法换电站通过过更换电电池的方方法来提提高公交交车辆利利用率，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。通通过对实实际备用用电池等等待使用用时间的的分析发发现从电电池充电电完毕到到下一次次使用之之间会有有较

25、长的的等待时时间，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。人工鱼群算算法是一一种随机机搜索算算法，是是群智能能算法的的一种。通过构造人工鱼来模仿鱼群的觅食、聚群、追尾及随机行为，从而实现群体全局寻优。该算法虽具有较快的收敛速度和较好的求取全局极值的能力，但存在一些缺点，如人工鱼群算法的参数(可视域visua、步长step、最大尝试次数trynumber、拥挤度因子)设定是固定的，这样获得的最优解精度不高，而且各个人工鱼行为存在一些缺陷。为了克服这些缺点，本文提出了自适

26、应改进行为人工鱼群算法。图2-1 智能优优化算法法流程图图2.2.11 自适适应改进进行为人人工鱼群群算法的的自适应应性自适应改进进行为人人工鱼群群算法的的自适应应性，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。随随着算法法的迭代代进行，自自适应地地减小可可视域vvisuual和和移动步步长sttep，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。具体实现方式

27、请见式子(2-2-1)： (2-22-1)式中visuaalmiin 可视视域最小小值，取取0.0001；steepmiin 移动动步长最最小值，取取0.000022；Tmax 为为最大迭迭代次数数；step移动动步长sstepp = 0.1125vvisuual；为衰衰减因子子；t 为为当前迭迭代次数数；s 取取值范围围为11 ,330。visuaal可视域域，其初初值可以以取搜索索范围的的最大值值的1/4左右右；式子(2-2-11)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

28、.2.22 自适适应改进进行为人人工鱼群群算法的行行为优化化性自适应改进进行为人人工鱼群群算法的的行为优优化性主主要体现现在对各各个人工工鱼行为为寻优能能力的提提高上3。改进方式式具体改改进如下下所述：觅食行为：设人工工鱼当前前处于状状态Xi，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，若若选择状状态Xj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，此此时有两两个选择择：一个个是若当当前状态

29、态Xi不是当当前群体体的最优优状态，那那么人工工鱼就执执行随机机行为；另一个个是若当当前状态态Xi是当前前群体的的最优状状态，则则保留。聚群行为：设人工工鱼当前前处于状状态Xi，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。此此时有两两个选择择：一是是人工鱼鱼直接移移动到中中心位置置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：设人工工鱼当前前

30、处于状状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。此此时有两两个选择择：一种种方式是是人工鱼鱼直接移移动到XXmaxx1，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。人工鱼行为为的优化化，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，自适应改进行为人工鱼群算法具有很好的自适应能力和优秀的人工鱼行为，从而可以

31、更快地得到高精度的最优解。2.2.33 惩罚函函数法电池更换站站的充电电策略优优化属于于带约束束的优化化问题；自适应应改进行行为人工工鱼群算算法直接接可以用用于无约约束的优优化问题题中，而而不可以以直接用用于带约约束的优优化问题题中；那那么惩罚罚函数法法是一种种可以把把约束优优化问题题转化为为一系列列无约束束优化问问题来处处理的方方法。下下面简单单说明一一下，如如给定一一带约束束式子 (22-2-2)将带约束式式子(22-2-2)转转写成罚罚函数的的形式： (2-22-3) 式中 f(X)目标标函数；Blamee(X)惩罚罚函数，将将约束的的条件表表示成函函数的形形式；根据惩罚函函数法的的性质

32、，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X，均均可以使使Blaame(X)的的值为零零。因此此求解式式子(22-2-3)就就相当于于求解式式子(22-2-2)。基于峰谷调调节的实实时电价价系统对电动汽车车采取合合理的调调度策略略，可以以充分发发挥电动动汽车在在优化电网网运行方方面的作作用。而而电动汽汽车的充充电行为为还可以以通过制制定峰谷谷电价、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，达达到了供供

33、电侧与与用户侧侧共赢的的效果。文文献111研研究了电电动汽车车基于分分时电价价的电动动汽车有有序充电电控制策策略，以以用户充充电费用用最小作作为一级级目标，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、负负荷峰谷谷差最小小、购电电成本最最低等因因素作为为目标，进进行多目目标优化化。在改善善负荷曲曲线的同同

34、时还兼兼顾了车车主的满满意度。国内外很多基于电动汽车的电价研究都是在假设车主能够实时地响应电价的基础上所展开的。事实上用户很难响应当天制定的实时电价。基于上述，考虑到未来将有大量的电动汽车和风电接入电网，课题组提出了一种计及风电接入和车主互动意愿的实时电价模型，并引入调度的思想，优化电动汽车充放电功率，计算日前电价，并在已发布日前电价的基础上，根据风电预测功率的误差，实时地调节日前电价，形成当日电价。这种实时电价的制定方式对地区电网公司具有一定的参考价值。3.1 电电动汽车车充放电电模型文献133可知知，20020-20330年我我国私家家电动汽汽车数量量将大规规模上升升。因此此，为分分析电动

35、动汽车对对区域电电网的影影响，课课题组主主要针对对私家车车展开研研究。3.1.11 日行驶驶里程及及速度根据美国交交通部对对全美家家用车辆辆的调查查结果 (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，如如公式（33-1-1）所所示： （33-1-1）式中，DD=3.20，D= 00.888；x为行驶驶里程，0 0表示充电，Pi(t)0表示放电。一般情况下下，在用用电高峰峰时段，将将电价调调高，鼓鼓励用户户放电；而在用用电低谷谷阶段，将将电价降降低，鼓鼓励用户户充电，从而可以达到以电价引导电动汽车充放电来实现移峰填谷的目的。对于由电价升降所引发用电量的变化即弹性系数，

36、其计算公式如下所示18： (3-11-100)qt1和qqt2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。为确保车主主愿意参参与V22G，对对于这部部分用户户在电价价上具有有如下优优惠：放放电电价价为日前前电价与与当日电电价的较较大值，充充电电价价为日前前电价与与当日电电价的较较小值，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，qccha(t)为时时段t的的充电电电价；qqdisschaa(t)为时时段t的的放电电电价；qqaheead(t)为时时段t的日前前电价；qda

37、yy(t) 为时段段t的当日日电价。3.2.22 程序序设计程序以在一一个调度度周期内内，愿意意参与VV2G的的电动汽汽车充电电功率作作为染色色体个体体，采用用遗传算算法进行行优化，得得到优化化前后电电网的等等效负荷荷曲线。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。算算法流程程如图22所示。图3-2 优化算算法求解解过程优化算法求求解的主主要过程程如下：1) 输入入常规负负荷L(t)；风电电预测功功率PW,FF(t)；车车主互动动意愿率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

38、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，并并对其进进行交叉叉和多窗窗口变异异操作，产产生子代代种群。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

39、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，滚滚动计算算当日电电价。3.3.33 算例例结果以某地区典典型日负负荷数据据为基础础负荷，电电动汽车车充放电电相关参参数设置置如下：N=1000000，=0.30，qt1=0.50元/kWh，=-0.50。功率基值为100WVA。图3-3(a)，33-4(a)，33-5(a)，33-6(a)中中将优化化前后电电动汽车车的充电电功率曲曲线与风风电功率率曲线和和日负荷荷曲线叠叠加得到到包含风风电和电电动汽车车的负荷荷曲线。（a）包含含风电和和电动汽汽车的负负荷曲线线（b）日前前电价和和当日电电价的曲曲线图3-3风风电功率率曲线具具有正调

40、调峰特性性，风电渗渗透率为为60%，预测测误差为为30% 图3-3(b)，33-4(b)，33-5(b)，33-6(b)的的曲线显显示了与与之相对对应的日日前电价价和当日日电价的的曲线。日日前电价价给出了了第二天天电价的的变化趋趋势，而而当日电电价则为为修正风风电预测测功率的的误差，采采用以一一个小时时为一个个时段制制定电价价。图3-3(b)显显示了具具有正调调峰特性性的风电电功率曲曲线且风风电渗透透率为660%，预预测误差差为300%情况况下的电电价曲线线。图33-4(b)显显示了具具有正调调峰特性性的风电电功率曲曲线且风风电渗透透率为660%，预预测误差差为100%情况况下的电电价曲线线。

41、由此此可知，风风电功率率预测误误差越大大，日前前电价与与当前电电价之差差就越大大。（a）包含含风电和和电动汽汽车的负负荷曲线线（b）日前前电价和和当日电电价的曲曲线图3-4风风电功率率曲线具具有正调调峰特性性，风电渗渗透率为为60%，预测测误差为为10% （a）包含含风电和和电动汽汽车的负负荷曲线线（b）日前前电价和和当日电电价的曲曲线图3-5风风电功率率曲线具具有反调峰特特性，风电渗渗透率为为60%，预测测误差为为10%图3-5(b)显显示了具具有反调调峰特性性的风电电功率曲曲线且风风电渗透透率为660%，预预测误差差为100%情况况下的电电价曲线线。由图图3-44(b)和图33-5(b)可

42、可知，具具有反调调峰特性性的风电电功率曲曲线将导导致电网网负荷曲曲线峰谷谷差变大大以及实实时电价价曲线峰峰谷差的的拉大。（a）包含含风电和和电动汽汽车的负负荷曲线线（b）日前前电价和和当日电电价的曲曲线图3-6风风电功率率曲线具具有反调峰特特性，风电渗渗透率为为30%，预预测误差差为10%图3-6(b)显显示了具具有反调调峰特性性的风电电功率曲曲线且风风电渗透透率为330%，预预测误差差为100%情况况下的电电价曲线线。由图图3-55(b)和图33-6(b)可可知，将将具有反反调峰特特性的风风电功率率曲线接接入电网网后，风风电渗透透率越低低，电网网负荷曲曲线越平平缓，实实时电价价曲线的的峰谷差

43、差越小。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，电电网负荷荷曲线得得到了一一定程度度的改善善。4 多目标标系统控控制的充充放电机机集群控控制模型型4.1 参参数设置置的基本本思路在每日244点之前前，对电电池更换换站内的的信息进进行统计计，以进进行下一一次日前前计划的的制定。包包括站内内所有充充电机的的工作状状态、站站内所有有充电机机的故障障情况、站站内所剩剩电池的的信息（AA、B、CC各组充充已经充充好的以以及未充充电电池池的数量量）4.1.11 电池池排队理理论对于各组电电池，将将已经充充好的电电池和没没有充好好的电池池分开进进行排队队。正在在充电的的和等待待充电的的电池

44、排排成一组组，依次次进行充充电。当当充好一一块电池池时，将将其排到到已充好好电池组组队列的的末端，需需要放电电时，流流水线从从已充好好电池组组的队列列前段提提取电池池，连接接充放电电机进行行放电。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，同同时，将将用户更更换下来来的空电电池放入入未充电电电池队队列的末末端进行行排队。通过分开排排序的方方法，可可以避免免电池出出现刚充充满电就就进行放放电的情情况，有有效减少少电池的的折损情情况。4.1.22 电池池梯度利利用以半小时为为优化最最小时间间单位，优化时段为24h，根据次日的进站流量密度曲线对电

45、池更换需求进行预测，对次日的电池更换站充换电流程进行优化。认为用户换换给充电电站的电电池均已已使用至至电量阀阀值（剩剩余200%）。按照电池的健康程度，将站内的电池按一定比例（如：60%，30%，10%）分为A、B、C三组。A组为健康度较好的电池，参与正常的充电馈电行为，并可以换给用户；B组为较不健康电池，考虑到其折损情况，不再对其进行馈电操作，仅用于充电并换给用户；C组为不健康电池，其电池折损较重已不适合电动汽车日常使用，因此留在电池更换站内，进行充电和馈电的经济运作。在此之外需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%，这部部分备用用不参与与放电收收益，仅仅作

46、为换换电备用用使用。4.1.33 电池池更换站站收费制制定对于电池更更换站的的换电池池收费与与馈电电电价的计计算思路路如下：换电站年收收益率为为：其中， 为为换电站站每天换换电服务务的所有有电动汽汽车充电电量；为电池更换换站充电电损耗率率；为电池更换换站销售售电价；为电池更换换站每年年运营折折算成本本；为电池更换换站向电电网购电电电价，即即充电成成本价为电池更换换站建设设成本；F为电池更更换站每每年租赁赁电池成成本。换一块电池池的价格格=*Q*0.88，其中中Q为单单块电池池的容量量；放电价格高高于换电电价格，取取裕度110-220%。4.2 变变量设置置的基本本思路每个充电机机对应33个状态

47、态：充电电、放电电、和停停运，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率，效率率均为990%。采取快充模式进行充电。设站内的充电机总数为M，对应于电池组的分类，同样也将充电机按电池组比例分为A、B、C三组，A组充电机仅对A组电池进行充放电操作，B、C组同理。那么变量矩矩阵表示示为：（4-2-1）变量向量设设置为7720维维变量； （44-2-2）4.2.11 电池池更换站站基本设设计模型型换电站主要要包括车车辆数、备备用电池池组数、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

48、充电电时间、电电池组充充电功率率等参数数密切相相关。结结合换电电站设计计经验和和实际运运营数据据，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4-1换换电站参参数设计计模型图4-2车车辆运行行时间和和电池使使用时间间4.2.22 换电电站参数数设计模模型中基基本原则则(1)换电电站设计计时要考考虑最严严峻的情情况，也就是是要选取取一天中中高峰时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)更换换工位数数的计算算原则要要满足车车一进站站就换电电池的要要求；(3)模型型中的计计算方法法是基于于换电站站为单条条线路服服务，并且车车辆只

49、运运行一圈圈就换电电充电。在不同条件件下的换换电站核核心参数数计算公公式如下下所示:（1）车辆辆数计算算方法当 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 （44-2-3）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 （44-2-4）（2）备用用电池计计算方法法当即充电时时间大于于高峰时时间条件件下的备备用电池池为 （44-2-5）当即充电时时间小于于于高峰峰时间条条件下的的备用电电池为 （44-2-6）（3）更换换工位数数计算方方法取整 （44-2-7）（4）充电电功率计计算方法法当即充电时时间大于于高峰时时间条件件下的充充电功率

50、率为 （44-2-8）当即充电时时间小于高峰峰时间条条件下的的充电功功率为 （44-2-9）其中，Ncc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，Paave是是电池组组的平均均充电功功率，PP是充换换电站需需要配置置的充电电功率。4.2.33 核心心参数计计算主要要影响因因素根据上面的的分析，影影响换电电站配电电容量、备备用电池池组数、更更换通道道数等关关键参数数的主要要因素有有车辆运运行时间间、电池池组充电电时间、电电池更换换时间、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。这些参数可可分成两两类

51、:（1）受实实际运行行工况有有较大影影响的，需需要在设设计阶段段进行准准确估算算的参数数；1）车辆运运行时间间2）电池组组充电时时间3）电池组组充电功功率曲线线表4-1对对比了当当初换电电站设计计的核心心参数和和实际充充换电站站运行数数据，发发现在换换电站配配电容量量、车辆辆使用数数、备用用电池等等参数存存在较大大差异。表4-1换换电站设设计参数数与实际际使用情情况对比比对比内容充电时间/h车辆数/辆辆备用电池组组数/组组工位数/个个配电容量/MW设计数据3503023.2实际数据1.822.5502420.95造成核心参参数差异异大的核核心原因因是对电电池组的的充电时时间和多多组电池池同时充

52、充电的功功率计算算方法存存在较大大的误差差，原设设计中按按电池组组1000%DOOD (Deppth Of Disschaargee)放电电来计算算充电时时间，实实际上车车辆运行行过程中中由于线线路运行行长度和和运行时时间的特特点和为为应对突突发性交交通拥堵堵的情况况，车辆辆回站更更换电池池的放电电深度大大约在440%60%DODD，引起起充电时时间的设设计值与与实际值值存在较较大差异异，从而而影响车车辆的使使用数量量、备用用电池数数量以及及换电站站配电容容量。换电站电池池组充电电是按照照电池更更换的频频率投入入充电，存存在多台台充电机机同时工工作的情情况，但但由于锂锂离子电电池充电电功率在在

53、充电过过程是变变化的，虽虽然多台台充电机机同工作作，但工工作的时时间起始始点不一一样。在在原设计计中按换换电站的的最大输输出功率率的累加加和计算算配电容容量，造造成设计计值远远远大于实实际的配配电容量量。（2）根据据成本、效效益、服服务能力力综合考考虑，要要进行设设计优化化的参数数；1）高峰和和平峰发发车间隔隔2）高峰持持续时间间3）电池更更换时间间为满足交通通需求，公公交车的的运行存存在高峰峰段和平平峰段，高高峰段和和平峰段段的发车车间隔有有较大的的区别。普普通燃油油车采用用在不同同时段投投入不同同的车辆辆数来应应对高峰峰运行需需要，不不需要其其他方面面的支持持，而纯纯电动公公交车为为满足高

54、高峰运行行要求，不不仅需要要投入相相应的车车辆，同同时需要要提高换换电站的的电池更更换能力力，并增增加备用用电池组组数，对对换电站站的建设设成本和和相应的的占地面面积带来来较大的的影响。在世博会换换电站设设计过程程中，要要求高峰峰期的断断面客流流量达到到140000人人/小时时，要求求高峰期期的车辆辆的发车车间隔为为1分440秒，换换电站内内更换设设备的更更换时间间为100分钟，必必须配置置8套更更换设备备，釆用用四个更更换通道道，造成成换电站站的建设设投资增增加30000多多万，备备用电池池数达到到1200套，备备用电池池数和车车辆数的的比例达达到2:1，远远超过了了北京奥奥运会换换电站的的

55、1.44:1。经经过世博博会的实实际运行行发现，高高峰期断断面客流流量达到到140000 人/小小时持续续时间很很短，在在绝大多多数时间间内更换换设备和和备用电电池大量量闲置。4.3 目目标函数数4.3.11 考虑虑电池更更换站的的运行经经济性以电池更换换站全天天运行收收益最大大为目标标，即电电池更换换站向用用户提供供电池更更换服务务的收益益与向电电网馈电电所得的的收益总总和最大大： （4-3-11）、分别为jj时段电电池更换换站内的的馈电总总功率和和充电总总功率；、分别为jj时段电电池更换换站向电电网馈电电的电价价和从电电网买电电的电价价，为电池更更换站换换给用户户一块电电池所收收取的费费用

56、，为为固定常常数；为j时段换换给用户户的电池池数目；为单位优化化时段，即即半小时时。4.3.22 考虑虑电池更更换站内内电池的的健康利利用以电池更换换站内电电池在一一天之内内状态切切换次数数总和最最小为目目标 （44-3-2）为站内所有有电池组组1d之之内状态态切换总总次数。4.4 约约束条件件4.4.11 站内内电池总总数的约约束（4-3-3） （44-3-4）、分别为为j时段段A，BB，C三三组电池池中处于于已充好好状态的的电池数数量。、分别为为j时段段A，BB，C三三组电池池中处于于充电状状态的电电池数量量。、分别为jj时段AA、B两两组电池池中换给给用户的的数目（由由于C组组电池不不参

57、与电电池更换换，因此此不存在在）。、分别为jj时段AA、C两两组电池池中处于于放电状状态的电电池数量量（由于于B组电电池不参参与电池池更换，因因此不存存在）。4.4.22 充电电机数目目约束j时段所有有处于充充电、放放电状态态的电池池总数应应不超过过站内充充电机数数量M（4-3-5）4.4.33 用户户需求约约束站内可用于于用户更更换的电电池数量量满足当当前车辆辆换电量量，并保保证200%的裕裕度； （443-66）4.4.44 连续续充电约约束设定电池完完成一次次充电行行为需要要的时间间为 ，则在在表示站站内所有有充电机机状态的的变量矩矩阵中，对对于每台台充电机机，表示示其处于于充电状状态的

58、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4.5.11 输入入信息（1）电动动汽车电电池配置置：1）电池更更换站内内所配置置的电池池种类数数；2）每种电电池的具具体组成成结构：即每组组电池箱箱中不同同容量电电池的配配比。例例如组成成一个电电池箱需需要1220Ahh、1000Ahh和800Ah的的电池各各有几个个。（2）电池池信息：1）站内各各类电池池的数量量。例如如1200Ah、1100AAh和880Ahh的电池池各自的的总数。2）各类电电池的SSOC。3）各类电电池的健健康度信信息，即即各个电电池分属属于A、BB、C哪哪个电池池组别中中。4）各个电电池的充充放电状状态。

59、包包括充电电中、放放电中和和等待中中三种状状态。5）电池所所能承受受的最大大充电速速率与放放电速率率。6）电池的的ID信信息。在在进站时时进行扫扫描录入入，提供供电池的的基本信信息与使使用限制制。（3）充电电机信息息：1）换电池池站内所所拥有的的充电机机总数。2）各个充充电机当当前的工工作状态态（包括括充电中中、放电电中、暂暂停工作作与故障障中集中中状态）。3）充电机机的充电电功率限限值与放放电功率率限值。4）充电机机的IDD。5）充电机机上所放放电池的的ID。（4）未来来24小小时的电电价信息息，包括括电池更更换站用用电电价价与电网网购电电电价。（5）未来来24小小时的换换电需求求。（6）电

60、池池更换站站内，电电池与充充电机的的备用率率。（7）充电电与放电电最长时时长限制制。4.5.22 输出出信息充电机在下下一时段段的工作作状态安安排（包包括充电电、放电电、等待待）。充电机的充充电速率率或放电电速率。电池更换站站中突发发状况的的应对方方法5.1 充充电机故故障情况况下的处处理方式式当电池更换换站的监监测系统统检测到到某台充充电机出出现故障障时，首首先应启启动站内内配备的的备用充充电机，将将故障机机器所承承担的充充电任务务转移至至备用充充电机上上。同时时进行故故障机器器的修复复工作，完完成修复复并调试试合格后后，不进进行原有有充电任任务的再再次转移移，而是是将该台台充电机机归入电电