基于蒙特卡洛模拟的电动汽车充换电解决方案研究

基于蒙特卡洛模拟的电动汽车充换电解决方案研究

电动汽车的普及对社会发展具有战略意义。为了减少燃料和燃料汽车造成的污染，世界各国政府已促进使用电动汽车等节能汽车。电动汽车减少了运输部门的排放，因此也减少了碳排放。根据相关研究数据显示，电动汽车要比同类型燃油汽车节能50%以上，可见进一步推动电动汽车的普及应用是非常必要的。尽管电动汽车的普及率有所提高，但市场上的一个主要制约因素是其充电基础设施的局限性与各种电动汽车快速便捷充电系统的需求日益增长之间的矛盾。根据市场研究报告，全球电动汽车充电站市场预计在2019年至2023年期间的复合年增长率将超过33%。电动汽车是目前的热点问题和发展趋势，国内外有许多专家学者对电动汽车保有量发展及充换电解决方案进行研究。蒙特卡洛方法基于数学分析以及概率统计衍生而成。本文以湖南省常德市为例，参考国外城市电动汽车解决方案，基于蒙特卡洛模拟方法，研究电动汽车充换电解决方案，包括充换电设施规划、解决方案等，拟为城市电动汽车装置规划提供思路。1常德电动汽车充电设备规划1.1越界预测2020年根据《常德市电动汽车充电基础设施建设（2016-2020）》专项规划，到2020年，常德市电动汽车总量将达至11030辆，基于此规模进行未来5年预测，以每年15%增长率为中方案，上下浮动5%为高方案和低方案，预测高方案到2025年将达至27446辆；中方案将达至22185辆；低方案将达至17764辆。1.2充电系统模式分类根据动力电池组技术和使用特性分为慢速充电、快速充电、电池更换三种充电模式。慢充模式：利用停运时间充电，难以满足紧急或长距行驶要求。快充模式：在运行间隙快速补充电力，电流较大，对电池损害大，对技术、安全性要求较高。换电模式：对电池和车辆实行标准化、快速化的分离，专业性要求较高。充换电装置种类及特点如表1所示。1.3国外城市电池技术创新英国：2017年HaloIPT公司在伦敦利用感应式电能传输技术为电动汽车无线充电。此技术利用感应电荷的原理，将电源板埋藏于道路的沥青之下。电源板既可以得到有效保护，又不会受到恶劣天气的影响。此技术支持更大的横向感应范围，汽车的电能接受垫不需要置于电源传输板的绝对正上方。2018年，英国政府为电池技术总计投入了2.46亿英镑，其中4200万英镑拨付给以下4个研发项目：（1）延长电池使用寿命，由剑桥大学牵头。（2）电池系统建模，由帝国理工学院牵头。（3）电池的循环再利用，由伯明翰大学牵头。（4）研发新一代固态电池技术，由牛津大学牵头。美国：2019年，普渡大学研发出异响新型电动汽车技术。该技术结合了电池和氢能，能量密度非常高，只需要快速补充电池液就可让乘用车续航里程达到5000千米以上。该技术使用专利的“液流”系统，通过单电池液产生电力，为电动汽车提供动力，并且可根据需要产生氢能。一定里程后更换电池液，不需要再大范围构建充电网络，对现有的加油站适当改造即可，更换后的电池液也能再利用，浪费非常少。日本：2018年由企业组团开发固态电池。该研究的最终目标是开发出一种新型固态电池技术，能够在2030年之前为电动汽车带来800千米的续航能力。法国：2018年，法国ElectricLoading公司研发出最新充电技术，可以在4分钟内充电100%。壳牌合作IONITY，在法国开设首个高功率快速充电站。德国：为了能够让充电桩触手可及，2018年，德国一家专业公司Ubitricity设计出一个将路灯改装成充电桩的方案，随时随地都能让电动汽车补充电量，把半个柏林的路灯变成充电桩。国外在充电技术和充换电设施方面的研究和实践有所突破，对我国有一定的借鉴意义，为我国城市电动汽车充换电解决方案提供了新思路。1.4充换电网络设置及供电方案根据《常德市电动汽车充电基础设施建设（2016-2020）》专项规划，结合对常德市各类电动汽车保有量的预测，对常德市电动汽车充换电装置布局。布局原则：充电站的布局与相应场站相结合。公交车充电站结合公交枢纽站、公交站、公交首末站等设置。短途客车充电站：结合客运车枢纽站、客车场站等设置；环卫车充电站：结合环卫车停车场设置。随着城市电动汽车保有量的逐步增加以及充换电设置的逐步完善，将增加地区负荷需求，对电网供电能力提出更高要求。对必须建设在城市中心或电网薄弱地区的大中型充电站，需要在充电站建设的同时对配电网进行升级改造，使之满足充电、用电的需求。充电桩采用专用配电网络集中供电。在居民小区内停车场、具备条件的政府机关和企事业单位内的停车场等集中充电区域将增设大量充电桩，应对配套电网进行改造，设专线、专网为充电设施供电。2基于蒙特卡洛模拟的大规模电动汽车连接对配电网负荷的影响2.1电价峰谷差调节规模化电动汽车充电产生大量负荷。本章基于蒙特卡洛模拟，以常德市为例，对电动汽车充换电设施接入对负荷产生的影响进行模拟。按照现有私人燃油汽车的使用规律，大量的电动汽车用户将根据日常生活习惯在最后一次出行结束后集中于负荷高峰期充电，将产生新的负荷高峰，加剧电网负荷峰谷差，限制了配电网对电动汽车的接纳能力。为此，本文提出价格管制情景，利用电价峰谷差调节电动汽车充换电负荷。2018年，常德电网最高负荷出现在夏季，选取夏季最高负荷为典型日。2.2电动汽车接入充电的必要性分析本文以《常德市电动汽车充电基础设施建设（2016-2020）》专项规划中2018年电动汽车保有量的统计为基础数据，模拟有价格管制情景。目前，常德市售的普通电动汽车续航里程约250～350千米，电池容量约15千瓦时。有价格管制时，大规模电动汽车接入有一定调峰填谷作用，有利于缓解电网建设压力，对电网负荷承载能力、电能质量、可靠性以及经济运行等方面都将产生积极影响。这一方面需要电动汽车充换电技术进步的支持，如设定低谷时段自动充电功能，可结合风电等新能源发电特点。另一方面需要出台相关电价政策。3电动汽车充电负荷推动配电网升级本文以湖南省常德市为例，对城市大量电动汽车接入问题进行研究，包括对城市配电网负荷的冲击、充换电解决方案等。一是技术进步和政策支持是电动汽车普及的关键影响因素。技术进步包括充换电技术和电池技术；政策支撑包括电动汽车购买优惠政策和充换电政策。二是大规模电动