電動汽車充電站規劃模型及評價方法

張成，滕歡

（四川大學電氣信息學院，成都610065）

電動汽車充電站規劃模型及評價方法

張成，滕歡

（四川大學電氣信息學院，成都610065）

電動汽車充電站是電動汽車相關基礎設施的重要組成部分，也是電動汽車未來大規模應用的必要前提。首先用網格法確定規劃區充電站站址，并提出了負荷率控制系數和充電負荷密集區等概念，接著建立了充電站規劃模型和充電站盈利模型。運用充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度4類評價指標對充電站的選址與整體經濟性進行了評價。案例分析表明了規劃方法的有效性和適應性。

電動汽車；充電站；評價指標；規劃

電動汽車是新能源汽車的主要發展方向，具有廣闊的市場前景和重大的經濟、社會、環保等戰略意義[1-4]。

國內外學者從電動汽車使用對電力系統的影響[5，6]、電動汽車充電電價的確定[7]、計及入網電動汽車不確定的隨機經濟調度[8]、電動汽車與智能電網的標準化工作[9]和電動汽車充電站的選址定容[10，11]以及電動汽車充電站的運營模式[12，13]等方面做了較多的研究工作。對于電動汽車充電站選址定容方面的研究可以分為2類：①從充電站運營商的角度出發，以充電站投資運營成本最小建立目標函數；②從社會的角度出發，以充電公司和充電者總成本最小建立目標函數。文獻[11]和文獻[14]分別采用計及地理因素和服務半徑的2步篩選法和面向充電需求的不規則分區法確定站址，以充電站的投資、運行及維護成本最小為目標建立目標函數來確定站容；文獻[10]認為電動汽車充電站選址與規模的確定既要考慮因電網改建、土地購置、環境治理等成本，又要考慮充電站建成后的社會效益，使充電公司和充電者總成本最小，并采用2階段算法進行計算：即第1階段確定充電站站址，第2階段確定充電站站容。目前對于電動汽車充電站的規劃主要是從經濟性出發對其選址布點與容量的研究，對于確定模型如何評價卻很少涉及。

基于此，本文以網格法確定充電站站址，并提出相應的站容規劃模型和充電站盈利模型；為了評價充電站設計的合理性以及比較不同充電站規劃方式的優劣，提出了充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度等4類評價指標。通過實例分析，證明了該方法的有效性。

1 充電站規劃

1.1 規劃原則

充電站的建設必須遵循就近服務原則和發展與市場需求保持一致等原則。若其建設規模與速度落后于市場需求，則會阻礙電動汽車的推廣；若供大于求，則容易造成土地、設備、資金等資源的浪費。此外，充電站的設置還應滿足城市總體規劃和路網規劃要求[15]。

1.2 規劃模型

1.2.1 充電站規劃模型

本文用網格法[16]確定充電站站址，該方法基于各區域機會均等和充電站就近供電原則，自動考慮電動汽車充電負荷分布情況，具體步驟如下。

步驟1根據可能的最大充電站個數對規劃區（不含已有充電站）進行冗余均等網格劃分，并以各網格中心作為候選充電站站址。

（1）確定新建充電站個數N的范圍[Nmin，Nmax]。

（2）把規劃區均等地劃分成（Nmax+1）2個區域，以形成（Nmax+1）2個網格，然后將各網格的幾何中心作為充電站的候選初始位置，此時充電站的候選個數N=（Nmax+1）2。

步驟2記錄當前的N個初始位置，把電動汽車充電負荷分配給鄰近的候選充電站站址。

步驟3選出帶充電負荷最小的候選充電站將其舍棄，充電站的候選個數N的值減小1。

步驟4若N>Nmin，則返回步驟2，否則繼續。

步驟5得到所有N∈[Nmin，Nmax]的充電站位置。

按此方法逐步減少充電站個數，并最終確定合適的充電站站址。把距同一充電站距離相等或近于相等（假設偏差10%以內）的充電負荷視為一個集合，稱之為充電負荷密集區。

由于負荷率控制系數e的存在，則充電站的控制日供電量應等于充電站的建設容量乘以e，為了保證每個充電站正常工作，每個充電站的平均負荷率應有一定的裕量，本文設為10%。充電站規劃模型的約束條件為充電站供電能力和服務半徑，但由于電動汽車充電受多種因素的影響，并不一定會選擇最近的充電站充電，如最近充電站已滿員需要長時間等待，則可能選擇次近較空閑的充電站進行充電。

綜上所述，以充電站投資、運行及維護費用最小為目標建立的充電站規劃模型為

式中：C為折算到每年的充電站投資、運行及維護費用；dfix為充電站的固定投資系數；dvar為充電站的可變投資系數；dop為充電站運行維護費用折算系數；m為充電站的設計使用年限；r0為年利率；Si為充電站i的建設容量；Ji為充電站i供電的充電負荷密集區；Wj為充電站i的所供充電負荷密集區中的負荷j的充電需求量；lij為第i個充電站到第j個充電負荷間距離；R為充電站允許的最大供電半徑。

1.2.2 充電站盈利模型

根據我國的實際情況，充電站一般由電力供應商投資建設。設充電站的年純收益為P，假設一定時期內充電站零售電價和上網電價恒定，建立的盈利模型為

式中：Dc為充電電價（即充電站零售電價）和上網電價差；Ncd為年充電量，指一個標準充電站運營商每年提供給電動汽車的充電總量，其最大供電量受式（4）中第一個約束條件的限制。

2 評價指標

對于評價充電站設計的合理性程度以及比較不同充電站規劃方式的優劣，本文提出了充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度等4個評價指標，作為進一步分析充電站布局合理性及充電站效益評估的基本依據。

2.1 充電站的日負荷率

某個充電站的實際日負荷率η等于該充電站的日售電量除以該充電站的建設日供電能力，即

式中：N1為充電負荷密集區的個數；Bij為第j個充電負荷密集區分配到第i個充電站的電動車數；Wij為電動汽車日充電需求量。

所有充電站的日平均負荷率等于各個充電站負荷率的算術平均值，即

2.2 投資回收期

投資回收期是投資者收回成本的最短期限。由前所述，充電站的年純收益為P，則總投資模型為

式中：Ai為i個充電站建設的總投資額；i0為基準收益率（即在貸款利率的基礎上再加5%風險系數）。由此可得第i個充電站的投資回收期Ti為

代入相應的充電站建站的總投資、年純收益等參數，可計算得到整個地區充電站整體投資回收期、在現有布局的條件下第i個充電站的投資回收期和充電站的平均投資回收期。

2.3 充電行駛里程（空駛里程）

為充電而行駛的里程顯然是越小越有利于減少交通擁擠、無效能耗和時間，其相應的充電行駛里程計算公式為

式中：Di為第i個充電站的電動汽車的日平均充電里程；Dij為第j個充電負荷密集區到第i個充電站的距離為所有電動汽車的日平均充電里程。

2.4 綜合滿意度

對于某個充電站而言單個評價指標的高低并不能完全決定其設計的優劣。因為電動汽車選擇某個充電站進行充電可能受多種不確定因素影響，充電者希望充電行駛里程越小越好。因此，綜合充電站和充電者各方利益，建立綜合評價指標，即綜合滿意度為

式中：Zm，i為第i個充電站的日綜合滿意度，其值越大說明該充電站設計越合理，反之，則相對較差；Ti為第i個充電站投資回收期（一年取365 d）；ε為平衡量綱為某規劃區所有充電站的日平均綜合滿意度。

3 案例分析

本文以電動汽車處于商業運行階段的某規劃區作為討論對象，示范階段和公益變化階段暫不做討論[14]。設某規劃區擁有電動汽車1 800輛，按照第1節的方法最終確定的充電站個數為3個，并且充電負荷密集區為4個。最終各充電站的充電車輛數ZD、各充電負荷密集區實際分配到各充電站的車輛數如表1所示，各充電負荷密集區到各充電站的平均距離如表2所示。

假設每輛車平均每天充電2次，平均每次充電30 kW·h，平均每次充電時間為1 h，此規劃區的平均電價差價為0.1元/（kW·h），年利率r0為8%，充電站的設計使用年限均為30 a，則充電站的評價標準，如表3所示。

由表3可知，充電站Z3的設計最好。

表1 各充電站的車輛分布Tab.1Vehicle distribution of each charging station千輛

表2 各充電站的距離分布Tab.2Distance distribution of each charging station km

表3 充電站評價標準Tab.3Evaluation criterions of charging station

4 結語

本文利用網格法確定了充電站站址，建立了相應的站容規劃模型和充電站盈利模型；為了衡量模型的有效性，比較其他規劃方法的優劣性，還提出了充電站負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度4項評價指標；通過實例驗證了該方法的有效性。

[1]陳良亮，張浩，倪峰，等（Chen Liangliang，Zhang Hao，Ni Feng，et al）．電動汽車能源供給設施建設現狀與發展探討（Present situation and development trend for construc

tion of electric vehicle energy supply infrastructure）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2011，35（14）：11-17．

[2]劉穎利，張洪波（Liu Yingli，Zhang Hongbo）．深圳龍崗新能源應用實驗基地的建設（New energy experimental base construction in Longgang Shenzhen）[J]．電力需求側管理（Power Demand Side Management），2011，13（2）：52-54．

[3]高賜威，張亮（Gao Ciwei，Zhang Liang）．電動汽車充電對電網影響的綜述（A survey of influence of electric vehicle charging on power grid）[J]．電網技術（Power System Technology），2011，35（2）：127-131．

[4]張文亮，武斌，李武峰，等（Zhang Wenliang，Wu Bin，Li Wufeng，et al）．我國純電動汽車的發展方向及能源供給模式的探討（Discussion on development trend of batteryelectricvehiclesinChinaanditsenergysupplymode）[J]．電網技術（Power System Technology），2009，33（4）：1-5．

[5]Clement-Nyns K，Haesen E，Driesen J．The impact of charging plug-in hybrid electric vehicles on a residential distribution grid[J]．IEEE Trans on Power Systems，2010，25（1）：371-380．

[6]盧艷霞，張秀敏，蒲孝文（Lu Yanxia，Zhang Xiumin，Pu Xiaowen）．電動汽車充電站諧波分析（Harmonic study of electric vehicle chargers）[J]．電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（3）：51-54．

[7]騰耘，胡天軍，衛振林（Teng Yun，Hu Tianjun，Wei Zhenlin）．電動汽車充電電價定價分析（Analysis on charge price of electric vehicle）[J]．交通運輸系統工程與信息（Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology），2008，8（3）：126-130．

[8]趙俊華，文福栓，薛禹勝，等（Zhao Junhua，Wen Fushuan，Xue Yusheng，et al）．計及電動汽車和風電出力不確定性的隨機經濟調度（Power system stochastic economic dispatch considering uncertain outputs from plugin electric vehicles and wind generators）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（20）：22-29．

[9]陸翌，陳新琪（Lu Yi，Chen Xinqi）．2011年國際供電會議系列報道電動汽車和智能電網的標準化工作（A review of CIRED 2011 on standardization activities regarding electric vehicles and smart grid）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2012，36（1）：6-9，95．

[10]任玉瓏，史樂峰，張謙，等（Ren Yulong，Shi Lefeng，Zhang Qian，et al）．電動汽車充電站最優分布和規模研究（Optimal distribution and scale of charging stations for electric vehicles）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2011，35（14）：53-57．

[11]劉志鵬，文福拴，薛禹勝，等（Liu Zhipeng，Wen Fushuan，Xue Yusheng，et al）．電動汽車充電站的最優選址和定容（Optimal sitting and sizing of electric vehicle charging stations）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2012，36（3）：54-59．

[12]周逢權，連湛偉，王曉雷，等（Zhou Fengquan，Lian Zhanwei，Wang Xiaolei，et al）．電動汽車充電站運營模式探析（Discussion on operation mode to the electric vehicle charging station）[J]．電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2010，38（21）：63-66，71．

[13]李慧琪（Li Huiqi）．純電動汽車運營模式及經濟性探討（Discussion on operation mode and its economy to battery electric vehicle）[J]．科技管理研究（Science and Technology Management Research），2007，（7）：238-240．

[14]吳春陽，黎燦兵，杜力，等（Wu Chunyang，Li Canbing，Du Li，et al）．電動汽車充電設施規劃方法（A method for electric vehicle charging infrastructure planning）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（24）：36-39，45．

[15]徐帆，俞國勤，顧林峰，等（Xu Fan，Yu Guoqin，Gu Linfeng，et al）．電動汽車充電站布局規劃淺析（Tentative analysis of layout of electrical vehicle charging stations）[J]．華東電力（East China Electric Power），2009，37（10）：1678-1682．

[16]王成山，肖峻，羅鳳章（Wang Chengshan，Xiao Jun，Luo Fengzhang）．多層分區空間負荷預測結果綜合調整的區間方法（Interval-based multi-layer decomposed calibration method for spatial load forecasting）[J]．電力系統自動化（Automation ofElectric Power Systems），2004，28（12）：12-17．

Planning Model and Evaluation Method for Electric Vehicle Charging Station

ZHANG Cheng，TENG Huan
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The charging station is an important component of the electric vehicle's infrastructure.It is also the prerequisite of future′s large scale application of electric vehicles.This paper uses grid method to determine the sites of charging station in the planning area，and proposes two new concepts including the load rate coefficient and charging load concentrated area.Then a charging station planning model and charging station profit model are established.At last four evaluation indexes including the charging station load rate，the investment capital，the charging trip mileage and the comprehensive satisfaction degree are proposed to evaluate the site selection and the whole economy of charging station. Analysis results show that the planning method is effective and adaptable.

electric vehicle；charging station；evaluation method；planning

TM711

A

1003-8930（2014）01-0049-04

張成（1987—），男，碩士研究生，研究方向為負荷預測，電動汽車充電站規劃等。Email：624159858@qq.com

2012-03-05；

2012-03-29

滕歡（1964—），女，高級工程師，碩士生導師，研究方向為電力系統及其自動化科研、教學及工程實踐。Email：434988455@qq.com