电动汽车充电站规划布点方法研究论文_刘同同,李奇,蒋从伟,冯飞波,闫兴德,曹飞

摘要：近年来，我国电动汽车的数量越来越多，其市场投放量逐年增加，为满足电动汽车的充电需求，各省都在大力推进电动汽车充换电设施的基础建设，因此，完善的充电基础设施以及合理的充电站布点变得尤为重要。本文主要考虑电动汽车推广使用量、城市交通路网结构、车流量、配电网供电能力等方面的影响，以投运至目标年最小化充电站年综合费用为目标，考虑充电站的建设、运行等成本，以交通流量、变电站供电能力为约束条件，建立综合优化数学模型，得出电动汽车充电站的布点和规划方案。该方案适用于一般典型城市配电网中，具有一定的实用性及普遍性。

关键词：电动汽车；充电站布点；优化规划模型

引言

电动汽车作为一种新能源交通工具，具有噪音低、能源利用效率高、无移动废弃排放等特点，已成为我国重点支持的战略性新兴产业之一[1-2]。大力发展新能源电动汽车对于我国落实节能减排战略、转变经济增长方式同样具有意义：一、有利于缓解石油短缺，保障国家能源和经济安全；二、有利于减少温室气体和污染排放，应对气候变化和降低环境污染；三、有利于推进汽车产业转型升级，实现可持续发展。

因此，完善的充电基础设施以及合理的充电站布点变得尤为重要。基于此，本文重点对影响充电站布点的因素进行研究，进而建立数学模型，得出合理的普适性典型城市配网对于电动汽车充电站的布点和规划方案。

1 电动汽车充换电站布点规划研究

城市充电站的规划是一个多目标、多变量的复杂非线性优化问题[3-5]。本文主要考虑电动汽车推广使用量、城市交通路网结构、车流量、配电网供电能力等方面的影响，以投运至目标年最小化充电站年综合费用为目标，考虑充电站的建设、运行等成本，以交通流量、变电站供电能力为约束条件，建立综合优化数学模型。

2 求解过程

2.1 规划求解思路

以充电站的最大容量极限和最小容量限制预估规划区充电站的最小个数和最大个数，并设置循环变量N，针对每个N，寻找其最优的充电站站址和容量配置，在此过程中，利用坐标几何法产生初始站址，利用加权Voronoii图来实现充电站服务范围的划分，各服务分区内以用户每年在充电路程中的损耗成本和充电站线路年投资之和最小为目标来进行站址和接入位置的选择，利用排队论来进行充电站的容量优化配置。在配电网络容量约束的条件下，通过反复训练、调整分区的覆盖范围和充电站的站址，得到每个N所对应的电动汽车充电站的最优规划方案，然后以全社会成本为目标对合计种方案进行排序，选取全社会成本最小的规划方案作为规划区电动汽车充电站的最终规划方案。

3 蚌埠市中心城区局部充电站布点规划示范性演示

依据规划研究模型，对蚌埠市中心城区局部开展充换电站布点规划示例。所选区域具体路网图如下图所示。

图2-1 蚌埠城市中心区局部路网 图2-2 蚌埠城市中心区局部路网等效坐标图

根据所给的路网范围，将该局部区域等效成坐标网格，原路网图近似为梯形，按照面积等效原理基本等效成如下图2-2的2.1km×3.0 km的坐标图。该区域共有路网节点20个，路段31段，各路网节点的坐标及典型日车流量如表2.1所示。该区域有1座110kV变电站，节点序号为9，容量为2×50MVA；1座220kV变电，节点序号近似为13，容量为180 MVA （其中90MVA容量供电给所选区域）；所选区域等效有31个负荷节点，28条中压主干线路，线路型号大部分为LGJ-185。

表2.1 各路口节点坐标及车流量

单位：km，辆

3.1预估所选区域充电站的个数范围

蚌埠地区所选该区域位于市中心城区，供电区域供电总变电容量190MVA，按照容载比1.9计算可供负荷容量100 MVA；取单座充电站最小容量配置为6台充电机，最大容量配置为30台充电机，单台充电机快充功率120kW。

依据前述公式估算所选区域充换电站座数为：

Nmin=25.97×0.5/(30×120/1000) =3；

Nmax=25.97×0.5/(6×120/1000)=18。

3.2计算各方案的全社会成本

3.2.1充电站配置的配电变压器容量及台数

充电站配置的配电变压器容量及台数与充电站规模与配置的充电机数量直接相关。按照一座充电站配置6台充电机为例测算所需配变容量和台数。

图2-3 所选区域配电网络供电负荷分布点图

（1）配置6台分体式直流充电机总容量

上式中：P充电机的输出功率，单台取值120kW；为功率因数，根据规程要求功率因数应达到0.9以上，此处取0.95；为充电机工作效率，通常高频开关整流充电机取0.92；K为同时系数，取1。

（2）充电站其它设施容量需求（除充电机外）

安防系统等其他设备负荷合计约20kW计算，配置系数按照0.8计算，负荷功率因素0.95。因此，=0.8×20/0.95=16.8kVA。

（3）容量需求为

=823.8+16.8=840.6kVA

（4）供电变压器容量计算测算

变压器最佳负载率取0.8；

变压器总容量为：S=840.6/0.8 =1050.75 kVA

综上测算，配置6台充电机的单座充电站则需配置2台630kVA箱式变压器。依次其余配置测算与此类似，具体不再一一重复计算。

3.2.2计算各方案全社会成本

利用图1-1所示流程，计算结果如表2.4 所示。

表2.2 各规划方案的全社会成本

单位：万元

由表2.4可以看出，当该区域充电站的座数为5时该方案的全社会成本最小，为5105.65万元。

3.2.3充电站布局

针对充电站座数为5时的规划方案，以用户每年在充电路程中的损耗成本和充电站线路年投资之和最小为目标来进行站址和接入位置的选择，以加权Voronoi图来实现充电站服务范围的自动划分，利用排队论来进行充电站的容量优化配置，最终充电站布局和服务范围的划分如图2-4所示，充电站在配电网中的接入位置如图2-5所示，其中，5座充电站的编号分别表示为。

图2-4 充电站布局和服务范围的划分 图2-5 充电站在配电网中的接入位置

4 结论

本文对电动汽车充换电设施布点规划展开了深入研究，提出了较为实用的电动汽车充换电设施布点规划方法，为城市规划建设提供参考，具有一定的规划参考及研究价值。

参考文献

[1]王欣．大连市电动汽车充电基础设施规划探讨 [J]．规划师，2017(2)：137-144．

[2]宋志成．基于收益最大化的电动汽车充电站选址规划 [D]．南昌：华东交通大学，2014．

[3]宗敏丽．城市绿色基础设施网络构建与规划模式研究 [J]．上海城市规划，2015(3)：104-109．

[4]刘志鹏, 文福拴, 薛禹胜, 等. 电动汽车充电站的最优选址和定容[J]. 电力系统自动化, 2012(03) : 54-59.

论文作者:刘同同,李奇,蒋从伟,冯飞波,闫兴德,曹飞

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/29

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