區(qū)域電動汽車充電站的布局規(guī)劃與設(shè)計

于順鵬 王偉

【摘 要】隨著國民經(jīng)濟水平的提升，建設(shè)電動汽車充電站成為電動汽車普及的基礎(chǔ)。在完善高效能源供給和拓展電力市場需求的同時推動我國電動汽車行業(yè)的發(fā)展。本文在基于電動汽車充電站規(guī)模及位置的前提下建立最優(yōu)規(guī)劃模型，同時利用層次分析法給出候選站址權(quán)系數(shù)，模擬電動汽車數(shù)量，并加入充電站網(wǎng)損、運行等費用，結(jié)果顯示該模型具有一定的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】電動汽車充電站 區(qū)域 布局規(guī)劃 設(shè)計

近年來城市經(jīng)濟的高速發(fā)展不可避免地帶來能源危機，許多國家都將汽車工業(yè)作為本國經(jīng)濟快速發(fā)展的關(guān)鍵，但傳統(tǒng)汽車工業(yè)的發(fā)展強烈依賴石油能源，電動汽車以其特有的優(yōu)勢成為新能源汽車發(fā)展的主要方向。

電動汽車充電站作為電動汽車的重要能源供給場所，其布局規(guī)劃與設(shè)計也就成為了當(dāng)今必須研究的課題，本文將規(guī)劃區(qū)分為多個區(qū)域，以電動汽車充電站營運的實際收益為目標(biāo)，在每個區(qū)域內(nèi)給出充電站候選站址的權(quán)系數(shù)，最終得到規(guī)劃方案。

1電動汽車充電站相關(guān)概述

充電系統(tǒng)是純電動汽車的重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。廣義上的電動汽車充電系統(tǒng)泛指將公共電網(wǎng)或發(fā)電裝置的電能轉(zhuǎn)變?yōu)樾铍姵氐碾娀瘜W(xué)能的各種模態(tài)的變流裝置的總稱。充電站、車載充電機、地面充電機，電機驅(qū)動系統(tǒng)中的能量回收裝置等都應(yīng)納入電動汽車充電系統(tǒng)的范疇。

電動汽車站充電站是城市基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施之一，主要為各種電動汽車提供動力電池電能。從車輛充電地點來看可分為私人充電樁、公共停車場充電站和集中充電站等，從電能供給角度可分為直流充電站和交流充電站，從電池能量角度又可分為電池更換站和整車充電站。

2區(qū)域電動汽車充電站的布局規(guī)劃

2.1 區(qū)域電動汽車數(shù)量模型

本文研究電動汽車充電站的布局規(guī)劃，將規(guī)劃區(qū)分為多個區(qū)域，在每個區(qū)域中設(shè)置充電站候選站址權(quán)系數(shù)來滿足電動汽車用戶充電需求和配網(wǎng)負荷要求，從而建立以電動汽車充電站營運的實際收益目標(biāo)模型，同時計算每個區(qū)域的電動汽車規(guī)模和最優(yōu)站址，最終得到規(guī)劃區(qū)域的電動汽車充電站規(guī)劃方案。負荷預(yù)測是其中的重要環(huán)節(jié)。

負荷預(yù)測就是對負荷現(xiàn)狀和歷史資料進行整理和收集，運用切合實際的科學(xué)方法及發(fā)展規(guī)律對負荷未來發(fā)展趨勢進行預(yù)測。從數(shù)學(xué)角度其預(yù)測計算方法有以下幾種映射：

其中F、L和S分為代表地塊特征、土地使用面積、土地負荷。地塊總負荷為St，本文研究確定居民負荷分布數(shù)量、位置參考負荷預(yù)測模型。假設(shè)規(guī)劃區(qū)域每天有充電需求的電動汽車平均總量為1%，電動汽車總量設(shè)為N，布局規(guī)劃區(qū)域內(nèi)電動汽車數(shù)量方程式為：

將規(guī)劃區(qū)根據(jù)充電站數(shù)量分為多個區(qū)域，在每個區(qū)域中建立充電站，電動汽車數(shù)量會受區(qū)域居民負荷影響，如果電動汽車充電站建設(shè)規(guī)模一致，必然會出現(xiàn)供不應(yīng)求和資源浪費現(xiàn)象。

2.2 確定站址權(quán)系數(shù)

系統(tǒng)工程理論中的層次分析法是把復(fù)雜問題中的各個因素劃分為條理清晰的互相關(guān)聯(lián)有序?qū)哟?，使決策多準(zhǔn)則和多目標(biāo)。傳統(tǒng)方法在評斷復(fù)雜對象系統(tǒng)涉及多個復(fù)雜因素，所以難以給出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型及個因素權(quán)系數(shù)。本文采用層次分析法引入人為因素給出候選站址的權(quán)系數(shù)。確定站址權(quán)系數(shù)后對電動車汽車充電站從征地代價、便利性及交通流量等方面的可實施性權(quán)重進行充分考慮。其中第1層為u=（u1，u2，u3），即便利性、交通流量和征地代價，第2層為u1=（u11，u12，u13）、U2=（u21、u22、u23）和u3=（u31、u32），即組成的地塊費用、道路狀況、路口數(shù)、車輛速度、主要干道、造成影響、面積等因素。

2.3 電動汽車充電站新模型

本文所建立的優(yōu)化模型充分考慮到充電站安裝和維護費用及從投運至目標(biāo)年最大化充電站運營收益。C1為電動汽車充電站初期安裝費用，C2為充電站運行時網(wǎng)損費用，C3為維護費用，C4為實際運行收益，具體公式為：

單個充電站整體費用包括人工工資、材料費用和電站維護費用等成本，投運至最初目標(biāo)設(shè)定的運行費用可設(shè)置折算系數(shù)為α，由以下公式表示：

由以下公式計算充電網(wǎng)損C3：

上述供述分別包括充電站側(cè)配點變壓器損耗費用、配電變壓器銅耗，鐵耗費用、單臺充電機的平均功率、變電站到充電站線損費用、區(qū)域電動汽車數(shù)量及充電率等。

3 區(qū)域電動汽車充電站的設(shè)計

3.1 建設(shè)依據(jù)

國家電網(wǎng)公司對推動電動汽車發(fā)展有著積極的促進作用。電動汽車能源供給體系對電動汽車產(chǎn)業(yè)的重要性不可言喻，當(dāng)電動汽車動力電池電能消耗到一定程度就必須對電池充電實現(xiàn)電能補充，滿足電動汽車的循環(huán)使用。本文設(shè)計主要滿足《電動汽車充電設(shè)施項目管理規(guī)定》、《電動汽車電動汽車充電站設(shè)計規(guī)范》、《電動汽車電動汽車充電站技術(shù)導(dǎo)則》、《國家電網(wǎng)公司電動汽車充電設(shè)施設(shè)計》等相關(guān)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范。

3.2 建設(shè)方案，配電系統(tǒng)

本文外電源供電方案參考《電動汽車充電設(shè)施建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》中的“供電系統(tǒng)”相關(guān)規(guī)定并結(jié)合各地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃。10KV架空線路電纜下線1回，為10KV主供電源接入點，線路長約0.05公里，接入新建400kVA桿上變壓器且頂管過丁字路至電室。本設(shè)計方案按照國家電網(wǎng)公司對電動汽車充電設(shè)施典型方案設(shè)計要求，選用單回路10kV電源路線作為高壓側(cè)，采用一主一備的雙路進線作為低壓0.4kV，配置單臺配電變壓器和單母線接線方式。同時安裝有源濾波無功補償裝置于電動汽車充電站中，采用以下簡易算法計算充電機容量：

本文研究案例在棚架頂部和建筑物樓頂設(shè)置避雷帶，以此防止雷擊。采用圓鋼在屋面組成不大于10m*10m或12m*8m的網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)于棚架頂、屋頂，之后用-50*5扁鋼沿墻面多點引下，電動汽車充電站主接地網(wǎng)以水平接地體為主，以垂直接地體為輔，用50*5熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體，選用滿足熱穩(wěn)定要求并以考慮腐蝕因素等作為接地材料。

4 結(jié)語

綜上所述，近年來汽車的大規(guī)模發(fā)展產(chǎn)生了大量的有害氣體使環(huán)境受到嚴重影響，發(fā)展新能源汽車能夠大大緩解能源環(huán)境壓力。本文在布局規(guī)劃和設(shè)計中充分考慮了電動汽車充電站配電網(wǎng)變、地理位置、交通等各方面因素，并結(jié)合上述因素建立模型，實際表明該設(shè)計模型具備較強的可行性，但需對電動汽車充電負荷變化的影響因素進行進一步研究。

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