充電站的選址優(yōu)化問(wèn)題

張海峰

摘 要：電動(dòng)汽車的推廣能夠緩解能源短缺，減少環(huán)境污染，具有重要的意義。為實(shí)施推廣，研究充電站建設(shè)的有關(guān)問(wèn)題十分必要。本文重點(diǎn)解決了充電站的數(shù)量、分配規(guī)模問(wèn)題以及充電站的發(fā)展計(jì)劃問(wèn)題。建立了充電站的選址優(yōu)化模型。

我們根據(jù)電動(dòng)汽車的充電需求總功率和每個(gè)充電站所能提供的功率，計(jì)算美國(guó)所需充電站的個(gè)數(shù)，將充電站分配給城市、郊區(qū)和農(nóng)村，并對(duì)充電站的規(guī)模和組成進(jìn)行討論。在模型運(yùn)用到愛(ài)爾蘭時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，建立以總成本最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，用Voronoi圖和粒子群算法對(duì)充電樁的分配和規(guī)劃進(jìn)行求解，得到充電站在愛(ài)爾蘭的分布和規(guī)模。

電動(dòng)汽車的發(fā)展是現(xiàn)代交通的趨勢(shì)，我們?cè)O(shè)計(jì)的模型能夠幫助建設(shè)電動(dòng)汽車充電站的網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車保有量的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)汽車的推行具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電站；選址；增長(zhǎng)預(yù)測(cè)

模型建立

1.充電站的數(shù)量

當(dāng)每個(gè)人都轉(zhuǎn)向美國(guó)的全電動(dòng)個(gè)人乘用車時(shí)，充電站需要對(duì)全美國(guó)的電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。參考有關(guān)資料，建立如下模型：

其中，n 是每個(gè)充電站的標(biāo)準(zhǔn)充電樁個(gè)數(shù)；

N 是規(guī)劃區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車的數(shù)量；

a 是每天中有充電需求的用戶所占的比例；

Qn 是平均每輛有充電需求的電動(dòng)汽車的充電量；

β 是單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)充電樁的平均功率。

2充電站的分配

我們參考空間負(fù)荷的預(yù)測(cè)模型，將把土地按性質(zhì)分成若干地塊，再把地塊用地性質(zhì)轉(zhuǎn)化為地塊用電負(fù)荷。從數(shù)學(xué)角度來(lái)講，空間負(fù)荷預(yù)測(cè)及其計(jì)算存在如下3種映射：

F（x，y） →L（z，y） →S（x，y） →St

F（x，y） 為地塊特征

L（z，y） 為土地使用面積

S（x，y） 為土地負(fù)荷

St 為地塊的總負(fù)荷。

在本題中的具體實(shí)施為：將土地按照性質(zhì)劃分為城市、郊區(qū)、農(nóng)村，經(jīng)過(guò)第一次映射，得到城市、郊區(qū)、農(nóng)村的屬性，再經(jīng)過(guò)第二次映射得到城市、郊區(qū)、農(nóng)村的充電需求負(fù)荷，經(jīng)過(guò)第三次映射（即求和），計(jì)算出全美國(guó)的充電需求負(fù)荷。

各區(qū)域電動(dòng)汽車的數(shù)量：

電動(dòng)汽車充電站屬于為居民出行提供服務(wù)的社會(huì)公共基礎(chǔ)配套設(shè)施，因此，在構(gòu)建電動(dòng)汽車充電站選址定容優(yōu)化模型時(shí)，兼顧充電站運(yùn)營(yíng)商和電動(dòng)汽車用戶二者的利益，故而需要提出綜合考慮全社會(huì)成本的充電站規(guī)劃模型。

以運(yùn)營(yíng)商總成本最小化作為電動(dòng)汽車充電站的目標(biāo)函數(shù)：

其中：c 為電動(dòng)汽車充電站在規(guī)劃期內(nèi)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)的總成本；

f1（Qi） 是第i 個(gè)充電站在規(guī)劃期內(nèi)的固定基礎(chǔ)建設(shè)成本；

f2（Qi） 是第i 個(gè)充電站在規(guī)劃期內(nèi)的運(yùn)行成本；

w 是第i 個(gè)充電站可以使用的年限；

r0 為貼現(xiàn)率；

Qi 為自變量，即第i 個(gè)充電站中的充電樁個(gè)數(shù)

第i 個(gè)充電站的建設(shè)投資年費(fèi)用

初始固定投資可以采用充電站內(nèi)充電樁數(shù)量的二階多式模型表示（此處應(yīng)有參考文獻(xiàn)），建設(shè)投資的年費(fèi)用為

式中：a1 為營(yíng)業(yè)建筑等固定不變的；

a2 為充電機(jī)購(gòu)置成本等與充電機(jī)數(shù)量成比例的相關(guān)成本；

a3 為變壓器、電纜等與充電機(jī)數(shù)量平方成比例的相關(guān)成本。

第i 個(gè)充電站的運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用

充電站的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要包含充電站的設(shè)備設(shè)施檢的修維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備折舊費(fèi)用和員工工資福利等。但在一般情況下，各項(xiàng)費(fèi)用值難以精確定量分析計(jì)算。我們?cè)诮⒛Ｐ偷倪^(guò)程中簡(jiǎn)化了各項(xiàng)費(fèi)用的計(jì)算過(guò)程，用各項(xiàng)費(fèi)用的總和表示，因此充電站的運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用可以直接按照初期充電站投資的百分比進(jìn)行估算，若比例系數(shù)[9]為μ =0.5，則充電站 的運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用為：

在該模型中需要考慮到的約束條件主要包含電動(dòng)汽車充電樁的數(shù)量限制、充電

站之間的距離限制，具體描述如下：

充電站的數(shù)量約束≧n≧1

任意兩個(gè)充電站之間的距離d ≧0

為考慮經(jīng)濟(jì)性和保障電動(dòng)汽車的行駛能力、滿足電動(dòng)汽車車主的出行需要，充電站的位置應(yīng)分布合理，既能滿足服務(wù)盡可能大的范圍，與能滿足消費(fèi)者的需求。

通過(guò)上述的分析和計(jì)算，可以確定一份全面發(fā)展電動(dòng)汽車的成長(zhǎng)計(jì)劃書。

在發(fā)展電動(dòng)汽車的初期，為鼓勵(lì)大家購(gòu)買，政府應(yīng)該出臺(tái)相應(yīng)的補(bǔ)貼政策，設(shè)立電動(dòng)汽車發(fā)展專項(xiàng)資金。在建設(shè)充電站網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先在城市建立充電站，城市的人口密度較大，根據(jù)電動(dòng)汽車的一般增長(zhǎng)模型，模仿系數(shù)也較大，電動(dòng)汽車增長(zhǎng)的速度就越快。同時(shí)，在初期可以建立大于充電需求的充電站，以提高充電站的服務(wù)效率，完善服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，吸引更多的人購(gòu)買電動(dòng)汽車。

在發(fā)展中期，電動(dòng)汽車的發(fā)展步入正軌，為繼續(xù)推動(dòng)它的發(fā)展，政府可以采用降低電動(dòng)汽車充電電價(jià)、給予稅收優(yōu)惠等政策。為完善充電站網(wǎng)絡(luò)，需要在農(nóng)村設(shè)立充電站，以推動(dòng)電動(dòng)汽車更大范圍的發(fā)展。這時(shí)，只需要建立滿足需求的充電站即可。

在發(fā)展后期，電動(dòng)汽車的發(fā)展趨于成熟，這時(shí)，政府可以停止有關(guān)有關(guān)優(yōu)惠政策。但是，電動(dòng)汽車的充電效率、電池容量可能難以滿足人們的需求，因此，政府應(yīng)該鼓勵(lì)鼓勵(lì)生產(chǎn)商對(duì)新型電池技術(shù)的研發(fā)，以匹配需求。此外，應(yīng)該不斷對(duì)充電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善和優(yōu)化，提升服務(wù)質(zhì)量。為減少成本，可以根據(jù)新增需求來(lái)增加充電站的數(shù)量。

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