考慮環(huán)境因素的新能源配送汽車換電站選址路徑優(yōu)化

張永學(xué)，張婕姝

（黃河科技學(xué)院，鄭州 414100）

引言

由于新能源配送汽車電池能量密度的限制，新能源配送汽車?yán)m(xù)航里程較短，因此，為了新能源配送汽車的應(yīng)用性能，需要建設(shè)完善的換電設(shè)施。由于城市間的新能源配送汽車一般都是長途行駛，考慮到行駛距離約束，需要建立新能源配送汽車換電站。若換電站選址不當(dāng)既會(huì)影響到新能源配送汽車充電的便利性，還會(huì)對電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來不利影響。合理對系能源配送換電站選址路徑優(yōu)化，可避免盲目的進(jìn)行大規(guī)模換電設(shè)施建設(shè)，減少公共基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)與資源浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

現(xiàn)有的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法主要有兩種，一是基于雙目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法，二是基于啟發(fā)式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法?；陔p目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法，是建立集覆蓋問題和最大覆蓋問題兩個(gè)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，不預(yù)先生成所有可能的站點(diǎn)組合，只需要求解規(guī)模不大的線性問題，以對規(guī)劃問題求解；基于啟發(fā)式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法，綜合考慮電池容量，設(shè)施站點(diǎn)的服務(wù)能力，并通過約束條件刻畫用戶行駛過程中車輛的用電情況，以考慮換電站選址路徑優(yōu)化問題。這兩種方法均可以對新能源配送汽車換電站選址路徑優(yōu)化，但是優(yōu)化后存在換電站經(jīng)濟(jì)效益低與用戶換電總交通成本高的問題，為此設(shè)計(jì)一種考慮環(huán)境因素的新能源配送汽車換電站選址路徑優(yōu)化方法。

1 新能源配送汽車換電站選址約束條件設(shè)定

為用戶提供換電便利的前提是保證換電站供電可靠性與電能質(zhì)量，為此在新能源配送汽車換電站選址路徑優(yōu)化前，設(shè)定約束條件[1]。將負(fù)荷約束與電能質(zhì)量約束作為選址約束條件，如下所示。

新能源配送汽車換電站必須滿足供電可靠性，需要保證規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的換電站額定容量不小于配送汽車最大換電負(fù)荷需求。因此從負(fù)荷約束對新能源配送汽車換電站選址路徑約束，負(fù)荷約束表達(dá)式為：

式中：

N—換電站額定容量；

M—換電站內(nèi)最大換電負(fù)荷需求；

l—換電站最大傳輸容量；

x—換電站線路傳輸?shù)膶?shí)際傳輸容量[2]。

新能源配送汽車換電站選址還需要考慮到電壓質(zhì)量，配送汽車接入電網(wǎng)后會(huì)直接影響到線路的節(jié)點(diǎn)電壓，尤其是末端節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)嚴(yán)重下降，從而影響到用戶正常用電。因此，制定電能質(zhì)量約束條件[3]，其表達(dá)式為：

式中：

g—節(jié)點(diǎn)電壓偏移量；

iv—節(jié)點(diǎn)i的電壓；

M—電網(wǎng)負(fù)荷；

A—換電站總負(fù)荷。

2 新能源配送汽車換電站服務(wù)半徑測算

新能源配送汽車換電站選址是否合理[4]與服務(wù)半徑密切相關(guān)，換電站的服務(wù)半徑[5]需要滿足新能源配送汽車?yán)m(xù)駛能力的要求，如果換電站服務(wù)半徑過大，會(huì)出現(xiàn)新能源配送汽車停運(yùn)現(xiàn)象，不利于保障新能源配送汽車的續(xù)駛能力。若服務(wù)半徑過小，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q電站過于集中，從而造成資源浪費(fèi)。

通過上述分析可知，服務(wù)半徑的確定與配送汽車的續(xù)駛里程相關(guān)，則從汽車的續(xù)駛能力角度考慮換電站服務(wù)半徑。新能源配送汽車的續(xù)駛里程與新能源配送汽車動(dòng)力電池類型、容量[6]、汽車行駛速度以及電池循環(huán)壽命相關(guān)。續(xù)駛里程可認(rèn)為是新能源配送汽車開始放電狀態(tài)直到電池容許的最小荷電狀態(tài)時(shí)的行駛距離[7]，表示為：

式中：

L—新能源配送汽車開始放電到電池容許的最小荷電狀態(tài)時(shí)的行駛距離；

P—新能源配送汽車電池的放電效率；

q—汽車電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率；

w—新能源配送汽車額定下的荷電狀態(tài)；

e—汽車電池的容量；

r—新能源配送汽車額定功率。

依據(jù)上述計(jì)算得到的新能源配送汽車的續(xù)駛能力[8]，確定換電站最大服務(wù)半徑，為保證配送汽車?yán)m(xù)駛能力，其表達(dá)式為：

式中：

y—換電站最大服務(wù)半徑；

sij—換電站i與換電站j之間的距離；

L—上述計(jì)算得到的新能源配送汽車的續(xù)駛里程；o—約束條件。

通過上述計(jì)算，確定新能源配送汽車換電站的最大服務(wù)半徑。

3 新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃

對于換電站選址路徑規(guī)劃，不僅要考慮最大服務(wù)半徑，還要考慮換電站最大服務(wù)次數(shù)[9]、周圍的固定充電需求與過路充電需求。因此在上述新能源配送汽車換電站服務(wù)半徑測算完成的基礎(chǔ)上，確定換電站的最大服務(wù)次數(shù)、固定需求[10]與過路充電需求。

3.1 換電站最大服務(wù)次數(shù)

考慮換電站最大服務(wù)次數(shù)的原因是，新能源配送汽車進(jìn)行換電時(shí)，除了電池組的配置[11]決定其服務(wù)能力外，換電工位數(shù)以及換電時(shí)間都會(huì)影響換電站的服務(wù)能力。若服務(wù)等待的時(shí)間長，則會(huì)增加換電時(shí)間。服務(wù)等待內(nèi)容組成如圖1所示。

因此在規(guī)劃時(shí)，從換電工位數(shù)與換電時(shí)間兩個(gè)方面考慮該換電站最大服務(wù)次數(shù)，表達(dá)式如下：

式中：

T—換電站日均工作時(shí)間；

N—換電站所需換電工位數(shù)；

C—換電站每天最大服務(wù)次數(shù)；

V—換電時(shí)間；

f—車輛之間影響等的儲(chǔ)備系數(shù)。

3.2 固定充電需求與過路充電需求

依據(jù)上述計(jì)算計(jì)算出換電站最大服務(wù)次數(shù)，在此基礎(chǔ)上，考慮換電站最大服務(wù)次數(shù)、周圍的固定充電需求與過路充電需求[12]。過路充電需求即當(dāng)一些新能源配送汽車從某條固定路線上經(jīng)過時(shí)，出現(xiàn)的臨時(shí)充電需求，因此需要考慮這些車流量對換電站選址[13]的影響。對于過路需求，主要計(jì)算某條線路的重要程度，其計(jì)算公式為：

式中：

A—最大覆蓋用戶需求；

j—該條線路最大過路需求；

d—線路重要程度系數(shù)；

g—潛在過路顧客流量；

圖1 服務(wù)等待內(nèi)容組成

h—設(shè)施候選點(diǎn)。

通過上述計(jì)算找到總需求量最大的候選點(diǎn)[14]，然后將該點(diǎn)作為第一座換電站的選址點(diǎn)，則選址路徑表達(dá)式為：

式中：

L—總需求量最大的選址點(diǎn)；

Z—候選站址的集合；

V—待選節(jié)點(diǎn)；

b—固定需求點(diǎn)；

n—經(jīng)過需求量最大選址點(diǎn)的線路結(jié)合，即需求量最大換電站位置所能服務(wù)到的位置。

不斷迭代上述計(jì)算，尋找下一個(gè)換電站位置，直到找到要求數(shù)目的站址。

4 實(shí)驗(yàn)對比

在Windows7 系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行此次實(shí)驗(yàn)，其中服務(wù)器的硬件配置如表1。

在該實(shí)驗(yàn)背景下，將此次設(shè)計(jì)的方法與傳統(tǒng)的基于雙目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法和基于啟發(fā)式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法對比。對比這三種方法換電站選址路徑優(yōu)化后的換電站經(jīng)濟(jì)效益與用戶充電總交通成本。

4.1 換電站經(jīng)濟(jì)效益對比

經(jīng)濟(jì)效益是換電站選址路徑優(yōu)化追求的根本目標(biāo)，其收益來源主要是充電站周圍的固定充電需求與隨機(jī)分布的過路充電需求，三種方法在一天內(nèi)的換電站經(jīng)濟(jì)效益對比結(jié)果如圖2所示。

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在7：00～9：00時(shí)間段內(nèi)，屬于早高峰時(shí)期，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)三個(gè)方法的經(jīng)濟(jì)效益都相對較高。但是此次設(shè)計(jì)的方法高于基于雙目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法和基于啟發(fā)式算法的新能源配送汽車換電站選址路徑規(guī)劃方法。在12：00～2：00時(shí)間時(shí)間段與16：00～20：00時(shí)間段內(nèi)，此次設(shè)計(jì)換電站的經(jīng)濟(jì)收益的方法仍高于傳統(tǒng)兩種方法。原因是，此次方法在對新能源配送汽車換電站選址路徑優(yōu)化時(shí)，考慮到固定充電需求與過路充電需求，從而提高換電站經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 用戶充電總交通成本對比

充電總交通成本是指用戶行駛到充電站過程中消耗的成本，一些充電用戶由于交通約束或者剩余電量對續(xù)航路程的約束，追求的目標(biāo)是尋找到最近的充電站充電，即充電總交通成本最小。因此，以該指標(biāo)作為對比三種優(yōu)化方法優(yōu)化后的選址合理性，對比結(jié)果如表2所示。

表1 服務(wù)器硬件配置

圖2 換電站經(jīng)濟(jì)效益對比

表2 用戶充電總交通成本對比

由表2可知，基于雙目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的優(yōu)化方法與基于啟發(fā)式算法的換電站選址路徑優(yōu)化方法優(yōu)化后的用戶充電總交通成本較高，基本在15元以上。此次設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的用戶充電總交通成本基本在15元以下，經(jīng)過對比可知，此次設(shè)計(jì)的方法比傳統(tǒng)兩種方法的用戶充電總交通成本對比少。原因是，此次設(shè)計(jì)的方法考慮換電站服務(wù)能力與距離的關(guān)系，重點(diǎn)對新能源配送汽車換電站服務(wù)半徑測算，從而保證了新能源配送汽車換電站選址路徑優(yōu)化的合理性，減少了用戶充電總交通成本。

綜上所述，在換電站經(jīng)濟(jì)效益上，此次所設(shè)計(jì)的方法比傳統(tǒng)兩種方法的經(jīng)濟(jì)效益高，在用戶充電總交通成本上，此次設(shè)計(jì)的方法比傳統(tǒng)兩種方法交通成本低。通過上述兩個(gè)指標(biāo)對比，可充分證明所設(shè)計(jì)的考慮環(huán)境因素的新能源配送汽車換電站選址路徑優(yōu)化方法的合理性。

5 結(jié)束語

由于時(shí)間限制和數(shù)據(jù)獲取難度，此次研究的方法中還存在一定的不足，需要進(jìn)行完善與改進(jìn)，下一步的研究方向如下：

1）此次研究中雖然融入成本、充電時(shí)間等使優(yōu)化結(jié)果更優(yōu)，但是實(shí)際中的車輛類型以及客戶需求的變化等因素沒有全面考慮；

2）實(shí)際中的耗電量還受到配送汽車載重量的影響，在優(yōu)化中沒有考慮到這一因素，因此在后續(xù)研究中，研究載重量對充電量的影響；

3）換電站存在多種運(yùn)營模式，除了本文研究的換電站外，還包含充電樁、充電站等，因此在下一步的研究中將重點(diǎn)研究如何構(gòu)建完善的供電網(wǎng)絡(luò)體系。