基于分布式無線充電設備的電動公交車線路規(guī)劃

范艷紅， 楊奕暉， 馬茜， 顧玖， 解大

(1.國網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201499；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引 言

隨著化石能源的枯竭和能源緊缺問題的日益加重，傳統(tǒng)的燃油汽車因消耗石油且會排放尾氣污染環(huán)境，其使用受到越來越多的抵制[1]。電動汽車具有零排放和使用清潔能源的特點，其發(fā)展得到了政府的大力支持[2]。電動汽車充電樁作為給電動汽車充電的設備也引起越來越多人的關注。

目前關于電動汽車的研究包括：充電站選址、電動汽車的有序充電安排以及充電站對配電網(wǎng)的影響。文獻[3]研究了電動汽車在高速公路網(wǎng)絡中的充電需分布，采用兩階段法確定充電站的規(guī)劃方案。文獻[4]考慮充電站的運行狀態(tài)和用戶充電習慣，提出了基于電價機制激勵用戶調(diào)節(jié)充電時間的有序充電策略。文獻[5]利用歷史行駛路線來模擬電動汽車出行，利用出行特征的充電選擇來確定充電站的最優(yōu)布局方案。文獻[6]建立了電動汽車的充電負荷仿真分析模型，介紹了電動汽車充電控制的研究成果，指出了尚未解決問題的研究方向。文獻[7]研究了電動汽車的充電負荷仿真，分析了不同滲透率對電網(wǎng)的諧波影響。

為了降低停保場充電站的總?cè)萘亢蜏p輕電網(wǎng)局部的重點負荷，本文以城市短途線路和城市跨區(qū)長距離專線兩種類型公交線路作為模型，研究充電容量與投資成本、運營時間安排之間的關系，通過仿真求得無線充電設備的投運地點、運營公交車日常倒班安排和容量改善的情況。

1 電動公交車運營數(shù)學模型

1.1 公交系統(tǒng)運營要求

運營要求如表1所示，公交線路的基本數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 兩種類型線路的單日運營基礎數(shù)據(jù)

表2 兩種類型的公交線路的基本數(shù)據(jù)

1.2 車型及充電設施基礎數(shù)據(jù)

以兩種車型作為比較對象，充電公交具體數(shù)據(jù)對比如表3所示。充電樁具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 兩種電動公交對比

表4 兩種充電樁對比

1.3 容量與時間、成本的關系

1.3.1 電動汽車容量與運營時間、充電時間的關系

首先，電動公交車的容量與運行公里的關系為：

(1)

式中:k為電耗比;dC為單位電量;dL單位公里。

單程線路的運行時間Tall的計算公式如下：

Tall=Troad+Tstop

(2)

式中：Troad為行駛時間；Tstop為停站時間。

一條電動公交線路的總使用容量Cuse為：

(3)

式中：Vk、Tk為第k輛車的速度和走完單程的用時;d為發(fā)車站到最近的停保場的距離;yk為第k輛車是否需要中途去充電，當車輛的SOC中午的時候小于50%則需要充電，yk=1，否則為0。

電動公交車剩余容量Cremain為：

Cremain=Cbus-Cuse

(4)

式中：Cbus為電動公交車的總?cè)萘?；Cuse為使用的容量。

電動汽車的充電時間Tin為：

(5)

式中:η為充電效率。

1.3.2 電動汽車容量與成本的關系

常規(guī)慢充充電方式下的第i條公交線路的一次性投資成本M1i為：

M1i=niPbusl+n1Pchargerl

(6)

式中:Pbus1、Pcharger1分別為單個慢充電動公交車和慢充充電樁的價格；ni為第i條線路需要配置的公交數(shù)量。

無線充電方式下的第i條公交線路的的一次性投資成本M2i為：

M2i=miPbus2+kiPcharger2

(7)

式中:Pbus2、Pcharger2分別為單個快充電動公交車和快充充電樁的價格；mi為需要購買的快充公交車的數(shù)量；ki為需要放置的無線快充設備。

單日充電站總?cè)萘緾sum的計算公式：

(8)

式中：Ci，use為第i條線路的電動公交車單日的使用容量。

1.4 電動公交車數(shù)量優(yōu)選模型

本文首先將電動公交分為常規(guī)城市短途線路和城市跨區(qū)長距離專線兩種類型。

一條具體的公交線路上使用是快充的電動公交車還是慢充電動公交車，主要取決于單次線路里程消耗的容量與電動公交車的總?cè)萘恐g的關系。

(9)

式中：li和hi分別為第i條公交線路的全程里程和每日每輛配車的總班次。

其次需確定電動公交車的預留容量。

最后分別計算短途線路需投入的實際公交車的投運數(shù)量n和長距離專線的實際公交車的投運數(shù)量n和單日充電次數(shù)m。

(10)

(11)

式中：li為單程長度;lij為出發(fā)站到充電站的距離;ni為該線路的班車數(shù);hi為單程的班次;k為電耗比；θsoc為預留的SOC，一般慢充電動公交車的預留SOC為(40±5)%，快充電動公交車的預留SOC為(50±5)%左右。

1.5 無線充電設備選址模型

無線充電設備的選址流程如下：

步驟1：選擇電動公交車的容量。

步驟2：確定單程往返要消耗的電池容量。

步驟3：選擇合理的充電候選站址。

步驟4：檢驗容量是否匹配。如滿足要求則執(zhí)行步驟5，如果未滿足要求則執(zhí)行步驟3，直至滿足容量要求。

步驟5：檢驗容量是否匹配。

候選站臺選擇流程如圖1所示。

2 仿真分析

2.1 城市短途線路仿真結(jié)果

對于城市短途線路來說，計算可得實際投運的電動公交車為19輛；常規(guī)慢充投資成本為1 909.5萬元；該條線路對充電站總?cè)萘康男枨鬄? 047 kWh。

若使用無線充電技術，計算可得實際投運數(shù)量為15輛,單程總的充電時間為1.97 min,一次性投資成本在3 011萬元。在首末車站各設置一個無線充電設備，每個站臺充1 min即可完成充電任務。仿真結(jié)果如表5所示。

表5 城市短途線路的兩種充電方案結(jié)果對比

2.2 城市跨區(qū)長距離專線仿真結(jié)果

實際投運的電動公交車與單日充電次數(shù)的關系如表6所示。

表6 充電次數(shù)與公交數(shù)量關系

選擇40輛最優(yōu)。通過計算得出常規(guī)快充投資成本為8 033萬元,該條線路對充電站總?cè)萘康男枨鬄? 767 kWh。

若使用無線充電技術，計算可得實際投運數(shù)量等于需要的配車輛為32輛；無線充電一次性投資成本在6 416.5萬元。在首末車站各設置一個無線充電設備，每個站臺充2 min，再在里程中間設置站點充電30 s，可基本完成充電需求。仿真結(jié)果如表7所示。

表7 城市跨區(qū)長距離專線的兩種充電方案結(jié)果對比

3 結(jié)束語

本文通過對城市短途線路和城市跨區(qū)長距離專線兩種類型公交線路的研究得到以下結(jié)論：

(1)對于城市短途線路而言，采用無線充電比常規(guī)方式雖然少購買電動公交車，但是快充電動公交的單價更貴，因此投資成本要增加。

(2)對于城市跨區(qū)長距離專線而言，采用無線充電比常規(guī)方式節(jié)約了更多輛電動公交車，因為常規(guī)方式也采用快充電動公交車，所以投資成本可以大量減少。

(3)無論是哪種公交線路，采用無線充電方式都可以減少充電站(停保場)總?cè)萘吭O置，以緩解局部電網(wǎng)運行壓力。