基于蒙特卡洛模擬的電動汽車充換電解決方案研究

基于蒙特卡洛模擬的電動汽車充換電解決方案研究

電動汽車的普及對社會發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。為了減少燃料和燃料汽車造成的污染，世界各國政府已促進使用電動汽車等節(jié)能汽車。電動汽車減少了運輸部門的排放，因此也減少了碳排放。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，電動汽車要比同類型燃油汽車節(jié)能50%以上，可見進一步推動電動汽車的普及應(yīng)用是非常必要的。盡管電動汽車的普及率有所提高，但市場上的一個主要制約因素是其充電基礎(chǔ)設(shè)施的局限性與各種電動汽車快速便捷充電系統(tǒng)的需求日益增長之間的矛盾。根據(jù)市場研究報告，全球電動汽車充電站市場預(yù)計在2019年至2023年期間的復(fù)合年增長率將超過33%。電動汽車是目前的熱點問題和發(fā)展趨勢，國內(nèi)外有許多專家學(xué)者對電動汽車保有量發(fā)展及充換電解決方案進行研究。蒙特卡洛方法基于數(shù)學(xué)分析以及概率統(tǒng)計衍生而成。本文以湖南省常德市為例，參考國外城市電動汽車解決方案，基于蒙特卡洛模擬方法，研究電動汽車充換電解決方案，包括充換電設(shè)施規(guī)劃、解決方案等，擬為城市電動汽車裝置規(guī)劃提供思路。1常德電動汽車充電設(shè)備規(guī)劃1.1越界預(yù)測2020年根據(jù)《常德市電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（2016-2020）》專項規(guī)劃，到2020年，常德市電動汽車總量將達至11030輛，基于此規(guī)模進行未來5年預(yù)測，以每年15%增長率為中方案，上下浮動5%為高方案和低方案，預(yù)測高方案到2025年將達至27446輛；中方案將達至22185輛；低方案將達至17764輛。1.2充電系統(tǒng)模式分類根據(jù)動力電池組技術(shù)和使用特性分為慢速充電、快速充電、電池更換三種充電模式。慢充模式：利用停運時間充電，難以滿足緊急或長距行駛要求?？斐淠Ｊ剑涸谶\行間隙快速補充電力，電流較大，對電池損害大，對技術(shù)、安全性要求較高。換電模式：對電池和車輛實行標(biāo)準(zhǔn)化、快速化的分離，專業(yè)性要求較高。充換電裝置種類及特點如表1所示。1.3國外城市電池技術(shù)創(chuàng)新英國：2017年HaloIPT公司在倫敦利用感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)為電動汽車無線充電。此技術(shù)利用感應(yīng)電荷的原理，將電源板埋藏于道路的瀝青之下。電源板既可以得到有效保護，又不會受到惡劣天氣的影響。此技術(shù)支持更大的橫向感應(yīng)范圍，汽車的電能接受墊不需要置于電源傳輸板的絕對正上方。2018年，英國政府為電池技術(shù)總計投入了2.46億英鎊，其中4200萬英鎊撥付給以下4個研發(fā)項目：（1）延長電池使用壽命，由劍橋大學(xué)牽頭。（2）電池系統(tǒng)建模，由帝國理工學(xué)院牽頭。（3）電池的循環(huán)再利用，由伯明翰大學(xué)牽頭。（4）研發(fā)新一代固態(tài)電池技術(shù)，由牛津大學(xué)牽頭。美國：2019年，普渡大學(xué)研發(fā)出異響新型電動汽車技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了電池和氫能，能量密度非常高，只需要快速補充電池液就可讓乘用車?yán)m(xù)航里程達到5000千米以上。該技術(shù)使用專利的“液流”系統(tǒng)，通過單電池液產(chǎn)生電力，為電動汽車提供動力，并且可根據(jù)需要產(chǎn)生氫能。一定里程后更換電池液，不需要再大范圍構(gòu)建充電網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)有的加油站適當(dāng)改造即可，更換后的電池液也能再利用，浪費非常少。日本：2018年由企業(yè)組團開發(fā)固態(tài)電池。該研究的最終目標(biāo)是開發(fā)出一種新型固態(tài)電池技術(shù)，能夠在2030年之前為電動汽車帶來800千米的續(xù)航能力。法國：2018年，法國ElectricLoading公司研發(fā)出最新充電技術(shù)，可以在4分鐘內(nèi)充電100%。殼牌合作IONITY，在法國開設(shè)首個高功率快速充電站。德國：為了能夠讓充電樁觸手可及，2018年，德國一家專業(yè)公司Ubitricity設(shè)計出一個將路燈改裝成充電樁的方案，隨時隨地都能讓電動汽車補充電量，把半個柏林的路燈變成充電樁。國外在充電技術(shù)和充換電設(shè)施方面的研究和實踐有所突破，對我國有一定的借鑒意義，為我國城市電動汽車充換電解決方案提供了新思路。1.4充換電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及供電方案根據(jù)《常德市電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（2016-2020）》專項規(guī)劃，結(jié)合對常德市各類電動汽車保有量的預(yù)測，對常德市電動汽車充換電裝置布局。布局原則：充電站的布局與相應(yīng)場站相結(jié)合。公交車充電站結(jié)合公交樞紐站、公交站、公交首末站等設(shè)置。短途客車充電站：結(jié)合客運車樞紐站、客車場站等設(shè)置；環(huán)衛(wèi)車充電站：結(jié)合環(huán)衛(wèi)車停車場設(shè)置。隨著城市電動汽車保有量的逐步增加以及充換電設(shè)置的逐步完善，將增加地區(qū)負荷需求，對電網(wǎng)供電能力提出更高要求。對必須建設(shè)在城市中心或電網(wǎng)薄弱地區(qū)的大中型充電站，需要在充電站建設(shè)的同時對配電網(wǎng)進行升級改造，使之滿足充電、用電的需求。充電樁采用專用配電網(wǎng)絡(luò)集中供電。在居民小區(qū)內(nèi)停車場、具備條件的政府機關(guān)和企事業(yè)單位內(nèi)的停車場等集中充電區(qū)域?qū)⒃鲈O(shè)大量充電樁，應(yīng)對配套電網(wǎng)進行改造，設(shè)專線、專網(wǎng)為充電設(shè)施供電。2基于蒙特卡洛模擬的大規(guī)模電動汽車連接對配電網(wǎng)負荷的影響2.1電價峰谷差調(diào)節(jié)規(guī)模化電動汽車充電產(chǎn)生大量負荷。本章基于蒙特卡洛模擬，以常德市為例，對電動汽車充換電設(shè)施接入對負荷產(chǎn)生的影響進行模擬。按照現(xiàn)有私人燃油汽車的使用規(guī)律，大量的電動汽車用戶將根據(jù)日常生活習(xí)慣在最后一次出行結(jié)束后集中于負荷高峰期充電，將產(chǎn)生新的負荷高峰，加劇電網(wǎng)負荷峰谷差，限制了配電網(wǎng)對電動汽車的接納能力。為此，本文提出價格管制情景，利用電價峰谷差調(diào)節(jié)電動汽車充換電負荷。2018年，常德電網(wǎng)最高負荷出現(xiàn)在夏季，選取夏季最高負荷為典型日。2.2電動汽車接入充電的必要性分析本文以《常德市電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（2016-2020）》專項規(guī)劃中2018年電動汽車保有量的統(tǒng)計為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬有價格管制情景。目前，常德市售的普通電動汽車?yán)m(xù)航里程約250～350千米，電池容量約15千瓦時。有價格管制時，大規(guī)模電動汽車接入有一定調(diào)峰填谷作用，有利于緩解電網(wǎng)建設(shè)壓力，對電網(wǎng)負荷承載能力、電能質(zhì)量、可靠性以及經(jīng)濟運行等方面都將產(chǎn)生積極影響。這一方面需要電動汽車充換電技術(shù)進步的支持，如設(shè)定低谷時段自動充電功能，可結(jié)合風(fēng)電等新能源發(fā)電特點。另一方面需要出臺相關(guān)電價政策。3電動汽車充電負荷推動配電網(wǎng)升級本文以湖南省常德市為例，對城市大量電動汽車接入問題進行研究，包括對城市配電網(wǎng)負荷的沖擊、充換電解決方案等。一是技術(shù)進步和政策支持是電動汽車普及的關(guān)鍵影響因素。技術(shù)進步包括充換電技術(shù)和電池技術(shù)；政策支撐包括電動汽車購買優(yōu)惠政策和充換電政策。二是大規(guī)模電動