摘要：文章基于南方某市的電動(dòng)汽車充電數(shù)據(jù)，得出各類型電動(dòng)汽車在不同日期類型的充電開始時(shí)間、充電電量、充電功率的分布規(guī)律。采用蒙特卡洛算法模擬計(jì)算了該市 2021年各類型電動(dòng)汽車工作日與休息日的充電負(fù)荷情況，結(jié)果表明，電動(dòng)私家車在休息日的午間和凌晨充電負(fù)荷要高于工作日；該市電動(dòng)出租車在工作日與休息日的充電負(fù)荷占比分別為 60．42% 、58．55% ，在三類型車中始終大; 電動(dòng)私家車工作日與休息日充電負(fù)荷曲線有較大差異，電網(wǎng)總負(fù)荷會(huì)在 19:00 達(dá)到高峰。驗(yàn)證了電動(dòng)汽車的大規(guī)模引入會(huì)增加電網(wǎng)的峰值和峰谷差，同時(shí)將充電行為數(shù)據(jù)擬合為公式，旨在為未來的電網(wǎng)擴(kuò)容建設(shè)和對(duì)電動(dòng)汽車的有序充電控制提供幫助。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電行為分析；負(fù)荷預(yù)測(cè)

0 引言

隨著環(huán)境的惡化和化石能源短缺現(xiàn)象的加劇，電動(dòng)汽車以其相對(duì)低廉的價(jià)格、契合綠色出行的理念、消納間歇性可再生能源電力等特點(diǎn)，近些年在世界范圍 內(nèi)都得到了較快的發(fā)展。而大規(guī)模電動(dòng)汽車并入電網(wǎng)給電網(wǎng)的安全帶來了嚴(yán)重的威脅。即隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的提高，會(huì)給電網(wǎng)負(fù)荷帶來了巨大的沖擊。因此，對(duì)電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于電網(wǎng)及充電樁后續(xù)的規(guī)劃建設(shè)，以及采用何種方式來緩解大規(guī)模電動(dòng)汽車充電過程對(duì)電網(wǎng)帶來的沖擊，都具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷預(yù)測(cè)可以分為從空間角度和時(shí)間角度進(jìn)行預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)研究電動(dòng)汽車在空間約束下的出行特性，采用交通起止點(diǎn)法和蒙特卡洛算法完成對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)針對(duì)電動(dòng)汽車在居民區(qū)的充電特征，建立相關(guān)模型。文獻(xiàn)以某一地區(qū)為例，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣得到居民區(qū)、工商業(yè)區(qū)電動(dòng)汽車的數(shù)量，研究不同功能區(qū)域電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的差異性。文獻(xiàn)對(duì)蒙特卡洛算法的尋優(yōu)路徑優(yōu)化，完成對(duì)電動(dòng)汽車時(shí)間尺度上的負(fù)荷預(yù)測(cè)，提高了運(yùn)算速度。

文中分析了前人研究電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷特性因素的不足之處，對(duì)某市工作日與休息日各類型車的實(shí)際充電行為數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括充電開始時(shí)間、充電電量、充電功率的分布特征。采用蒙特卡洛法計(jì)算各類型電動(dòng)汽車的負(fù)荷曲線，比較各類型車負(fù)荷曲線的差異，分析充電負(fù)荷曲線對(duì)該市電網(wǎng)負(fù)荷的影響。

1 影響電動(dòng)汽車充電負(fù)荷特性的因素

充電開始時(shí)間、充電持續(xù)時(shí)間、充電功率是影響電動(dòng)汽車充電負(fù)荷特性的關(guān)鍵因素。下文將針對(duì)其進(jìn)行分析。

1.1開始充電時(shí)間

用戶的充電開始時(shí)間取決于車輛的類型以及用戶的個(gè)人行為等。之前的研究多是以燃油車的出行特性來近似代替電動(dòng)汽車的出行特性，例如文獻(xiàn)［13］采用 NHTS( National Household Travel Survey) 的數(shù)據(jù)，將燃油汽車*后一次出行的結(jié)束時(shí)刻近似視為開始充電時(shí)間 t，如式( 1) 所示，t 與其頻率滿足正態(tài)分布，其中 μs 、 σs 分別為 t 的期望和標(biāo)準(zhǔn)差。

fs (t) =exp [ －] (1)

1.2充電持續(xù)時(shí)間

充電持續(xù)時(shí)間 Tchar 決定了充電時(shí)間的長(zhǎng)短，取決于充電電量 Q 和充電功率 P 。通過式(2) 得到，即 :

Tchar =(2)

考慮到車型的不同，充電 電量 Q 難 以確定，文獻(xiàn) ［14］研究了交通以及氣溫狀況對(duì)充電電量的影響，文獻(xiàn)將用戶每次用車時(shí)的電池電荷狀態(tài)SOC的概率密度函數(shù)(State of Charge) 視為正態(tài)分布，通過概率密度函數(shù)隨機(jī)抽取得到SOC，通過式(3) 即可得到充電 電量 Q，其中α為期望充電完成后的荷電狀態(tài)，一般來說α取為 1，E 為滿電電量。

Q = ( α - SOC) × E (3)

文獻(xiàn)亦根據(jù)NHTS的數(shù)據(jù)，將日行駛里程L視為滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布。通過式(4)得到日行駛里程 L，其中 μD 、σD 分別為 lnL 的期望和標(biāo)準(zhǔn)差。

fD (L) =exp [ －] (4)

通過式(5) ，得到充電電量 Q 。其中 S 為每公里耗 電量，α 一般取 1 。

Q = α × S × L (5)

這些做法由于缺乏實(shí)際的電動(dòng)汽車充電數(shù)據(jù)，導(dǎo)致將數(shù)量龐大的電動(dòng)汽車難以確定的滿電電量 E、每公里耗電量 S、充電功率 P 等均視為一個(gè)定值，過于理想化的設(shè)定會(huì)降低模型的精度，使得充電負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)有偏差。而文中采用的是處理后的開始充電時(shí)間、充電電量，以及充電功率這些實(shí)際充電行為數(shù)據(jù)，更加符合實(shí)際狀況。

1.3 充電功率

充電功率 P 直接決定了充電持續(xù)階段的負(fù)荷情況。文獻(xiàn)僅考慮了車輛某一充電倍率下的充電， 假設(shè)充電功率在某個(gè)范圍內(nèi)滿足均勻分布，具有一定的局限性。文獻(xiàn)采用分段函數(shù)來表示充電過程中 功率的變化情況，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確，但該模型僅針對(duì)鎳氫電池使得充電負(fù)荷結(jié)果亦具有一定的局限性。

2 電動(dòng)汽車充電行為分析

基于充電行為的差異性，以下針對(duì)各類型電動(dòng)汽車從開始充電時(shí)間、充電電量、充電功率進(jìn)行分析。

2.1公交車

公交車出行規(guī)律較為固定。為了更好地比較不同日期各類型車輛充電行為的不同，將開始充電時(shí)間、充電電量、充電功率均按照日期進(jìn)行了分類，將周一到周 五記為工作日，周六周日記為休息日。對(duì)南方某市電動(dòng)公交車充電站的充電數(shù)據(jù)，處理后得到電動(dòng)公交車不同日期的開始充電時(shí)間分布圖，如圖 1 所示。

圖 1 電動(dòng)公交車開始充電時(shí)間分布

可以發(fā)現(xiàn)公交車開始充電時(shí)間有兩個(gè)峰值，分別 為中午 12:00 附近和晚上 23:00 附近，且在 23:00 附近會(huì)達(dá)到一天中的*大峰值。 由于充電時(shí)間不同，充電 電量和功率也會(huì)不同，因此，將充電電量按照時(shí)間進(jìn)行分類，將白天定義為 7: 00 ～ 17: 00，晚上定義為 18: 00 到隔天早上 6:00 。得到電動(dòng)公交車不同日期白天和晚上的充電電量分布情況如圖 2、圖 3 所示。

圖 2 電動(dòng)公交車白天充電電量分布

圖 3 電動(dòng)公交車晚上充電電量分布

對(duì)充電電量進(jìn)行劃分，計(jì)算訂單中的每一段充電電量對(duì)應(yīng)的平均充電功率如表 1 所示，相較于直接規(guī)定以某一充電功率充電，結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。將電動(dòng)公交車定義為一天一充，其中開始充電時(shí)間、充電電量、均按照以上分布規(guī)律生成對(duì)應(yīng)的隨機(jī)數(shù)，以此來代替用戶不確定的充電行為。

2.2出租車

出租車(包括網(wǎng)約車) 同屬運(yùn)營(yíng)類車輛，近年來發(fā)展迅速。 同理得到出租車不同日期開始充電時(shí)間分布圖如圖 4 所示，白天和晚上的充電電量分布圖如圖 5、圖 6 所示。

表1 電動(dòng)公交車不同時(shí)間及充電電量下的充電功率

圖4 電動(dòng)出租車開始充電時(shí)間分布圖

總體來說工作日和休息日出租車的開始充電時(shí)間分布近似相同，主要集中在中午 12: 00 ～ 15: 00，晚上 22:00 ～1:00，接近凌晨的充電頻率略高于中午的充電頻率。

圖 5 電動(dòng)出租車白天充電電量分布

圖 6 電動(dòng)出租車晚上充電電量分布

同理對(duì)充電電量進(jìn)行分類，每一類的電量，匹配所對(duì)應(yīng)的訂單中的平均功率如表 2 所示，文中將電動(dòng)出租車的充電頻率定為一天兩次。

表 2 電動(dòng)出租車不同時(shí)間及充電電量下的充電功率

2．3 私家車

私家車主要用于上下班，大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，休息日多用于外出娛樂。對(duì)數(shù)據(jù)處理后得到電動(dòng)私家車開始充電時(shí)間分布圖如圖 7 所示，充電電量分布圖如圖 8、圖 9 所示。

圖 7 電動(dòng)私家車開始充電時(shí)間分布

圖 8 電動(dòng)私家車白天充電電量分布

路過

雞蛋

鮮花

握手

雷人