电动汽车充电站规划模型及评价方法

张成，滕欢

（四川大学电气信息学院，成都610065）

电动汽车充电站规划模型及评价方法

张成，滕欢

（四川大学电气信息学院，成都610065）

电动汽车充电站是电动汽车相关基础设施的重要组成部分，也是电动汽车未来大规模应用的必要前提。首先用网格法确定规划区充电站站址，并提出了负荷率控制系数和充电负荷密集区等概念，接着建立了充电站规划模型和充电站盈利模型。运用充电站负荷率、投资回收期、充电行驶里程和综合满意度4类评价指标对充电站的选址与整体经济性进行了评价。案例分析表明了规划方法的有效性和适应性。

电动汽车；充电站；评价指标；规划

电动汽车是新能源汽车的主要发展方向，具有广阔的市场前景和重大的经济、社会、环保等战略意义[1-4]。

国内外学者从电动汽车使用对电力系统的影响[5，6]、电动汽车充电电价的确定[7]、计及入网电动汽车不确定的随机经济调度[8]、电动汽车与智能电网的标准化工作[9]和电动汽车充电站的选址定容[10，11]以及电动汽车充电站的运营模式[12，13]等方面做了较多的研究工作。对于电动汽车充电站选址定容方面的研究可以分为2类：①从充电站运营商的角度出发，以充电站投资运营成本最小建立目标函数；②从社会的角度出发，以充电公司和充电者总成本最小建立目标函数。文献[11]和文献[14]分别采用计及地理因素和服务半径的2步筛选法和面向充电需求的不规则分区法确定站址，以充电站的投资、运行及维护成本最小为目标建立目标函数来确定站容；文献[10]认为电动汽车充电站选址与规模的确定既要考虑因电网改建、土地购置、环境治理等成本，又要考虑充电站建成后的社会效益，使充电公司和充电者总成本最小，并采用2阶段算法进行计算：即第1阶段确定充电站站址，第2阶段确定充电站站容。目前对于电动汽车充电站的规划主要是从经济性出发对其选址布点与容量的研究，对于确定模型如何评价却很少涉及。

基于此，本文以网格法确定充电站站址，并提出相应的站容规划模型和充电站盈利模型；为了评价充电站设计的合理性以及比较不同充电站规划方式的优劣，提出了充电站负荷率、投资回收期、充电行驶里程和综合满意度等4类评价指标。通过实例分析，证明了该方法的有效性。

1 充电站规划

1.1 规划原则

充电站的建设必须遵循就近服务原则和发展与市场需求保持一致等原则。若其建设规模与速度落后于市场需求，则会阻碍电动汽车的推广；若供大于求，则容易造成土地、设备、资金等资源的浪费。此外，充电站的设置还应满足城市总体规划和路网规划要求[15]。

1.2 规划模型

1.2.1 充电站规划模型

本文用网格法[16]确定充电站站址，该方法基于各区域机会均等和充电站就近供电原则，自动考虑电动汽车充电负荷分布情况，具体步骤如下。

步骤1根据可能的最大充电站个数对规划区（不含已有充电站）进行冗余均等网格划分，并以各网格中心作为候选充电站站址。

（1）确定新建充电站个数N的范围[Nmin，Nmax]。

（2）把规划区均等地划分成（Nmax+1）2个区域，以形成（Nmax+1）2个网格，然后将各网格的几何中心作为充电站的候选初始位置，此时充电站的候选个数N=（Nmax+1）2。

步骤2记录当前的N个初始位置，把电动汽车充电负荷分配给邻近的候选充电站站址。

步骤3选出带充电负荷最小的候选充电站将其舍弃，充电站的候选个数N的值减小1。

步骤4若N>Nmin，则返回步骤2，否则继续。

步骤5得到所有N∈[Nmin，Nmax]的充电站位置。

按此方法逐步减少充电站个数，并最终确定合适的充电站站址。把距同一充电站距离相等或近于相等（假设偏差10%以内）的充电负荷视为一个集合，称之为充电负荷密集区。

由于负荷率控制系数e的存在，则充电站的控制日供电量应等于充电站的建设容量乘以e，为了保证每个充电站正常工作，每个充电站的平均负荷率应有一定的裕量，本文设为10%。充电站规划模型的约束条件为充电站供电能力和服务半径，但由于电动汽车充电受多种因素的影响，并不一定会选择最近的充电站充电，如最近充电站已满员需要长时间等待，则可能选择次近较空闲的充电站进行充电。

综上所述，以充电站投资、运行及维护费用最小为目标建立的充电站规划模型为

式中：C为折算到每年的充电站投资、运行及维护费用；dfix为充电站的固定投资系数；dvar为充电站的可变投资系数；dop为充电站运行维护费用折算系数；m为充电站的设计使用年限；r0为年利率；Si为充电站i的建设容量；Ji为充电站i供电的充电负荷密集区；Wj为充电站i的所供充电负荷密集区中的负荷j的充电需求量；lij为第i个充电站到第j个充电负荷间距离；R为充电站允许的最大供电半径。

1.2.2 充电站盈利模型

根据我国的实际情况，充电站一般由电力供应商投资建设。设充电站的年纯收益为P，假设一定时期内充电站零售电价和上网电价恒定，建立的盈利模型为

式中：Dc为充电电价（即充电站零售电价）和上网电价差；Ncd为年充电量，指一个标准充电站运营商每年提供给电动汽车的充电总量，其最大供电量受式（4）中第一个约束条件的限制。

2 评价指标

对于评价充电站设计的合理性程度以及比较不同充电站规划方式的优劣，本文提出了充电站负荷率、投资回收期、充电行驶里程和综合满意度等4个评价指标，作为进一步分析充电站布局合理性及充电站效益评估的基本依据。

2.1 充电站的日负荷率

某个充电站的实际日负荷率η等于该充电站的日售电量除以该充电站的建设日供电能力，即

式中：N1为充电负荷密集区的个数；Bij为第j个充电负荷密集区分配到第i个充电站的电动车数；Wij为电动汽车日充电需求量。

所有充电站的日平均负荷率等于各个充电站负荷率的算术平均值，即

2.2 投资回收期

投资回收期是投资者收回成本的最短期限。由前所述，充电站的年纯收益为P，则总投资模型为

式中：Ai为i个充电站建设的总投资额；i0为基准收益率（即在贷款利率的基础上再加5%风险系数）。由此可得第i个充电站的投资回收期Ti为

代入相应的充电站建站的总投资、年纯收益等参数，可计算得到整个地区充电站整体投资回收期、在现有布局的条件下第i个充电站的投资回收期和充电站的平均投资回收期。

2.3 充电行驶里程（空驶里程）

为充电而行驶的里程显然是越小越有利于减少交通拥挤、无效能耗和时间，其相应的充电行驶里程计算公式为

式中：Di为第i个充电站的电动汽车的日平均充电里程；Dij为第j个充电负荷密集区到第i个充电站的距离为所有电动汽车的日平均充电里程。

2.4 综合满意度

对于某个充电站而言单个评价指标的高低并不能完全决定其设计的优劣。因为电动汽车选择某个充电站进行充电可能受多种不确定因素影响，充电者希望充电行驶里程越小越好。因此，综合充电站和充电者各方利益，建立综合评价指标，即综合满意度为

式中：Zm，i为第i个充电站的日综合满意度，其值越大说明该充电站设计越合理，反之，则相对较差；Ti为第i个充电站投资回收期（一年取365 d）；ε为平衡量纲为某规划区所有充电站的日平均综合满意度。

3 案例分析

本文以电动汽车处于商业运行阶段的某规划区作为讨论对象，示范阶段和公益变化阶段暂不做讨论[14]。设某规划区拥有电动汽车1 800辆，按照第1节的方法最终确定的充电站个数为3个，并且充电负荷密集区为4个。最终各充电站的充电车辆数ZD、各充电负荷密集区实际分配到各充电站的车辆数如表1所示，各充电负荷密集区到各充电站的平均距离如表2所示。

假设每辆车平均每天充电2次，平均每次充电30 kW·h，平均每次充电时间为1 h，此规划区的平均电价差价为0.1元/（kW·h），年利率r0为8%，充电站的设计使用年限均为30 a，则充电站的评价标准，如表3所示。

由表3可知，充电站Z3的设计最好。

表1 各充电站的车辆分布Tab.1Vehicle distribution of each charging station千辆

表2 各充电站的距离分布Tab.2Distance distribution of each charging station km

表3 充电站评价标准Tab.3Evaluation criterions of charging station

4 结语

本文利用网格法确定了充电站站址，建立了相应的站容规划模型和充电站盈利模型；为了衡量模型的有效性，比较其他规划方法的优劣性，还提出了充电站负荷率、投资回收期、充电行驶里程和综合满意度4项评价指标；通过实例验证了该方法的有效性。

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Planning Model and Evaluation Method for Electric Vehicle Charging Station

ZHANG Cheng，TENG Huan
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The charging station is an important component of the electric vehicle's infrastructure.It is also the prerequisite of future′s large scale application of electric vehicles.This paper uses grid method to determine the sites of charging station in the planning area，and proposes two new concepts including the load rate coefficient and charging load concentrated area.Then a charging station planning model and charging station profit model are established.At last four evaluation indexes including the charging station load rate，the investment capital，the charging trip mileage and the comprehensive satisfaction degree are proposed to evaluate the site selection and the whole economy of charging station. Analysis results show that the planning method is effective and adaptable.

electric vehicle；charging station；evaluation method；planning

TM711

A

1003-8930（2014）01-0049-04

张成（1987—），男，硕士研究生，研究方向为负荷预测，电动汽车充电站规划等。Email：624159858@qq.com

2012-03-05；

2012-03-29

滕欢（1964—），女，高级工程师，硕士生导师，研究方向为电力系统及其自动化科研、教学及工程实践。Email：434988455@qq.com