基于收益最大化的電動汽車充電站選址規(guī)劃

黃蕾

摘要：作為電動汽車產(chǎn)業(yè)的基本配套設(shè)施，充電站的建設(shè)位置與規(guī)模對推廣電動汽車有著重要的意義。文章針對電動汽車充電站位置和規(guī)模問題，建立了一個考慮了建設(shè)成本、運行成本、充電成本和電動汽車數(shù)量分布的收益最大化的多等級充電站選址模型；利用微分進化算法的全局尋優(yōu)能力，同時確定出充電站最大收益的建址位置、建造等級。最后通過仿真算例表明，本文所提出的最大收益模型的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：收益最大化；電動汽車；充電站；選址規(guī)劃

引言

近年來，隨著石油價格的不斷上升以及越來越突出的環(huán)境問題，促使新能源汽車迅猛發(fā)展。其中近十年來電動汽車電池技術(shù)不斷革新，電動汽車（EV）在一些歐美發(fā)達國家已經(jīng)初步形成規(guī)?；袌?，中國也提出了到2020年電動汽車（包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車等）保有量達到500萬輛的發(fā)展規(guī)劃。因此，城市電動汽車充電站規(guī)劃優(yōu)化問題變得非常有研究意義。分析了對電動汽車充電站規(guī)劃的相關(guān)影響因素，對布局規(guī)劃提出了原則性建議。提出了充電站電動汽車充電方式的優(yōu)化選址模型以及充電設(shè)施規(guī)劃的流程以及原則。通過動態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)思想，在基于硬時間窗約束下，建立了充電站布局及最優(yōu)規(guī)模的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出兩段式啟發(fā)式算法求解。研究了接人電力系統(tǒng)的電動汽車充電站對公共電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波的影響，并建立了相關(guān)仿真模型?；谂抨犝摚猿潆娫O(shè)施建設(shè)費用優(yōu)化為目標(biāo)，研究了不同配置的充電設(shè)施對電網(wǎng)負荷率的影響。

1、基于收益最大化的電動汽車充電站選址規(guī)劃

1.1、對經(jīng)濟收益的考慮

1.1.1、前期投資成本分析

在電動汽車充電站的建設(shè)需要投入大量資金，該資金主要用來支付建設(shè)項目的勘探、設(shè)計、施工和管理等產(chǎn)生費用。在建設(shè)充電站初期，需對項目建設(shè)進行土地預(yù)審、文物勘探、環(huán)境評估和自然災(zāi)害預(yù)測等工作，這些對建設(shè)位置進行可行性分析產(chǎn)生的費用前期投資成本的主要費用之一，其被統(tǒng)稱為充電站的前期準備費用。在前期準備工作完成之后，則需求單位委托有先關(guān)資質(zhì)的電動汽車充電站設(shè)計單位進行勘查作業(yè)及施工圖紙的設(shè)計，最后給出預(yù)算報告和勘察文件，這項工作需要的費用稱為充電站的設(shè)計費用，它也是前期投資成本的重要組成部分。前期投資成本還有一主要部分是充電站的建設(shè)費用，其包括充電站的設(shè)備和建筑材料采購費用、建筑工程費、安裝工程費以及其他費用，該部分占前期投資費用的2/3以上。

1.1.2、建設(shè)成本分析

建設(shè)成本是充電站的初期投資最主要費用，該部分費用由征地成本和購買充電設(shè)備成本兩部分組成。年均建設(shè)成本為充電站在整個運營周期平均分配到每一年的成本，其與充電站的運行年限和每年回收率相關(guān)。充電站規(guī)劃建設(shè)的位置和等級決定了征地費用的多少。由于城市規(guī)劃與發(fā)展不均衡，根據(jù)性質(zhì)不同大致可以分為商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和工業(yè)區(qū)三部分。在城市中心位置，有著很多名勝古跡和商業(yè)步行街等一系列以服務(wù)行業(yè)為主的區(qū)域，人流量多，各個商業(yè)都想在此區(qū)域內(nèi)發(fā)展，擴大企業(yè)知名度，因此該區(qū)域征地價格昂貴。居民區(qū)主要是人口居住的地方，其主要是為工作在該區(qū)域和當(dāng)?shù)鼐用裉峁┳∷?，該區(qū)域人流量相對少些，征地價格也相對便宜一些。工業(yè)區(qū)由于是新興區(qū)域，該區(qū)域為居民區(qū)居民提供工作崗位，也為商業(yè)區(qū)提供工業(yè)產(chǎn)品，該區(qū)域征地價格最便宜，但市人口較少。充電站的占地面積與建設(shè)等級相關(guān)，等級越高，所需要的征地面積越大，其征地費用也相應(yīng)的越高。充電站的購買充電設(shè)備費用受建設(shè)等級的影響，等級越高，充電設(shè)備需求量越大，則花費費用越多。充電站建設(shè)之后，其建設(shè)可以長期使用，其規(guī)劃有一定的目標(biāo)年限，在運行的時間內(nèi)，平均攤排到每一年的建設(shè)成本，充電站的年均建設(shè)成本Cc為征地費用和設(shè)備購買費用CBi兩部分之和。其表示為：

式中：CAi為第i個充電站單位征地面積的成本；Ai為第i個充電站的占地面積；λ為充電站的年回收率。

1.1.3、運行維護成本

電動汽車充電站的運行成本指的是充電站建成后運行期間需要耗費的成本，它包括充電設(shè)備輸出電能后向供電公司繳納的購電成本、充電機等電氣設(shè)備的電能消耗成本、充電站濾波補償裝置的運行成本以及充電站運行所需的人工成本等。其中，購電成本指的是在電動汽車充電站提供充電服務(wù)的過程中輸出電能的電量和電價的乘積，而一年的輸出電量約等于充電設(shè)備的年利用小時數(shù)乘以充電設(shè)備的額定功率。設(shè)備電能消耗成本是指充電站所有電氣設(shè)備運行期間消耗的電量乘以電價，而電氣設(shè)備一年消耗的電量約等于設(shè)備的年利用小時數(shù)乘以設(shè)備平均消耗功率。充電站濾波補償裝置運行成本是指電動汽車充電站在進行諧波過濾和無功補償時所耗費的成本。人工成本則是指充電站運行時支付給勞動者的工資以及支付的其他間接費用之和。

1.2、社會收益的考慮

對充電站社會收益的研究主要集中在減少碳排放量，合理的規(guī)劃建設(shè)能夠減少電動汽車行駛路程，在降低電能消耗的同時減小了二氧化碳的排放量。充電站的規(guī)劃建設(shè)，保障了電動汽車良好的充電，在與傳統(tǒng)汽車行駛相同路程時，電動汽車能夠有效的減少二氧化碳排放量。此外，充電站還能夠提高土地利用率和電網(wǎng)效率。從以上的總結(jié)可以看出，當(dāng)前對充電站社會收益的研究比較稀少，而且研究主要是由電動汽車產(chǎn)生的社會效益，而非充電站本身所產(chǎn)生的社會收益。本文將研究合理的充電站選址規(guī)劃對電動汽車的促進作用，增加電動汽車數(shù)量，產(chǎn)生良好的社會效益；還能夠增加電動汽車用戶充電便捷度，促進其實用電動汽車的頻繁程度，增加了充電站的社會貢獻；此外。充電站還能夠分配部分碳排放量，減少區(qū)域內(nèi)的碳排放量，以上幾點對充電站的經(jīng)濟收益有較大的影響。因此，在考慮充電站收益最大化時，對其社會收益的研究具有重要意義。

2、對電動汽車充電站選址的未來展望

本文對電動汽車充電站選址規(guī)劃社會收益的研究中，雖然在某一定程度上符合實際，但還有些地方還需進行深入研究：

1）大規(guī)模電動汽車能夠作為備用電源，充電站作為電動汽車與電網(wǎng)的連接通道。下一步制定合理充放電價格，減小電網(wǎng)的峰谷差，即能增加充電站的經(jīng)濟收益，又能增加其社會收益。

2）充電站的規(guī)劃建設(shè)所在區(qū)域，對其附近的居民、工廠就會產(chǎn)生不同的影響，下一步考慮充電站在不同區(qū)域的影響，建立全面信息的充電站選址規(guī)劃模型。

結(jié)束語

總而言之，根據(jù)以上影響充電站社會收益的分析，并將以上的社會收益轉(zhuǎn)化為充電站的經(jīng)濟收益，建立了考慮社會收益的電動汽車充電站選址規(guī)劃模型。此外，在考慮社會收益時，還把經(jīng)濟收益最大化作為充電站選址規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)，并與電動汽車增長數(shù)量、用戶滿意度和低碳收益等多模型行比較分析。

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