基于蒙特卡洛模擬的電動(dòng)汽車充換電解決方案研究

電動(dòng)汽車的普及對(duì)社會(huì)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(guó)政府已促進(jìn)使用電動(dòng)汽車等節(jié)能汽車。電動(dòng)汽車減少了運(yùn)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(dòng)汽車要比同類型燃油汽車節(jié)能50%以上，可見(jiàn)進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車的普及應(yīng)用是非常必要的。盡管電動(dòng)汽車的普及率有所提高，但市場(chǎng)上的一個(gè)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(dòng)汽車快速便捷充電系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)之間的矛盾。根據(jù)市場(chǎng)研究報(bào)告，全球電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2019年至2023年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò)33%。電動(dòng)汽車是目前的熱點(diǎn)問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外有許多專家學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車保有量發(fā)展及充換電解決方案進(jìn)行研究。蒙特卡洛方法基于數(shù)學(xué)分析以及概率統(tǒng)計(jì)衍生而成。本文以湖南省常德市為例，參考國(guó)外城市電動(dòng)汽車解決方案，基于蒙特卡洛模擬方法，研究電動(dòng)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(dòng)汽車裝置規(guī)劃提供思路。1常德電動(dòng)汽車充電設(shè)備規(guī)劃1.1越界預(yù)測(cè)2020年根據(jù)《常德市電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（2016-2020）》專項(xiàng)規(guī)劃，到2020年，常德市電動(dòng)汽車總量將達(dá)至11030輛，基于此規(guī)模進(jìn)行未來(lái)5年預(yù)測(cè)，以每年15%增長(zhǎng)率為中方案，上下浮動(dòng)5%為高方案和低方案，預(yù)測(cè)高方案到2025年將達(dá)至27446輛；中方案將達(dá)至22185輛；低方案將達(dá)至17764輛。1.2充電系統(tǒng)模式分類根據(jù)動(dòng)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(yùn)時(shí)間充電，難以滿足緊急或長(zhǎng)距行駛要求?？斐淠Ｊ剑涸谶\(yùn)行間隙快速補(bǔ)充電力，電流較大，對(duì)電池?fù)p害大，對(duì)技術(shù)、安全性要求較高。換電模式：對(duì)電池和車輛實(shí)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(diǎn)如表1所示。1.3國(guó)外城市電池技術(shù)創(chuàng)新英國(guó)：2017年HaloIPT公司在倫敦利用感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)為電動(dòng)汽車無(wú)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(hù)，又不會(huì)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(duì)正上方。2018年，英國(guó)政府為電池技術(shù)總計(jì)投入了2.46億英鎊，其中4200萬(wàn)英鎊撥付給以下4個(gè)研發(fā)項(xiàng)目：（1）延長(zhǎng)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(guó)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(guó)：2019年，普渡大學(xué)研發(fā)出異響新型電動(dòng)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(bǔ)充電池液就可讓乘用車?yán)m(xù)航里程達(dá)到5000千米以上。該技術(shù)使用專利的“液流”系統(tǒng)，通過(guò)單電池液產(chǎn)生電力，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)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(duì)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(fèi)非常少。日本：2018年由企業(yè)組團(tuán)開(kāi)發(fā)固態(tài)電池。該研究的最終目標(biāo)是開(kāi)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(dòng)汽車帶來(lái)800千米的續(xù)航能力。法國(guó)：2018年，法國(guó)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(guó)開(kāi)設(shè)首個(gè)高功率快速充電站。德國(guó)：為了能夠讓充電樁觸手可及，2018年，德國(guó)一家專業(yè)公司Ubitricity設(shè)計(jì)出一個(gè)將路燈改裝成充電樁的方案，隨時(shí)隨地都能讓電動(dòng)汽車補(bǔ)充電量，把半個(gè)柏林的路燈變成充電樁。國(guó)外在充電技術(shù)和充換電設(shè)施方面的研究和實(shí)踐有所突破，對(duì)我國(guó)有一定的借鑒意義，為我國(guó)城市電動(dòng)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(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（2016-2020）》專項(xiàng)規(guī)劃，結(jié)合對(duì)常德市各類電動(dòng)汽車保有量的預(yù)測(cè)，對(duì)常德市電動(dòng)汽車充換電裝置布局。布局原則：充電站的布局與相應(yīng)場(chǎng)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(yùn)車樞紐站、客車場(chǎng)站等設(shè)置；環(huán)衛(wèi)車充電站：結(jié)合環(huán)衛(wèi)車停車場(chǎng)設(shè)置。隨著城市電動(dòng)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(fù)荷需求，對(duì)電網(wǎng)供電能力提出更高要求。對(duì)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(shí)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)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(chǎng)、具備條件的政府機(jī)關(guān)和企事業(yè)單位內(nèi)的停車場(chǎng)等集中充電區(qū)域?qū)⒃鲈O(shè)大量充電樁，應(yīng)對(duì)配套電網(wǎng)進(jìn)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(dòng)汽車連接對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷的影響2.1電價(jià)峰谷差調(diào)節(jié)規(guī)?；妱?dòng)汽車充電產(chǎn)生大量負(fù)荷。本章基于蒙特卡洛模擬，以常德市為例，對(duì)電動(dòng)汽車充換電設(shè)施接入對(duì)負(fù)荷產(chǎn)生的影響進(jìn)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(dòng)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(fù)荷高峰期充電，將產(chǎn)生新的負(fù)荷高峰，加劇電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，限制了配電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車的接納能力。為此，本文提出價(jià)格管制情景，利用電價(jià)峰谷差調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車充換電負(fù)荷。2018年，常德電網(wǎng)最高負(fù)荷出現(xiàn)在夏季，選取夏季最高負(fù)荷為典型日。2.2電動(dòng)汽車接入充電的必要性分析本文以《常德市電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（2016-2020）》專項(xiàng)規(guī)劃中2018年電動(dòng)汽車保有量的統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬有價(jià)格管制情景。目前，常德市售的普通電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程約250～350千米，電池容量約15千瓦時(shí)。有價(jià)格管制時(shí)，大規(guī)模電動(dòng)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(duì)電網(wǎng)負(fù)荷承載能力、電能質(zhì)量、可靠性以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面都將產(chǎn)生積極影響。這一方面需要電動(dòng)汽車充換電技術(shù)進(jìn)步的支持，如設(shè)定低谷時(shí)段自動(dòng)充電功能，可結(jié)合風(fēng)電等新能源發(fā)電特點(diǎn)。另一方面需要出臺(tái)相關(guān)電價(jià)政策。3電動(dòng)汽車充電負(fù)荷推動(dòng)配電網(wǎng)升級(jí)本文以湖南省常德市為例，對(duì)城市大量電動(dòng)汽車接入問(wèn)題進(jìn)行研究，包括對(duì)城市配電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊、充換電解決方案等。一是技術(shù)進(jìn)步和政策支持是電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵影響因素。技術(shù)進(jìn)步包括充換電技術(shù)和電池技術(shù)；政策支撐包括電動(dòng)汽車購(gòu)買優(yōu)惠政策和充換電政策。二是大規(guī)模電動(dòng)