摘要：文章基于南方某市的電動(dòng)汽車(chē)充電數據，得出各類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)在不同日期類(lèi)型的充電開(kāi)始時(shí)間、充電電量、充電功率的分布規律。采用蒙特卡洛算法模擬計算了該市 2021年各類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)工作日與休息日的充電負荷情況，結果表明，電動(dòng)私家車(chē)在休息日的午間和凌晨充電負荷要高于工作日；該市電動(dòng)出租車(chē)在工作日與休息日的充電負荷占比分別為 60．42% 、58．55% ，在三類(lèi)型車(chē)中始終大; 電動(dòng)私家車(chē)工作日與休息日充電負荷曲線(xiàn)有較大差異，電網(wǎng)總負荷會(huì )在 19:00 達到高峰。驗證了電動(dòng)汽車(chē)的大規模引入會(huì )增加電網(wǎng)的峰值和峰谷差，同時(shí)將充電行為數據擬合為公式，旨在為未來(lái)的電網(wǎng)擴容建設和對電動(dòng)汽車(chē)的有序充電控制提供幫助。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；充電行為分析；負荷預測

0 引言

隨著(zhù)環(huán)境的惡化和化石能源短缺現象的加劇，電動(dòng)汽車(chē)以其相對低廉的價(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 內都得到了較快的發(fā)展。而大規模電動(dòng)汽車(chē)并入電網(wǎng)給電網(wǎng)的安全帶來(lái)了嚴重的威脅。即隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)數量的提高，會(huì )給電網(wǎng)負荷帶來(lái)了巨大的沖擊。因此，對電動(dòng)汽車(chē)的充電負荷趨勢進(jìn)行預測，對于電網(wǎng)及充電樁后續的規劃建設，以及采用何種方式來(lái)緩解大規模電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程對電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，都具有重要的研究?jì)r(jià)值和現實(shí)意義。

針對電動(dòng)汽車(chē)充電負荷預測可以分為從空間角度和時(shí)間角度進(jìn)行預測。文獻研究電動(dòng)汽車(chē)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電動(dòng)汽車(chē)充電負荷的時(shí)空預測。文獻針對電動(dòng)汽車(chē)在居民區的充電特征，建立相關(guān)模型。文獻以某一地區為例，根據狀態(tài)轉移矩陣得到居民區、工商業(yè)區電動(dòng)汽車(chē)的數量，研究不同功能區域電動(dòng)汽車(chē)充電負荷的差異性。文獻對蒙特卡洛算法的尋優(yōu)路徑優(yōu)化，完成對電動(dòng)汽車(chē)時(shí)間尺度上的負荷預測，提高了運算速度。

文中分析了前人研究電動(dòng)汽車(chē)的充電負荷特性因素的不足之處，對某市工作日與休息日各類(lèi)型車(chē)的實(shí)際充電行為數據進(jìn)行統計分析，包括充電開(kāi)始時(shí)間、充電電量、充電功率的分布特征。采用蒙特卡洛法計算各類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)的負荷曲線(xiàn)，比較各類(lèi)型車(chē)負荷曲線(xiàn)的差異，分析充電負荷曲線(xiàn)對該市電網(wǎng)負荷的影響。

1 影響電動(dòng)汽車(chē)充電負荷特性的因素

充電開(kāi)始時(shí)間、充電持續時(shí)間、充電功率是影響電動(dòng)汽車(chē)充電負荷特性的關(guān)鍵因素。下文將針對其進(jìn)行分析。

1.1開(kāi)始充電時(shí)間

用戶(hù)的充電開(kāi)始時(shí)間取決于車(chē)輛的類(lèi)型以及用戶(hù)的個(gè)人行為等。之前的研究多是以燃油車(chē)的出行特性來(lái)近似代替電動(dòng)汽車(chē)的出行特性，例如文獻［13］采用 NHTS( National Household Travel Survey) 的數據，將燃油汽車(chē)*后一次出行的結束時(shí)刻近似視為開(kāi)始充電時(shí)間 t，如式( 1) 所示，t 與其頻率滿(mǎn)足正態(tài)分布，其中 μs 、 σs 分別為 t 的期望和標準差。

fs (t) =exp [ －] (1)

1.2充電持續時(shí)間

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

Tchar =(2)

考慮到車(chē)型的不同，充電 電量 Q 難 以確定，文獻 ［14］研究了交通以及氣溫狀況對充電電量的影響，文獻將用戶(hù)每次用車(chē)時(shí)的電池電荷狀態(tài)SOC的概率密度函數(State of Charge) 視為正態(tài)分布，通過(guò)概率密度函數隨機抽取得到SOC，通過(guò)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(lái)說(shuō)α取為 1，E 為滿(mǎn)電電量。

Q = ( α - SOC) × E (3)

文獻亦根據NHTS的數據，將日行駛里程L視為滿(mǎn)足對數正態(tài)分布。通過(guò)式(4)得到日行駛里程 L，其中 μD 、σD 分別為 lnL 的期望和標準差。

fD (L) =exp [ －] (4)

通過(guò)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(chē)充電數據，導致將數量龐大的電動(dòng)汽車(chē)難以確定的滿(mǎn)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(guò)于理想化的設定會(huì )降低模型的精度，使得充電負荷預測結果會(huì )有偏差。而文中采用的是處理后的開(kāi)始充電時(shí)間、充電電量，以及充電功率這些實(shí)際充電行為數據，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階段的負荷情況。文獻僅考慮了車(chē)輛某一充電倍率下的充電， 假設充電功率在某個(gè)范圍內滿(mǎn)足均勻分布，具有一定的局限性。文獻采用分段函數來(lái)表示充電過(guò)程中 功率的變化情況，使得結果更加準確，但該模型僅針對鎳氫電池使得充電負荷結果亦具有一定的局限性。

2 電動(dòng)汽車(chē)充電行為分析

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

2.1公交車(chē)

公交車(chē)出行規律較為固定。為了更好地比較不同日期各類(lèi)型車(chē)輛充電行為的不同，將開(kāi)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(lèi)，將周一到周 五記為工作日，周六周日記為休息日。對南方某市電動(dòng)公交車(chē)充電站的充電數據，處理后得到電動(dòng)公交車(chē)不同日期的開(kāi)始充電時(shí)間分布圖，如圖 1 所示。

圖 1 電動(dòng)公交車(chē)開(kāi)始充電時(shí)間分布

可以發(fā)現公交車(chē)開(kāi)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(lèi)，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(chē)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(chē)白天充電電量分布

圖 3 電動(dòng)公交車(chē)晚上充電電量分布

對充電電量進(jìn)行劃分，計算訂單中的每一段充電電量對應的平均充電功率如表 1 所示，相較于直接規定以某一充電功率充電，結果會(huì )更準確。將電動(dòng)公交車(chē)定義為一天一充，其中開(kāi)始充電時(shí)間、充電電量、均按照以上分布規律生成對應的隨機數，以此來(lái)代替用戶(hù)不確定的充電行為。

2.2出租車(chē)

出租車(chē)(包括網(wǎng)約車(chē)) 同屬運營(yíng)類(lèi)車(chē)輛，近年來(lái)發(fā)展迅速。 同理得到出租車(chē)不同日期開(kāi)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(chē)不同時(shí)間及充電電量下的充電功率

圖4 電動(dòng)出租車(chē)開(kāi)始充電時(shí)間分布圖

總體來(lái)說(shuō)工作日和休息日出租車(chē)的開(kāi)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(chē)白天充電電量分布

圖 6 電動(dòng)出租車(chē)晚上充電電量分布

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

表 2 電動(dòng)出租車(chē)不同時(shí)間及充電電量下的充電功率

2．3 私家車(chē)

私家車(chē)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(lè )。對數據處理后得到電動(dòng)私家車(chē)開(kāi)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(chē)開(kāi)始充電時(shí)間分布

圖 8 電動(dòng)私家車(chē)白天充電電量分布

路過(guò)

雞蛋

鮮花

握手

雷人