中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01 研究背景
隨著電動(dòng)汽車充電需求的爆發(fā)式增長，充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)受到了廣泛關(guān)注。目前公共充電設(shè)施建設(shè)仍存在供需分布不均、出行高峰充電困難的問題。尤其是在充電網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低的村鎮(zhèn)、鄉(xiāng)縣地區(qū)，這一問題更加嚴(yán)重。財(cái)政部、工信部、交通運(yùn)輸部《關(guān)于開展縣域充換電設(shè)施補(bǔ)短板試點(diǎn)工作的通知》中要求加強(qiáng)重點(diǎn)村鎮(zhèn)新能源汽車充換電設(shè)施規(guī)劃建設(shè)，力爭實(shí)現(xiàn)充換電基礎(chǔ)設(shè)施“鄉(xiāng)鄉(xiāng)全覆蓋”。為推動(dòng)電動(dòng)汽車下鄉(xiāng)、促進(jìn)鄉(xiāng)村全面振興，有必要完善區(qū)、縣、鄉(xiāng)級(jí)公共充電設(shè)施規(guī)劃方法，促進(jìn)新能源汽車的全面均衡發(fā)展。
02 區(qū)縣級(jí)充電設(shè)施規(guī)劃的特點(diǎn)
隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市、城鎮(zhèn)間的公路交通日益便捷，區(qū)縣作為城市和鄉(xiāng)村間的橋梁，其充電設(shè)施的合理規(guī)劃能使電動(dòng)汽車長途出行時(shí)具有更多的充電選擇，進(jìn)而促進(jìn)電動(dòng)汽車的普及。區(qū)縣公共快充站主要的服務(wù)對(duì)象包括：1）本地私家車、運(yùn)營車輛的日常充電需求；2）自駕鄉(xiāng)村旅游時(shí)出現(xiàn)的臨時(shí)充電需求；3）沿公路途經(jīng)區(qū)縣時(shí)產(chǎn)生的緊急充電需求。沿高速公路前往或途徑區(qū)縣的自駕游旅客一般選擇在休息日或節(jié)假日出行，同時(shí)游客數(shù)量與旅游淡季和旺季密切相關(guān)，因此不同場(chǎng)景下的仿真車輛總數(shù)和時(shí)空分布特征具有差異。此外，與本地短途出行不同，長途旅客一般具有嚴(yán)格的既定行程，因此對(duì)充電引起的繞行具有更低的容忍度，充電過程中周邊各類型場(chǎng)所的充裕程度也將影響用戶的滿意度。為描述用戶權(quán)衡多種影響因素時(shí)的理性過程，建立用戶充電決策模型如圖1所示。圖1 區(qū)縣級(jí)電動(dòng)汽車用戶充電選擇示意圖
03 區(qū)縣級(jí)電動(dòng)汽車用戶充電行為建模
3.1 電動(dòng)汽車快速充電需求仿真
與城市場(chǎng)景相比，區(qū)縣級(jí)路網(wǎng)相對(duì)稀疏，電動(dòng)汽車滲透率較低。根據(jù)區(qū)縣電動(dòng)汽車需求的時(shí)空分布，對(duì)路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及出行鏈仿真過程進(jìn)行改進(jìn)。將路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分為居民區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)、旅游區(qū)和外部連接點(diǎn)。其中，外部連接節(jié)點(diǎn)為區(qū)縣與外界雙向連通的交點(diǎn)，用于描述區(qū)域車流的輸入來源和輸出去向。
3.2 電動(dòng)汽車用戶充電成本函數(shù)
考慮到多個(gè)充電站之間的競(jìng)爭，單一充電站通常不能吸引所有產(chǎn)生充電需求的用戶。本文綜合考慮影響用戶充電選擇意愿的多方面因素，包括繞行距離、充電費(fèi)用、充電站擁擠度以及周邊設(shè)施吸引力，通過充電成本函數(shù)量化車主前往各充電站所需費(fèi)用和降低滿意度的隱性成本。
3.3 電動(dòng)汽車用戶充電決策模型
基于用戶均衡的充電決策模型一般假設(shè)所有決策者完全理性，并且能夠精確獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的充電選擇信息，從而準(zhǔn)確計(jì)算自身的成本函數(shù)。然而在交通系統(tǒng)信息化、智能化水平較低的區(qū)縣場(chǎng)景下，電動(dòng)汽車用戶可能無法準(zhǔn)確觀測(cè)到實(shí)時(shí)路況、充電樁使用狀態(tài)等信息，將做出使自身效用變差的非最優(yōu)選擇。因此，考慮電動(dòng)汽車用戶的有限理性，本文使用隨機(jī)用戶均衡描述用戶充電決策過程。對(duì)于多項(xiàng)式Logit形式的量子反應(yīng)均衡（quantum response equilibrium,QRE），車主i在場(chǎng)景ω選擇充電站n的概率如下：
04 區(qū)縣級(jí)快充站規(guī)劃模型及求解方法
建立區(qū)縣級(jí)快充站選址定容的二階段隨機(jī)優(yōu)化模型，以最小化充電站投資、運(yùn)行成本和用戶繞行距離為目標(biāo)，同時(shí)滿足電力容量、用戶均衡等約束。由于QRE相關(guān)約束非凸，所提模型難以使用全局優(yōu)化方法進(jìn)行求解，本文通過松弛和分段線性化方法對(duì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化。圖2展示了指數(shù)等式約束單邊松弛和分段線性化的過程。
圖2 指數(shù)等式形式的QRE約束線性化方法
采用松弛-收緊方法，將指數(shù)等式形式的QRE約束松弛為不等式約束，再向目標(biāo)函數(shù)中引入懲罰項(xiàng)使最優(yōu)解趨近于邊界，引入懲罰項(xiàng)后的目標(biāo)函數(shù)見原文式（23）。然后，使用分段仿射函數(shù)對(duì)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行近似，約束條件見原文式（24）。
05 算例分析
使用33節(jié)點(diǎn)交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)縣級(jí)電動(dòng)汽車快充站規(guī)劃，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該區(qū)縣通過節(jié)點(diǎn)12、17、25、33與外部區(qū)域相連，各節(jié)點(diǎn)的功能屬性由與其相鄰的區(qū)塊類型反映。
圖3 33節(jié)點(diǎn)交通系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
構(gòu)建4個(gè)快充需求的典型場(chǎng)景如表1所示。假設(shè)區(qū)縣內(nèi)車輛總數(shù)在旅游淡季和旺季分別為12萬、20萬輛，電動(dòng)汽車滲透率為5%，則仿真車輛數(shù)分別為6000和10000輛。將出行鏈起始點(diǎn)中外部連接節(jié)點(diǎn)占比設(shè)置為0.01和0.40，分別對(duì)應(yīng)外來輸入車流較小、較大的情況。
表1 電動(dòng)汽車快充需求典型場(chǎng)景
場(chǎng)景3和場(chǎng)景4的仿真結(jié)果如圖4所示，一日內(nèi)分別產(chǎn)生712、750車次的快充需求。
圖4 場(chǎng)景3、4下快充需求仿真結(jié)果
根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可知，需要建設(shè)12個(gè)待選充電站中的5個(gè)，總電力容量為4.042 MW，總投資成本為115萬元，總運(yùn)行維護(hù)成本為190.2萬元/年。本文分析了車主前往各充電站的成本分布情況，以及各充電站的充電負(fù)荷功率，如圖5和圖6所示，以說明充電站建設(shè)方案的合理性。
圖5 場(chǎng)景3下電動(dòng)汽車用戶充電成本箱線圖
圖6 場(chǎng)景4下充電功率曲線
本文還分析了指數(shù)等式約束線性近似的結(jié)果，如圖7所示，以說明松弛-收緊方法的有效性。
圖7 場(chǎng)景1下指數(shù)等式約束線性化誤差分析
06 結(jié)語
本文針對(duì)區(qū)縣電動(dòng)汽車的充電需求，對(duì)考慮隨機(jī)用戶均衡約束的快充站規(guī)劃方法展開研究：1）將出行鏈仿真模型擴(kuò)展到區(qū)縣場(chǎng)景中，通過外部連接節(jié)點(diǎn)捕捉外來車輛的快充需求，能夠更準(zhǔn)確地模擬區(qū)縣用戶的充電需求時(shí)空分布，提高充電站的運(yùn)行效率和運(yùn)營收益。2）提出考慮多種影響因素的用戶充電決策模型，采用隨機(jī)用戶均衡反映區(qū)縣用戶充電選擇過程中的有限理性，符合用戶間非合作博弈的情況，避免充電站運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過度擁擠問題。3）建立區(qū)縣電動(dòng)汽車快充站規(guī)劃模型，并嵌入用戶充電決策模型，能夠體現(xiàn)用戶選擇對(duì)規(guī)劃方案的影響。通過多種線性化手段處理Logit均衡約束，使優(yōu)化模型便于求解。
