CN106408122A - 一种换电站充放电方案的求解方法 - Google Patents

Abstract

一种换电站充放电方案的求解方法，首先提出换电站模型的假设条件，分析换电站的盈利方式，通过这些盈利方式来建立换电站最大收益目标函数，并提出约束条件，然后将换电站原始数据代入到上述模型之中。最终，得出换电站的最大收益和响应的充放电策略。根据本发明所提供的求解方法，由于该方法针对现有的电动汽车换电站最优充放电管理方法的不足，从线性优化角度提出电动汽车换电站最优充放电策略的精益化计算方法，因此该方法能够精益分析换电站最优充放电下的经济收益和能源消耗，进而找到能源消耗少而收益高的充放电管理方案，是对现有电动汽车换电站最优充放电方法的补充和完善。

Description

一种换电站充放电方案的求解方法

技术领域

本发明涉及的是一种换电站充放电方案的求解方法，其目的在于节省换电站的开支增加收益，属于数学计算与经济管理的交叉领域。

背景技术

在巴黎召开的第21届联合国气候峰会主要讨论了两大主题：温室气体减排和发展中国家对气候政策的支持。在大会中提出，21世纪的前十年是过去一万年来温度最高的十年，全球碳排放量已达到上限，控制温室气体排放已成为全世界的一项紧要任务。Boulanger A G(BoulangerA G,Chu A C,Maxx S,et al.Vehicle electrification:status and issues[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(6):1116-1138)等人发表文章指出发展电动汽车技术能够起到减少碳排放量的作用。电动汽车行业快速发展，越来越多的电动汽车被投入使用，胡泽春(胡泽春,宋永华,徐智威,等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报,2012,32(4):1-10.)等人指出大量电动汽车的无序充电会给电力系统的经济运行和安全稳定运行带来不利影响。罗卓伟(罗卓伟,胡泽春,宋永华,等.电动汽车充电负荷计算方法[J].电力系统自动化,2011,35(14):36-42.)等人的研究文章证明了电动汽车充电会使负荷增长，若对电动汽车的充电行为不加以管理，在电网负荷高峰时充电，则会加剧电网在负荷高峰时期的负担，使电网峰谷差更加严重。

针对以上问题，北京交通大学学者孙晓明(孙晓明,王玮,苏粟,姜久春.基于分时电价的电动汽车有序充电控制策略设计[J].电力系统自动化,2013,37(1):191-195)等人提出了基于分时电价的电动汽车有序充电控制策略，通过蒙特卡洛方法模拟了用户的充电行为，对比分析了无序充电和有序充电情况下的负荷状况。证明了有序充电方法能够有效地避峰填谷，错开电网负荷高峰，而在负荷低谷期进行充电。该文献提出了解决问题的建议，但没有具体说明如何进行最优充放电管理的问题，没有给出实际的操作方案。

此外，浙江大学苗轶群(苗轶群,江全元,曹一家等.微网环境下的电动汽车换电站运营策略[J].电力系统自动化,2012,36(15):33-38)研究团队提出了基于微电网的电动汽车换电站运营模式。建立了换电站充放电成本模型，结合微电网，并根据换电站内充放电装置和电池组约束，提出结合微电网的优化调度策略。通过与传统的储能电站对比，证明了换电站的削峰填谷的作用。然而该文献依然没有提出最优充放电管理的方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，针对现有的电动汽车换电站最优充放电管理方法的不足，从线性优化角度提出电动汽车换电站最优充放电策略的精益化计算方法，该方法能够精益分析换电站最优充放电下的经济收益和能源消耗，进而找到能源消耗少而收益高的充放电管理方案，是对现有电动汽车换电站最优充放电方法的补充和完善。

一种换电站充放电方案的求解方法，该方案用于调节换电站的电池充放电的时间安排来达到节能的目的，本方法是为了求解该方案的，它包括以下步骤：

步骤一，获取以下的电池充电参数：容量为C，充满时间为T小时，充电效率为η_b，则充电实际功率为P_b'＝P_b/η_b且P_b＝C/T。本实施例中电池为锂电次。

获取以下的放电参数：放电时以最大输出功率Pmax运行，放电效率为η_s，

则实际输出功率为P′_max＝P_maxη_s。

步骤二，将1日24个小时划分为288个时段，其分别对应每日的00:00—00:05，00:05—00:10，...，23:55—00:00，设t时段的电网电价为λ_t，其中t＝1,2,...,1440。将电池在第t时段内细分为Tm个充程。

步骤三，建立节能节省求解数学模型：

对换电用户收取电池租赁费，扣除了一定的电池充放电折旧费，则这部分的净收益为

f₁＝(α-α₀)N (1)

换电零售价与网上购电价格之间的差价，则这部分的净收益为

在电网负荷高峰时，换电站低充高放，向电网售电获得利润，则这部分的净收益为

式中，α是换电用户一次租赁电池的费用，α₀是换电站内的电池一次充电或放电时所需要的折旧费，N是单位时间内换电用户到换电站替换电池的需求量，λ是换电零售价，是第i次充电时的平均网上购电价格，是第i次获利时该电池的平均售电价格，是第i次获利时该电池的平均购电价格，A是单位时间内电池充放电的循环次数，C_i是第i次获利时的电池电量，且C_i≤C，

换电站数学模型模型的约束条件为

N_t+J_t+K_t+M_t+W_t＝Z (4)

其中，式(4)为换电站的总电池数平衡约束，式(5)为换电站内充电电池数量平衡约束，式(6)为换电站内放电电池数量平衡约束，式(7)为换电站内满电量电池数量平衡约束，式(8)为换电站内空电池数量平衡约束，式(9)为换电站内充电格位数量约束，

N_t是在第t时段的换电用户到换电站换电的需求量，J_t和K_t分别是第t时段换电站内满电量的电池数和空电量的电池数，Z是换电站内全部电池的数量，T_m是电池充满电所需要的充程数目，T_w是电池放完电所需的充电时段数，是换电站内第t个充电时段的第T_m个充程的正在充电的电池数量，是换电站内第t个充电时段的第T_w放程的正在放电的电池数量，X_t是备用电池数量，M_max是充电站的充电格位的总数量，

根据上述条件和换电站的式(1)(2)(3)的三种盈利方式，换电站的节能节省目标函数为

步骤三，在步骤二中的约束条件和换电站的实际条件约束下求解式(10)的最大值；

步骤四，根据步骤三的最大值结果，计算

换电站在管理时间内向电网购电的总支出为

换电站在管理时间向电网售电的总收入为

电池的充放电循环次数A为

。

本发明提供的换电站充放电方案的求解方法，还可以具有这样的特征：其中，管理时间的长度为一天24小时，充电时段个数m为1440。

本发明提供的换电站充放电方案的求解方法，还可以具有这样的特征：其中，换电站为汽车充电用换电站，电池为锂电池。

发明作用与效果

根据本发明所提供的换电站充放电方案的求解方法，由于该方法针对现有的电动汽车换电站最优充放电管理方法的不足，从线性优化角度提出电动汽车换电站最优充放电策略的精益化计算方法，因此该方法能够精益分析换电站最优充放电下的经济收益和能源消耗，进而找到能源消耗少而收益高的充放电管理方案，是对现有电动汽车换电站最优充放电方法的补充和完善。

附图说明

图1为本发明提供的换电站充放电方案的求解方法的步骤示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的换电站充放电方案的求解方法的原理、步骤、使用效果作具体阐述。

实施例

本发明方法的详细介绍。

图1为本发明提供的换电站充放电方案的求解方法的步骤示意图。

如图1所示，首先提出换电站模型的假设条件，分析换电站的盈利方式，通过这些盈利方式来建立换电站最大收益目标函数，并提出约束条件。将换电站原始数据代入到上述模型之中。最终，得出换电站的最大收益和响应的充放电策略。实际的具体步骤为：

步骤一，获取以下的电池充电参数：容量为C，充满时间为T小时，充电效率为η_b，则充电实际功率为P_b'＝P_b/η_b且P_b＝C/T，

获取以下的放电参数：放电时以最大输出功率Pmax运行，放电效率为η_s，则实际输出功率为P′_max＝P_maxη_s；

步骤二，将充放电方案的管理时间平均划分为m个充电时段，对应的第t个充电时段时段的电能成本为λ_t，其中t＝1，2，...，m，

将电池在第t时段内细分为Tm个充程；

步骤三，建立节能节省求解数学模型：

对换电用户收取电池租赁费，扣除了一定的电池充放电折旧费，则这部分的净收益为

f₁＝(α-α₀)N (1)

换电零售价与网上购电价格之间的差价，则这部分的净收益为

在电网负荷高峰时，换电站低充高放，向电网售电获得利润，则这部分的净收益为

式中，α是换电用户一次租赁电池的费用，α₀是换电站内的电池一次充电或放电时所需要的折旧费，N是单位时间内换电用户到换电站替换电池的需求量，λ是换电零售价，是第i次充电时的平均网上购电价格，是第i次获利时该电池的平均售电价格，是第i次获利时该电池的平均购电价格，A是单位时间内电池充放电的循环次数，C_i是第i次获利时的电池电量，且C_i≤C，

换电站数学模型模型的约束条件为

N_t+J_t+K_t+M_t+W_t＝Z (4)

其中，式(4)为换电站的总电池数平衡约束，式(5)为换电站内充电电池数量平衡约束，式(6)为换电站内放电电池数量平衡约束，式(7)为换电站内满电量电池数量平衡约束，式(8)为换电站内空电池数量平衡约束，式(9)为换电站内充电格位数量约束，

N_t是在第t时段的换电用户到换电站换电的需求量，J_t和K_t分别是第t时段换电站内满电量的电池数和空电量的电池数，Z是换电站内全部电池的数量，T_m是电池充满电所需要的充程数目，T_w是电池放完电所需的充电时段数，是换电站内第t个充电时段的第T_m个充程的正在充电的电池数量，是换电站内第t个充电时段的第T_w放程的正在放电的电池数量，X_t是备用电池数量，M_max是充电站的充电格位的总数量，

根据上述条件和换电站的式(1)(2)(3)的三种盈利方式，换电站的节能节省目标函数为

步骤三，在步骤二中的约束条件和换电站的实际条件约束下求解式(10)的最大值；

步骤四，根据步骤三的最大值结果，计算

换电站在管理时间内向电网购电的总支出为

换电站在管理时间向电网售电的总收入为

电池的充放电循环次数A为

实施例的作用和有益效果

根据本实施例所提供的换电站充放电方案的求解方法，由于该方法针对现有的电动汽车换电站最优充放电管理方法的不足，从线性优化角度提出电动汽车换电站最优充放电策略的精益化计算方法，因此该方法能够精益分析换电站最优充放电下的经济收益和能源消耗，进而找到能源消耗少而收益高的充放电管理方案，是对现有电动汽车换电站最优充放电方法的补充和完善。

Claims (3)

1.一种换电站充放电方案的求解方法，该方案用于调节换电站的电池充放电的时间安排来达到节省的目的，本方法是为了求解该方案的，它包括以下步骤：

步骤一，获取以下的电池充电参数：容量为C，充满时间为T小时，充电效率为η_b，则充电实际功率为P_b'＝P_b/η_b且P_b＝C/T，

获取以下的放电参数：放电时以最大输出功率Pmax运行，放电效率为η_s，则实际输出功率为P′_max＝P_maxη_s；

步骤二，将所述充放电方案的管理时间平均划分为m个充电时段，对应的第t个所述充电时段时段的电能成本为λ_t，其中t＝1，2，...，m，

将电池在第t时段内细分为Tm个充程；

步骤三，建立节能节省求解数学模型：

对换电用户收取电池租赁费，扣除了一定的电池充放电折旧费，则这部分的净收益为

f₁＝(α-α₀)N (1)

换电零售价与网上购电价格之间的差价，则这部分的净收益为

$f_2=\mathrm{\λ}CN-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\λ}}_i}C}{{\mathrm{\η}}_b}---\left(2\right)$

在电网负荷高峰时，换电站低充高放，向电网售电获得利润，则这部分的净收益为

$f_3=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}({\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{s,i}{\mathrm{\η}}_s-\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{b,i}}{{\mathrm{\λ}}_b})C_i-{\mathrm{\α}}_{0}A---\left(3\right)$

式中，α是换电用户一次租赁电池的费用，α₀是所述换电站内的电池一次充电或放电时所需要的折旧费，N是单位时间内所述换电用户到所述换电站替换电池的需求量，λ是换电零售价，是第i次充电时的平均网上购电价格，是第i次获利时该电池的平均售电价格，是第i次获利时该电池的平均购电价格，A是单位时间内电池充放电的循环次数，C_i是第i次获利时的电池电量，且C_i≤C，

换电站数学模型模型的约束条件为

N_t+J_t+K_t+M_t+W_t＝Z (4)

$\left\{\begin{array}{c}{M}_t^{\left(1\right)}+M_t^{\left(2\right)}+...+M_t^{\left(t\right)}=M_t\\ M_t^{\left(1\right)}=M_{t+1}^{\left(2\right)},M_t^{\left(2\right)}=M_{t+1}^{\left(3\right)},...,M_t^{(T_m-1)}=M_t^{(T_m-2)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{W}_t^{\left(1\right)}+W_t^{\left(2\right)}+...+W_t^{\left(t\right)}=W_t\\ W_t^{\left(1\right)}=W_{t+1}^{\left(2\right)},W_t^{\left(2\right)}=W_{t+1}^{\left(3\right)},...,W_t^{(T_w-1)}=W_{t+1}^{(T_w-2)}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$X_t+M_t^{\left(T_m\right)}+J_t=N_{t+1}+X_{t+1}+W_{t+1}^{\left(1\right)}+J_{t+1}---\left(7\right)$

$N_t+W_t^{\left(T_w\right)}+K_t=M_{t+1}^{\left(1\right)}+K_{t+1}---\left(8\right)$

$\underset{i=1}{\overset{T_m}{\Σ}}{M}_t^{\left(i\right)}\≤M_{max}---\left(9\right)$

其中，式(4)为所述换电站的总电池数平衡约束，式(5)为换电站内充电电池数量平衡约束，式(6)为换电站内放电电池数量平衡约束，式(7)为换电站内满电量电池数量平衡约束，式(8)为换电站内空电池数量平衡约束，式(9)为换电站内充电格位数量约束，

N_t是在第t时段的所述换电用户到换电站换电的需求量，J_t和K_t分别是第t时段换电站内满电量的电池数和空电量的电池数，Z是换电站内全部电池的数量，T_m是电池充满电所需要的所述充程数目，T_w是电池放完电所需的所述充电时段数，是换电站内第t个所述充电时段的第T_m个充程的正在充电的电池数量，是换电站内第t个所述充电时段的第T_w放程的正在放电的电池数量，X_t是备用电池数量，M_max是所述充电站的充电格位的总数量，

根据上述条件和所述换电站的式(1)(2)(3)的三种盈利方式，所述换电站的节能节省目标函数为

$F=(\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_0)N+\mathrm{\λ}CN+\underset{t=1}{\overset{288}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{T_w}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_t{P}_{\max }^{\′}{W}_t^{\left(i\right)}-\underset{t=1}{\overset{288}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{T_m}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_t{P}_b^{\′}{M}_t^{\left(i\right)}-{\mathrm{\α}}_{0}A---\left(10\right)$

步骤三，在步骤二中的约束条件和所述换电站的实际条件约束下求解式(10)的最大值；

步骤四，根据步骤三所述的最大值结果，计算

所述换电站在所述管理时间内向电网购电的总支出为

$F_{buy}=\underset{t=1}{\overset{288}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_t{P}_b^{\′}{M}_t---\left(11\right)$

所述换电站在所述管理时间向电网售电的总收入为

$F_{sell}=\underset{t=1}{\overset{288}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_t{P}_{max}^{\′}{W}_t---\left(12\right)$

所述电池的充放电循环次数A为

$A=\frac{\underset{t=1}{\overset{288}{\Σ}}{P}_{\max }{W}_t}{C}---\left(13\right).$

2.根据权利要求1所述的换电站充放电方案的求解方法，其特征在于：

其中，所述管理时间的长度为一天24小时，充电时段个数m为1440。

3.根据权利要求2所述的换电站充放电方案的求解方法，其特征在于：

其中，所述换电站为汽车充电用换电站，所述电池为锂电池。