CN107403289A - 一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，其特征包括：1根据充电站网络与充电站运营策略确定目标函数；2确定目标函数的决策变量和约束条件，从而建立整数线性规划模型；3将基础计算数据输入所述整数线性规划模型中；4对整数线性规划模型进行求解，从而得出最优选址定容方案。本发以期能综合高速公路电动汽车充电需求与沿线光伏发电站的分布情况，合理布局充电站位置，确定充电站最优容量以及是否接入光伏发电站，从而能降低充电基础设施建设成本，提高各个充电站运营的经济性。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车充电站选址定容领域，具体的说是一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法。
背景技术
随着化石能源枯竭和大气污染问题的日益严重，发展电动汽车越来越成各国解决能源与环境问题的重要途径。我国把电动汽车列为战略新兴产业，积极引导、推进其产业化应用，我国电动汽车数量逐年增加，然而充电基础设施布局不完善阻碍了电动汽车产业的进一步发展。续航选址模型为基于路径需求的电动汽车充电站选址问题提供了解决思路，将电动汽车行驶里程限制纳入到约束中来，相比于截流选址模型，更好地拟合了人们驾驶电动汽车的出行行为，更为符合现实情况。
大力发展可再生能源也是我国在解决能源与环境问题的另一重大举措，我国光照资源丰富，光伏发电站产生的电能通过传输线接入大电网，这样不仅提高了光伏资源利用率，降低碳排放量，还增加了电网运营的经济性。由于地理分布影响，光伏发电站通过长距离传输线接入电力负荷中心的大电网会产生大量的电能损失，因此就地消纳成为光伏等可再生能源消纳的主要方式。此外大电网不仅能够向电力消费者提供电能，电力消费者亦可向大电网进行售电，进行双向交易。
在现有的充电站选址定容方法中，往往没有将就近的光伏发电站纳入到选址定容模型中，不利于光伏发电站生产电能的就近消纳，不利于减少弃光现象；传统的续航选址模型未考虑充电站容量限制，即能同时服务通过该充电站的所有车辆，不适合现实中的充电站选址定容问题。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，以期能综合高速公路电动汽车充电需求与沿线光伏发电站的分布情况，合理布局充电站位置，确定充电站最优容量以及是否接入光伏发电站，从而能降低充电基础设施建设成本，提高各个充电站运营的经济性。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法的特点是应用于由若干充电站的候选点、若干个光伏发电站和一个大电网组成的充电站网络中，并由充电桩和充电站控制系统构成一个充电站，所述充电站的候选点分布于高速公路沿线，所述光伏发电站分布在所述充电站的候选点周围，所述高速公路充电站选址定容方法是按如下步骤进行确定是否在所述候选点建立相应的充电站：
步骤一、根据所述充电站网络与充电站运营策略确定目标函数；所述充电站运营策略为：若光伏发电站生产的电量能满足所述充电站每日充电与运行所必需的基本用电量，则过剩的电量通过所述充电站控制系统向大电网进行售电；否则，所述充电站从大电网进行购电，以满足自身用电需求；
步骤二、确定所述目标函数的决策变量和约束条件，从而建立整数线性规划模型；
步骤三、将充电站网络信息、充电站及电动汽车相关基础计算数据输入所述整数线性规划模型中；
步骤四、对所述整数线性规划模型进行求解，从而得出最优选址定容方案。
本发明所述的考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法的特点也在于：
所述步骤一中的目标函数为：
式(1)中：Z为包含投资费用、传输线日均建设费用和充电站日运营费用的总费用；K为充电站网络中所有充电站候选点的集合；Xi为在第i个充电站的候选点处是否建设充电站，若Xi＝1表示在第i个充电站的候选点处建设充电站，Xi＝0表示不在第i个充电站的候选点处建设充电站；Ci为在第i个候选点处建设充电站的费用；Pi为在第i个候选点处建立充电桩的数量；Cp为单位充电桩的建设费用；Cpv为充电站网络中光伏发电站传输线在使用寿命内的日均建设费用，并由式(2)获得：
式(2)中，N为充电站网络中所有光伏发电站的集合；Oin为在第i个候选点处的充电站是否接入第n个光伏发电站，Oin＝1表示在第i个候选点处的充电站接入第n个光伏发电站，Oin＝0表示不在第i个候选点处的充电站接入第n个光伏发电站；Ctrans为充电站接入光伏发电站的传输线单位距离建设费用；din为第i个候选点处的充电站到第n个光伏发电站间的距离；Ttrans为光伏发电站传输线的使用寿命；
式(1)中为第i个候选点处的充电站与大电网的交易费用，正值代表从大电网购电费用，负值代表向大电网售电费用的相反数，并由式(3)获得：
式(3)中，Cpur为充电站从大电网购电的电价；Csell为充电站向大电网进行售电的电价；为第i个候选点处的充电站与大电网的交易电量，正值代表从大电网进行购电，负值代表向大电网进行售电，并由式(4)获得：
式(4)中，为第i个候选点处的充电站与大电网的日均交易电量；Q为充电站网络中所有最短路径的集合；Riq为电动汽车经过路径q上第i个候选点处的充电站的充电量；Eope为每个充电站日运行必需的平均用电量；为第t天第n个光伏发电站生产的电量，为第n个光伏发电站生产电量数据的采集周期。
所述步骤二中的决策变量为：在第i个充电站的候选点处是否建设充电站Xi、在第i个候选点处建立充电桩的数量Pi、在第i个候选点处的充电站是否接入第n个光伏发电站Oin；
所述约束条件为：
(i)充电站自身的关系约束、充电站与光伏发电站的关系约束：
式(5)-式(7)中，M为所设定的正数；Yiq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处的充电站是否进行充电，Yiq＝1表示进行充电，Yiq＝0表示不进行充电；
(ii)基于行程需求的电动汽车充电约束：
Bjq＝(Biq+Riq)-dij×β (10)
Riq＝Yiq×α-Aiq (12)
式(9)中，Biq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处时的剩余电量；dij为第i个候选点处到第j个候选点处间的距离；
式(10)中，β为电动汽车行驶距离与其耗电量转换系数；α为每个电动汽车的电池容量；Aiq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处的充电站时充电量的调整量；
(iii)充电站容量约束：
式(13)中，fq为路径q上的车流量；Q(Pi)为第i个候选点处的充电站的用电配额，所述用电配额Q(Pi)与第i个候选点处充电站的充电桩数量Pi的线性相关。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提出了一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，是综合考虑分布在充电站的候选点周围的光伏发电站，降低了充电站网络中充电基础设施建设成本，提高了各个充电站运营的经济性。
2、本发明提出了一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，确定了接入光伏发电站的高速公路充电站运营策略，将光伏发电站产生的过剩电能通过充电站控制系统向大电网进行售电，提高了光照资源的利用率，减少了弃光现象，同时降低了充电站日运行费用。
3、本发明提出了一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，总费用分为投资费用、传输线日均建设费用和充电站日运营费用，统一传输线日均建设费用和充电站日运营费用的度量单位，在相同量纲下进行比较，使得模型求解结果更加准确。
4、本发明提出了一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，建立了基于行程需求的电动汽车充电约束，其中设定电动汽车的充电量调整量，灵活确定电动汽车充电量，由此确定的充电站网络的选址定容方案更为符合现实情况。
5、本发明提出了一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，建立了充电站容量约束，综合考虑了电力公司指定的用电配额与光伏发电站生产的电量，使充电站网络的选址定容方案满足电力公司用电配额的要求且合理。
附图说明
图1为本发明的一个考虑接入光伏发电站的充电站网络示意图；
图2为本发明的一个接入光伏发电站的高速公路充电站的结构示意图；
图3为本发明的一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中，一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，是应用于由若干充电站的候选点、若干个光伏发电站和一个大电网组成的充电站网络中，充电站的候选点分布于高速公路沿线，光伏发电站分布在充电站的候选点周围，其中1-7为充电站的候选点，a、b为光伏发电站，虚线为传输线；如图2所示，一个充电站由充电桩和充电站控制系统构成，充电桩通过DC/DC变换器与充电站内母线相连，控制系统直接与充电站内母线相连，大电网通过DC/AC变换器与充电站内母线相连，光伏发电站通过DC/DC变换器与充电站内母线相连；假定充电站运营商是光伏发电站的投资主体，使用过程中不需再付购电费用；
如图3所示，该高速公路充电站选址定容方法是按如下步骤进行确定是否在候选点建立相应的充电站：
步骤一、根据充电站网络与充电站运营策略确定目标函数；充电站运营策略为：若光伏发电站生产的电量能满足充电站每日充电与运行所必需的基本用电量，则过剩的电量通过充电站控制系统向大电网进行售电；否则，充电站从大电网进行购电，以满足自身用电需求；
目标函数为：
式(1)中：Z为包含投资费用、传输线日均建设费用和充电站日运营费用的总费用，其中投资费用包括充电站建设费用，充电桩建设费用，为求解结果更精确，传输线建设费用与充电站运营费用均统一单位为元/天；K为充电站网络中所有充电站候选点的集合；Xi为在第i个充电站的候选点处是否建设充电站，若Xi＝1表示在第i个充电站的候选点处建设充电站，Xi＝0表示不在第i个充电站的候选点处建设充电站；Ci为在第i个候选点处建设充电站的费用；Pi为在第i个候选点处建立充电桩的数量；Cp为单位充电桩的建设费用；Cpv为充电站网络中光伏发电站传输线在使用寿命内的日均建设费用，并由式(2)获得：
式(2)中，N为充电站网络中所有光伏发电站的集合；Oin为在第i个候选点处的充电站是否接入第n个光伏发电站，Oin＝1表示在第i个候选点处的充电站接入第n个光伏发电站，Oin＝0表示不在第i个候选点处的充电站接入第n个光伏发电站；Ctrans为充电站接入光伏发电站的传输线单位距离建设费用；din为第i个候选点处的充电站到第n个光伏发电站间的距离；Ttrans为光伏发电站传输线的使用寿命；
式(1)中为第i个候选点处的充电站与大电网的交易费用，正值代表从大电网购电费用，负值代表向大电网售电费用的相反数，并由式(3)获得：
式(3)中，Cpur为充电站从大电网购电的电价；Csell为充电站向大电网进行售电的电价；为第i个候选点处的充电站与大电网的交易电量，正值代表从大电网进行购电，负值代表向大电网进行售电，并由式(4)获得：
式(4)中，为第i个候选点处的充电站与大电网的日均交易电量；Q为充电站网络中所有最短路径的集合；Riq为电动汽车经过路径q上第i个候选点处的充电站的充电量；Eope为每个充电站日运行必需的平均用电量；为第t天第n个光伏发电站生产的电量，为第n个光伏发电站生产电量数据的采集周期。
步骤二、确定目标函数的决策变量和约束条件，从而建立整数线性规划模型；
决策变量为：在第i个充电站的候选点处是否建设充电站Xi、在第i个候选点处建立充电桩的数量Pi、在第i个候选点处的充电站是否接入第n个光伏发电站Oin；
约束条件为：
(i)充电站自身的关系约束、充电站与光伏发电站的关系约束：
式(5)-式(7)中，M为所设定的正数，在本例中取值为10000；Yiq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处的充电站是否进行充电，Yiq＝1表示进行充电，Yiq＝0表示不进行充电；
(ii)基于行程需求的电动汽车充电约束：
Bjq＝(Biq+Riq)-dij×β (10)
Riq＝Yiq×α-Aiq (12)
式(9)中，Biq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处时的剩余电量；dij为第i个候选点处到第j个候选点处间的距离；
式(10)中，β为电动汽车行驶距离与其耗电量转换系数；α为每个电动汽车的电池容量；Aiq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处的充电站时充电量的调整量，在电动汽车充电时，充电量与剩余电量之和能够使电动汽车行驶至下一充电站即可；
(iii)充电站容量约束：
式(13)中，fq为路径q上的车流量；Q(Pi)为第i个候选点处的充电站的用电配额，用电配额Q(Pi)与第i个候选点处充电站的充电桩数量Pi的线性相关。
步骤三、将充电站网络信息、充电站及电动汽车相关基础计算数据输入整数线性规划模型中；
输入的基础计算数据为：
(1)所有充电站候选点的集合K；所有光伏发电站的集合N；路径流量信息fq；光伏发电站产生的电量第n个光伏发电站生产电量数据的采集周期第i个候选点处到第j个候选点处间的距离dij；第i个候选点处的充电站到第n个光伏发电站间的距离din；
(2)充电站接入光伏发电站的传输线单位建设费用Ctrans；传输线的使用寿命Ttrans；
(3)各候选点i处充电站的建设费用Ci；每个充电桩的建设费用Cp；每个充电站日运行必需的平均用电量Eope；
(4)每个电动汽车的电池容量α；电动汽车行驶距离与其耗电量转换系数β；
(5)从大电网购电的电价Cpur；向大电网进行售电的电价Csell以及充电站用电配额函数Q(Pi)。
步骤四、对整数线性规划模型进行求解，从而得出最优选址定容方案；
通过割平面法，分支定界法或启发式算法对该整数线性规划模型进行求解，本实施例中采用分支定界法具体步骤如下
(1)求整数规划模型的松弛问题最优解；
(2)若松弛问题的最优解满足整数要求，得到整数规划的最优解，否则转下一步；
(3)任意选一个非整数解的变量Pi，在松弛问题中加上约束Pi≤[Pi]及Pi≥[Pi]+1组成两个新的为分支；目标值是分支问题的上界；
(4)检查所有分支的解及目标函数值，若某分支的解是整数并且目标函数值小于等于其他分支的目标值，则将其他分支剪去不再计算，若还存在非整数解并且目标值小于整数解的目标值，需要继续分支，再检查，直到得到最优解。
从而得出满足约束条件下最优选址定容方案，即在第i个充电站的候选点处是否建设充电站Xi、在第i个候选点处建立充电桩的数量Pi、在第i个候选点处的充电站是否接入第n个光伏发电站Oin。
Claims (3)
1.一种考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，其特征是应用于由若干充电站的候选点、若干个光伏发电站和一个大电网组成的充电站网络中，并由充电桩和充电站控制系统构成一个充电站，所述充电站的候选点分布于高速公路沿线，所述光伏发电站分布在所述充电站的候选点周围，所述高速公路充电站选址定容方法是按如下步骤进行确定是否在所述候选点建立相应的充电站：
步骤一、根据所述充电站网络与充电站运营策略确定目标函数；所述充电站运营策略为：若光伏发电站生产的电量能满足所述充电站每日充电与运行所必需的基本用电量，则过剩的电量通过所述充电站控制系统向大电网进行售电；否则，所述充电站从大电网进行购电，以满足自身用电需求；
步骤二、确定所述目标函数的决策变量和约束条件，从而建立整数线性规划模型；
步骤三、将充电站网络信息、充电站及电动汽车相关基础计算数据输入所述整数线性规划模型中；
步骤四、对所述整数线性规划模型进行求解，从而得出最优选址定容方案。
2.根据权利要求1所述的考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，其特征是，
所述步骤一中的目标函数为：
<mrow>
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</mrow>
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式(1)中：Z为包含投资费用、传输线日均建设费用和充电站日运营费用的总费用；K为充电站网络中所有充电站候选点的集合；Xi为在第i个充电站的候选点处是否建设充电站，若Xi＝1表示在第i个充电站的候选点处建设充电站，Xi＝0表示不在第i个充电站的候选点处建设充电站；Ci为在第i个候选点处建设充电站的费用；Pi为在第i个候选点处建立充电桩的数量；Cp为单位充电桩的建设费用；Cpv为充电站网络中光伏发电站传输线在使用寿命内的日均建设费用，并由式(2)获得：
<mrow>
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<mi>C</mi>
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<mi>p</mi>
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<mo>=</mo>
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<munder>
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<mi>t</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(2)中，N为充电站网络中所有光伏发电站的集合；Oin为在第i个候选点处的充电站是否接入第n个光伏发电站，Oin＝1表示在第i个候选点处的充电站接入第n个光伏发电站，Oin＝0表示不在第i个候选点处的充电站接入第n个光伏发电站；Ctrans为充电站接入光伏发电站的传输线单位距离建设费用；din为第i个候选点处的充电站到第n个光伏发电站间的距离；Ttrans为光伏发电站传输线的使用寿命；
式(1)中为第i个候选点处的充电站与大电网的交易费用，正值代表从大电网购电费用，负值代表向大电网售电费用的相反数，并由式(3)获得：
<mrow>
<msubsup>
<mi>C</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>s</mi>
</mrow>
<mi>i</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(3)中，Cpur为充电站从大电网购电的电价；Csell为充电站向大电网进行售电的电价；为第i个候选点处的充电站与大电网的交易电量，正值代表从大电网进行购电，负值代表向大电网进行售电，并由式(4)获得：
<mrow>
<msubsup>
<mi>E</mi>
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<mn>4</mn>
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</mrow>
</mrow>
式(4)中，为第i个候选点处的充电站与大电网的日均交易电量；Q为充电站网络中所有最短路径的集合；Riq为电动汽车经过路径q上第i个候选点处的充电站的充电量；Eope为每个充电站日运行必需的平均用电量；为第t天第n个光伏发电站生产的电量，为第n个光伏发电站生产电量数据的采集周期。
3.根据权利要求1所述的考虑接入光伏发电站的高速公路充电站选址定容方法，其特征是，
所述步骤二中的决策变量为：在第i个充电站的候选点处是否建设充电站Xi、在第i个候选点处建立充电桩的数量Pi、在第i个候选点处的充电站是否接入第n个光伏发电站Oin；
所述约束条件为：
(i)充电站自身的关系约束、充电站与光伏发电站的关系约束：
<mrow>
<mtable>
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<mtd>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(5)-式(7)中，M为所设定的正数；Yiq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处的充电站是否进行充电，Yiq＝1表示进行充电，Yiq＝0表示不进行充电；
(ii)基于行程需求的电动汽车充电约束：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
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</mrow>
Bjq＝(Biq+Riq)-dij×β(10)
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<mo>(</mo>
<mn>11</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
Riq＝Yiq×α-Aiq (12)
式(9)中，Biq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处时的剩余电量；dij为第i个候选点处到第j个候选点处间的距离；
式(10)中，β为电动汽车行驶距离与其耗电量转换系数；α为每个电动汽车的电池容量；Aiq为电动汽车经过路径q上的第i个候选点处的充电站时充电量的调整量；
(iii)充电站容量约束：
<mrow>
<munder>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>13</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(13)中，fq为路径q上的车流量；Q(Pi)为第i个候选点处的充电站的用电配额，所述用电配额Q(Pi)与第i个候选点处充电站的充电桩数量Pi的线性相关。
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