基于电动汽车时空协同引导的快充市场多方合作共赢模式研究

摘要

在全球能源供应紧张、环境问题凸显的形势下，电动汽车因其具备节能减排、绿色环保等优点，正在蓬勃发展，由此也催生了充电站和充电市场等与电力系统密切相关的新生事物。随着充电市场规模日益扩大，充电负荷在时空双尺度上的随机性和不确定性将给电力系统运行控制与调度带来不可忽视的影响。近年来，已有许多学者对相关问题进行了研究，提出了很多具有较高参考价值的策略及方案。但是，电力交易市场化的大趋势对电动汽车有序充电引导这一研究方向提出了更高、更新的要求，传统的电动汽车随机负荷建模、充电价格引导等方面仍需继续挖掘和提升，同时需要开展智慧城市下电网公司、充电站运营商与电动汽车用户之间的合作模式研究。因此，本文深度解析了电动汽车时空分布随机特性，研究了充电需求时空动态变化下的网-站-车内部互动机制，基于互利共赢思想对充电市场内多方利益分配问题进行了层层剖析，提出了相应的模型与策略，并通过理论推导及算例仿真证明了所提方法的可行性和优越性。 在充电负荷时空分布特性建模方面，针对电动汽车充电负荷的时空不确定性和随机性，提出了与实时电力交易市场相匹配的充电需求动态预测仿真模型。计及电动汽车荷电约束与路网约束，结合Cruise软件计算多场景多类型电动汽车耗电量，通过蒙特卡洛法模拟不同时间尺度下不同空间区域的电动汽车数量、电池容量和个体驾驶行为，采用Agent-元胞自动机模型实现对电动汽车充电需求动态时空分布的精确模拟。 在充电站充电服务费实时定价方面，针对充电站运营商由电网公司作为单一主体和多主体组成的两种场景，提出了不同的充电服务费制定方法。首先，通过分析价格引导快充负荷空间分布对电网电压质量改善的必要性，结合用户响应特性和基于节点关键度的配网电压质量评估指标，提出了能够有效改善电网电压质量的价格引导策略；其次，针对充电站多主体运营商之间的竞价问题，采用现代效用理论分析了网-站-车三方的利益追求，提出了能够兼顾电网运行状态与充电市场主体活性的充电站联盟博弈定价模型。 在电动汽车智能充电导航方面，针对自由充电市场下的多方互利共赢交易模式，提出了基于“预约式充电+消费”一体化服务模式的电动汽车智能充电导航系统。在提出由电力系统、交通系统、充电站和车载导航终端组成的导航系统基本架构的基础上，引入充电时间窗的概念，建立了计及个体偏好与会员优先级的动态派单模型，打破了原有充电服务费的时段壁垒，提升了用户充电服务体验。 上述研究对基于电动汽车充电时空协同引导的网-站-车多方合作共赢模式进行了前瞻性探索，为构建智慧城市下多元活性的充电市场奠定了理论基础。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 电动汽车有序充电引导领域的国内外研究现状

1.3 电动汽车有序快充引导研究领域面临的若干挑战

1.4 论文的主要工作及章节安排

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 章节安排

2 电动汽车充电需求时空分布动态演化模型

2.1 引言

2.2 总体思路

2.3 基于Agent-元胞自动机的充电需求时空分布动态演化模型

2.3.1 基本参数

2.3.2 道路行驶规则

2.3.3 基于结点的动态路径规划

2.3.4 基于Cruise的每公里耗电量计算

2.3.5 仿真流程

2.4 算例仿真

2.4.1 仿真参数设置

2.4.2 每公里耗电量计算结果

2.4.3 典型负荷日的充电车辆和充电需求

2.4.4 充电需求的空间分布图

2.5 本章小结

3 基于快充负荷空间引导的充电服务费制定策略

3.1 引言

3.2 快充负荷接入对配网电能质量的影响

3.2.1 快充负荷特征及空间分布特性

3.2.2 无序快充接入场景下配网电能质量影响分析及电网待优化运行指标选取

3.2.3 快充负荷空间调度对配网电压质量的改善分析及评价指标

3.3 充电服务费对快充行为的空间引导作用

3.3.1 电动汽车用户充电站选择行为的影响因素

3.3.2 基于电动汽车用户自身效益的充电位置决策模型

3.3.3 充电服务费对用户充电位置决策的影响

3.4 基于配网电压质量及用户响应特性的充电服务费制定方法

3.4.1 目标函数及约束条件

3.4.2 求解流程

3.5 算例仿真

3.6 本章小结

4 市场竞争模式下的充电服务费联盟博弈定价模型

4.1 引言

4.2 问题描述

4.2.1 充电行为偏好与效用函数

4.2.2 模型假设

4.3 基于博弈论的充电服务费定价策略

4.3.1 联盟型博弈的决策过程分析

4.3.2 基于MNL模型的用户充电行为偏好预测

4.3.3 基于Hotelling模型的充电需求分布刻画和独立决策定价

4.3.4 基于Shapley值法的联盟利润分配机制

4.3.5 仿真流程

4.4 算例仿真

4.4.1 数据来源说明及仿真参数设定

4.4.2 场景设置

4.4.3 结果分析

4.5 本章小结

5 基于预约式充电服务的电动汽车智能充电导航

5.1 引言

5.2 智能充电导航系统

5.2.1 基本架构

5.2.2 交通流模型

5.2.3 充电决策模型

5.3 基于硬时间窗的充电预约优化方法

5.3.1 问题描述

5.3.2 预约充电服务系统

5.3.3 基于滚动时间轴的动态派单模型

5.3.4 会员积分成长机制

5.4 算例仿真

5.4.1 仿真流程与参数设置

5.4.2 结果分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的课题研究情况

附录3 54节点配电系统参数

附录4 充电站充电负荷的确定

附录5 54节点配网潮流计算结果