电动汽车换电网络规划运行关键问题研究

Battery switching is one of the most important developing modes of electric vehicle. Currently the planning and construction of battery switching network have been carried out in most of the provinces of China, but the academic research in the field is comparatively weak. The battery switching network configured with centralized charging stations and delivery terminals with battery switching function is targeted in this proposal to solve the key problems of planning and operation of battery switching network.The oveall framework and operation sequence chart of the baterry switching network will be proposed. Combined with the fundamental theories of optimization, power system and logistics, load of battery charging under battery switching mode will be modeled as a controllable load with consideration of the electricity quantity constraint, which is defined by the logistic dispatching time and frequency. In the planning level, based on multiagent system/game theory and DEA analysis, the coordinating planning model will be established for battery switching network planning, which contains the power grid planning, capacity planning of centralized charging station, battery delivery terminal siting and battery quantity planning.In the operaion level, the integrated optimal scheduling of the battery swiching network will be modeled considering the battery swiching demand, logistic delivery, centralized charing and power dispatch. Hence the optimal solving of the planning and scheduling of the battery switching network is accomplished and the fundamental theory of battery switching network will be established to promote the construction and operation in the field.

换电模式是电动汽车发展的重要模式之一，当前全国大部分省市都开展了电动汽车换电网络的规划和建设，但是学术界的相关研究较为滞后。本项目以包含集中型充电站和具有换电功能的配送站的换电网络为研究对象，立足于解决电动汽车换电网络规划运营的关键问题，提出以物流为纽带的换电网络基本运行框架和时序运行步骤；综合最优化、电力系统、物流学的基本理论，研究换电模式下电力负荷的模型表达，从终端换电需求出发，以物流配送时间和次数设定确定的电量需求为约束，形成在电网优化调度条件下的可控负荷模型；在规划层面，基于多智能体/博弈论和DEA(数据包络分析)分析，建立包括含充电站的电网规划、集中型充电站容量规划、配送站规划、电池数量规划的换电网络协调规划模型；在运行层面，建立包括电池需求、物流配送、集中充电、电网调度的换电网络一体化优化调度模型，实现换电网络规划和运行的最优化求解，为换电网络的建设运营奠定理论基础。

基于电池租赁的换电模式是应对电动汽车规模化发展的一种可行的商业模式，但是当前对换电网络规划运行关键问题的研究还较为滞后。本项目以电动汽车换电网络为研究对象，研究换电模式下考虑电网、集中型充电站、物流、配送站以及电池电量需求的换电网络规划及运行调度关键问题，建立换电网络运行和规划的基本数学模型，重点开展了以下8项工作。（1）提出了综合考虑集中型充电站建设和运行成本的集中型充电站容量规划模型，并定量分析了电池组需求、峰谷平电价差对集中型充电站建设费用的影响。（2）把规划时段分为远期和近期，建立了涵盖多阶段的电池数量规划模型，远期规划初步估算最多需要购买的电池组数量，从而为近期规划提供指导，近期规划以购置电池组数量最小化为目标提出最优的物流配送原则，得出最优物流配送次数、物流能力以及电池组数量。（3）综合考虑电动汽车用户的行驶时间和排队等待时间，建立了换电站的定址分容模型，结果表明换电需求和行驶时间约束均为影响换电站方案确定的关键因素。（4）针对集中型充电站接入的电网规划问题，综合考虑电力网络和交通网络因素，建立了集中型充电站的定址分容模型，优化了充电容量在各站址间的分配。（5）以电池组缺额最小为换电网络运行方式优化目标，并以换电冗余度为判断准则，以最小化换电网络各个单元的调整成本为目标，建立了换电网络协调规划模型。（6）利用SWARM 平台建立了基于多代理系统的电动汽车充电行为仿真软件，实现了电动汽车充电选择的模拟，有效地描述了电动汽车与充电设备以及交通网络、电力网络之间的信息交互。（7）建立了电动汽车充换电网络优化调度通用模型，通过联合优化电池组的充电方案、调配方案以及物流方案，使得充换电网络的日运营总费用最小。（8）建立了以系统的总运行成本最小为目标的换电站经济调度模型，可以有效平抑负荷的波动，降低系统的运行成本，与传统电池储能电站相比能节约电池购置成本。通过项目研究，提出了电动汽车换电网络规划运行的基本理论，为电动汽车换电网络的建设运营提供理论基础。发表科研论文12篇，其中EI检索7篇。申请国家发明专利8项，培养硕士研究生8名。