基于蒙特卡洛模拟的电动汽车充电负荷预测

乔文娟

(银川能源学院 电力学院， 银川 750100)

0 引言

众所周知，能源短缺与环境污染是21世纪全球关注的两大难题，同时也将是未来社会发展的重大挑战。电动汽车良好的环保节能特性成为现今国际汽车发展的潮流和热点之一[1]。据工业和信息化部对电动汽车的发展战略规划，预计2030年中国的电动汽车总量将会达到6 000万辆[2]。电动汽车的核心是充电电池，同样充电电池作为主要动力源，每天都需要充电，大量的电动汽车接入电网充电一定会给电网造成严重的冲击。所以，构建合适的电动汽车充电负荷模型，不仅利于计算电动汽车的充电负荷，并且对电力系统的运行乃至规划都具有重要的指导意义[3]。

电动汽车的充电负荷在很多方面都具有很大的随机性和间歇性，影响因素很多，主要包括电动汽车保有量、起始荷电状态(SOC)、充电功率、充电时间和动力电池容量。随着电池技术的不断进步，电动汽车充电研究已得到国内外众多学者的高度重视，考虑多种因素，建立了不同的充电负荷模型。然而，必须提出的是有关充电负荷的研究依然存在着很多不足，比如对电动汽车类型和充电方式的因素考虑仍然不全面等。

因此，本文按照实际需求将电动汽车划分为电动公交车、出租车、公务车、私家车4大类，不同种类的电动汽车充电特性完全不同，将采用蒙特卡洛模拟方法拟抽取起始荷电状态、起始充电时间来计算4类电动汽车的充电负荷，求取负荷特性曲线，通过曲线对中国未来的电动汽车充电负荷进行预测分析。

1 车辆运营情况与充电特性分析

不同类型电动汽车，它们的充电特性，例如充电时间和频率各种参数，都有很大差异。通过调研，得出4种不同种类的电动汽车充电特性具体情况：各类电动汽车适合的充电时段，充电频率，起始充电容量分布和起始时间分布。基于车辆的日均行驶里程及能耗，得到车辆的充电负荷。

1.1 公交车

公交车的行驶特性相对非常的固定。早上06:00左右发车，晚上22:00左右收车，中间不间断，共计约16 h。通过对公交车运营情况进行调研可知，公交车行程通常是确定的，来回双程大约为70 km，每辆车在1天当中大约可以往返4趟，日耗电量约为275 kW·h。目前已经运行的电动公交车充满电的额定行驶路程约为150～200 km。

根据公交车的运营情况，分别提出2种充电策略：在白天运营时段，一般不能长时间的停留，采用快速充电较为合理；在夜间停运时段，可以长时间逗留，一般采用常规充电。公交车运行早、晚高峰期分别为07:00—08:00，17:00—18:00。根据上述情况，制定以下的充电措施：白天充电时间选择在09:30—16:00，晚上充电时间为23:00—05:00。电动公交车每天需要充电的2次，起始SOC满足正态分布。

1.2 出租车

出租车的行驶路线相对比较灵活，可以在不拉乘客时，选择就近的充电站充电。电动出租车作为多数人出行的交通工具，在不久的将来会得到大规模的推广应用。电动出租车行驶路线特别灵活，平均每天行驶里程基本在350～400 km，每天需要充电2次。

根据出租车的运营需求，每辆车运行方式为2班倒，规定要在交班前充满电。交班时间一般在早上06:00，下午16:00。为了带来多的效益，白天运营时段经常选择在就近充电站进行快速充电；夜间休息的时段选择在就近的充电场所进行常规充电。根据出租车的交接班时间和休息时间，选择在中午时间11:30—14:00进行快速充电，在夜间02:00—05:00进行常规充电。一天的运营过程中需要充电2次，起始SOC满足正态分布。

1.3 公务车

公务车一般用于各单位公务出行，行驶路程比较灵活，但大多数都是是白天运行，夜间休息。公务车在不执行公务外出时，可以选择对其进行充电。一般公务车夜间晚上多停留在固定停车场，所以可以选择在夜间进行常规充电，即18:00—07:00，起始SOC满足正态分布N(0.40,0.12)。

1.4 私家车

据调查，中国私家车平均每年的行驶里程数约为15 000～20 000 km，每天的行驶里程为40 km[4]。私家车在工作日的主要用途为上、下班出行，节假日的主要用途为外出休闲等。针对每天的出行情况，通常停留在小区停车场或者是单位停车场；而节假日会有所不同，私家车一般停留在小区停车场或商场超市以及娱乐场所停车场。小区停车场和单位停车场内一般会长时间逗留，因此可采用常规充电；商场超市停车场，停留的时间比较有限，必须限制充电时间，可以采用快速充电。

私家电动汽车的上班出行高峰期为07:00—08:00，充电时间为白天工作期间。下班出行的高峰期为17:00—19:00，充电时间可以选择在回到家时间至次日早上06:00。节假日出行时，可以选择晚上在小区停车场充电或白天时段在公共停车场进行快速充电。按私家车平均每天的行驶里程数来看，每天只需充电1次，起始SOC满足正态分布N(0.60,0.12)。

2 不同车辆运营及充电特性分析

2.1 电动汽车充电负荷计算模型

首先计算单辆电动汽车的充电负荷，然后累加所有电动汽车充电负荷，就可以得到总的充电负荷曲线。模型建立的难点通常在于电动汽车起始充电时间和起始SOC的不确定因素很大，因此可以选择蒙特卡洛方法模拟法抽取起始充电时间和起始SOC，然后得到充电所需时间。计算电动汽车充电负荷以1天为单位，将1天分为1 440 min，令Pi表示第i分钟所有电动汽车充电负荷，则总充电功率为：

式中，i=1,2，3…1 440；m为电动汽车总数量，辆；Pn,i为第n辆车在i时刻的充电功率，kW。

2.2 蒙特卡洛方法的电动汽车充电负荷计算

假设电动汽车的充电时间不被控制，为“即插即充”方式。对不同类型的电动汽车，确定此类汽车的充电行为。对于常规充电的电动汽车，没有充电时长的限制，利用蒙特卡洛方法抽取起始SOC，在满足充电所需要时长的约束条件下，缩短起始充电时间的抽样范围，抽取起始充电时间，进行负荷计算；选择快速充电模式的电动汽车，同样基于蒙特卡洛方法抽取起始充电时间，计算充电限制时间长度，在满足充电所需时长的限制下，首先抽取起始充电时间，然后进行负荷计算，流程如图1所示。

图1 电动汽车充电流程

本文采用的常规充电时的充电电流取值0.20 A，从零电量直至充满电花费时间为5 h；快速充电时充电电流取值为1.25 A，充电花费时间为80 min。

表2 电动汽车充电特性分析

该算法利用蒙特卡洛模拟方法抽取SOC和起始充电时间，原理是将符合均匀分布u(0,1)的随机点转换为符合标准正态分布N(0,1)的随机点，由概率知识可知，要转为一般正态分布N(e,v)，只需进行简单计算p×v+e即可，其中p表示概率。

3 电动汽车充电负荷曲线预测

3.1 各种类型电动汽车保有量预测

随着人民生活水准的不断提高，汽车价格不断的平民化，汽车已成为人们出行的必需品。汽车保有量的预测，可以利用过去和当前的观测值对未来的值进行估计。首先对未来中国的各种类型的汽车数量进行预测，假设电动公交车、电动出租车、电动公务车在2020年、2030年所占比例分别为15%和30%，私家电动汽车所占比例分别为10%和30%，然后就能得出2020年、2030年各类电动汽车的数量，具体数据见表1。

表1 中国电动汽车保有量预测情况 万辆

3.2 参数设置

基于4种类型电动汽车的充电特性的分析，得到一些基本参数，其中包括充电次数、充电时段、是否要求充电时长的限制、起始充电容量分布、起始时间分布见表2。

3.3 电动汽车充电负荷曲线

由表2可知，电动公交车每天的充电次数为2，起始充电时间服从均匀分布，充电功率为21 kW。电动出租车一天中需要充电2次，白天休息时间的充电方式为快速充电，充电时间为80 min，快速充电时起始时间服从直角梯形分布，常规、快速充电功率分别为14 kW、90 kW。电动公务车每天仅需充电1次，通常选择在晚上进行常规充电，充电功率为7 kW,起始时间分布服从均匀分布。电动私家车充电方式有所不同，因为在工作日和节假日行驶路线不同，所以参数不同，在工作日一般需要充电1次，在不同充电场合所占的比例不同，单位停车场和小区停车场进行常规充电，起始时间分布分别服从N(9,0.25)、N(19,1.25)，充电功率为7 kW。在商场超市以及娱乐场所的停车场要快速充电，限制充电时间为80 min，起始时间服从直角梯形分布，充电功率为45 kW。私家电动车在节假日时充电概率为0.8，不同的时间段充电比例会有所差异，起始充电容量将会呈现出正态分布，起始时间分布会呈现出均匀分布和直角梯形分布，充电功率与工作日相同。

应用C++语言编程，分别输入4种不同类型电动汽车的数量，当电动汽车接入电网进行充电时，计算每一分钟电动汽车的充电功率，最后绘制出电动汽车的充电负荷曲线，分别将4种类型电动汽车充电负荷进行叠加，2020年、2030年工作日充电负荷曲线如图2所示，2020年、2030年节假日充电负荷曲线如图3所示。

3.4 结果分析

通过分析仿真图可以得到以下几点结论。

(1)2020年工作日充电负荷峰值为2 537.07 MW，节假日充电负荷峰值1 329.51 MW。

(2)2030年，随着电动汽车的快速发展普及，4种类型的电动汽车充电负荷上升趋势非常迅速。

(3)电动私家车在今后所占的比例非常大，因此未来电动汽车的主要充电负荷来自电动私家车。

(4)电动汽车充电的负荷高峰期，主要聚集在傍晚下班后一直到晚上22:00点左右，这个高峰产生的主要原因是绝大多数的电汽车主会通常选择在下班回家后即刻对电动汽车进行充电，因此造成了负荷的迅速上升。充电负荷曲线不平缓，具有明显的峰谷差，并且在时间上与电网的用电高峰期正好相符，若不对电动汽车充电行为实施控制策略，会出现“峰上加峰”的情况，不久的将来，大规模的电动汽车投入运行，那么如此大规模的电动汽车充电必将给电网的正常的运行带来难以承受的压力。

图2 2020年、2030年工作日充电负荷曲线

图3 2020年、2030年节假日充电负荷曲线

4 结束语

本文将电动汽车根据具体的行驶特性分为公交车、出租车、公务车、私家车，参照它们的运行情况及充电特点，建立了利用蒙特卡洛模拟方法的充电负荷预测模型，并得出结论，同时也清晰直观地发现影响充电负荷的主要因素。分析和预测2020年、2030年电动汽车保有量，得出电动汽车充电负荷，对今后相关部门的电动汽车充电站的建设有重要的参考价值。