摘 要

发展电动汽车能够减少对石油的依赖和有效的处理环境污染。但是，大规模电动汽车接入电网将对电网产生影响，如果电动汽车进行无秩序的充电，将可能对电网运行产生负面影响，同时可能破坏电力市场秩序。所以，研究电动汽车接入电网后其充电行为对电网产生的影响，对电网的稳定运行具有重要意义。

本文主要以私家车类型的电动汽车为研究对象，以常规充电的模式进行充电，提出了充电负荷计算模型，利用蒙特卡洛算法抽取一定数量电动汽车的开始充电时刻，用充电时长概率密度函数公式产生充电时长随机数，模拟电动汽车充电，得到该类型电动汽车在无序充电时的充电负荷曲线。然后提出一种有序充电方法，将蒙特卡洛算法模拟得到的负荷曲线作为约束条件，以电动汽车接入电网后的电网负荷方差最小和电动汽车用户所花电费最少为目标函数，利用线性加权和法将多目标优化函数作归一化处理，转化为单目标优化函数，并利用MATLAB软件中的非线性规划的函数寻优算法寻找最优解，使电动汽车接入电网后的电网负荷方差最小。经过仿真计算分析，验证了本文中有序充电方法的可行性。

关键字：电动汽车；无序充电；充电负荷模型；蒙特卡洛算法；有序充电

Abstract

The development of electric vehicles can reduce dependence on oil and effectively solve environmental pollution. However, large-scale electric vehicles connected to the power grid will have an impact on the grid. If electric vehicles are charged in an unorderly manner, it may have a negative impact on the operation of the grid and may damage the order of the electricity market. Therefore, it is of great significance to study the influence of the charging behavior of electric vehicle on the power grid after it is connected to the grid.

This paper mainly takes the electric vehicle of the private car type as the research object, carries on the charge with the conventional charging mode, and puts forward the charge load calculation model. Monte Carlo method is used to extract the starting time of a certain number of electric vehicle users, and the long probability density function formula is used to generate the random number of charging hours, which simulates the charging of electric vehicles. The charging load curve of this type of electric vehicle under disordered charging is obtained. Then an orderly charging method is proposed, the load curve simulated by Monte Carlo algorithm is used as the constraint condition, the minimum load variance of electric vehicle after the power grid is minimized and the electricity consumption of electric vehicle users is at least the objective function, and the multi-objective optimization function is normalized and transformed into single objective optimization function by linear weighted sum method. The optimal solution is found by using the function optimization algorithm of nonlinear programming in MATLAB software, which minimizes the load variance of electric vehicle after the power grid is connected. The feasibility of the ordered charging method in this paper is verified by simulation calculation.

Key Words: electric vehicle; disordered charging; charging load model; Monte Carlo method; orderly charging

目 录

第1章 绪论 1

1.1本文研究的目的与意义 1

1.2大规模电动汽车接入对电网影响的简述 1

1.3有关有序充电方法的简述 3

1.4关于电动汽车充电负荷计算的简述 4

1.5本文研究内容及章节安排 5

第2章 研究方法 7

2.1蒙特卡洛算法 7

2.1.1蒙特卡洛算法概述 7

2.1.2蒙特卡洛算法实施步骤 7

2.1.3蒙特卡洛算法的应用 8

2.2非线性规划 8

2.2.1非线性规划概述 8

2.2.2非线性规划及MATLAB软件 9

2.3线性加权和法 9

2.4本章小结 10

第3章 电动汽车充电负荷计算 11

3.1电动汽车充电负荷计算模型 11

3.2基于蒙特卡洛算法的充电负荷计算 12

3.3在MATLAB软件中的编程与仿真过程 14

3.4本章小结 16

第4章 电动汽车有序充电方法 17

4.1假设条件 17

4.2有序充电方法 17

4.3在MATLAB软件中的编程与仿真过程 18

4.3.1在MATLAB软件中的编程 18

4.3.2仿真过程 19

4.4本章小结 20

第5章 结论与展望 21

5.1研究结论 21

5.2研究展望 21

致谢 23

参考文献 24

附录A MATLAB编程代码 28

附A1 基于蒙特卡洛算法的充电负荷计算 28

附A2 有序充电优化 29

第1章 绪论

1.1本文研究的目的与意义

随着全球能源危机的不断加深、环境污染严重，能源供给、环境保护等问题日益突出。在此情形下，电动汽车作为一种新型的交通工具，具有显著的环保和节能减排优势，受到了各国政府、汽车生产商以及动力企业的普遍关注^[1]。世界各国政府相继出台有关政策推进电动汽车产业的发展，美国相关部门实施了 Electric Vehicles Project（EV Project）^[2]计划，通过免费为电动汽车用户建立家用充电桩来推行电动汽车的应用。中国也施行了“十城千辆”方案^[3],该方案计划两三年内在中国部分城市推行电动汽车的示范运营，包括公交车、公务车和出租车等。

大规模的电动汽车接入电网将对电网产生一些影响，如果电动汽车进行无秩序的充电，将可能对电网运行产生负面影响，同时可能破坏电力市场秩序，研究电动汽车接入电网后其充电行为对电网产生的影响，对电网的稳定运行具有重要意义。因此，本设计的目的与意义在于，设计出比较合理的电动汽车有序充电的方法，对大规模电动汽车接入电网的充电进行优化，实现对负荷的削峰填谷，减轻电网负担。

1.2大规模电动汽车接入对电网影响的简述

我国电动汽车产业发展十分迅速，大规模电动汽车的无序充电行为将给电网带来较大影响，包括对电网电能质量、负荷平衡及电网稳定性等的影响。

电动汽车接入电网对电能质量的影响。大规模电动汽车随机接入电网，会造成谐波污染、电压偏移、三相不平衡等电能质量问题。文献[4]中利用电流的比值，来反映电网的三相平衡水平，结果显示，大规模电动汽车随机充电时，电网将会出现三相不平衡的状态。文献[5-6]研究了电动汽车的无序充电行为对电网的影响，研究显示，电动汽车的无序充电将造成电网电压畸变，使得电网电压的偏差超过其安全运行水平，不利于电网的安全稳定运行。文献[7]中提到大规模电动汽车的无序充电会使电网网络损耗明显增大，并且恶化电能质量；但是，假如对电动汽车进行有秩序的充电，则可以降低电网的峰荷需求，并在一定程度上降低上述负面影响。文献[8]从不同规模的电动汽车分析了其充电行为对电网的影响，结果显示，当电动汽车的规模比较大时，由于流经线路的电流增大，导致线路的负载太重，线路负载的损耗增大；同时较大规模的电动汽车接入电网充电会影响线路的节点电压，特别是末端的节点电压会严重降低，影响电网用户的正常用电水平。

电动汽车接入电网对负荷平衡的影响。文献[9]根据蓄电池的充电特性建立了电动汽车的随机充电模型，得到的电网负荷调节曲线表明，假如电动汽车用户在电网高峰时对电动汽车进行充电，非但不能对电网起到负荷调节的作用，反而会增大峰值负荷，对电网造成非常不利的影响。文献[10]指出大规模电动汽车选择在不同的时间进入充电站进行充电可以使充电站内负荷相对平滑，对功率的需求降低，但是，如果电动汽车集中接入电网，则会使充电站的负荷压力显著增大。文献[11]研究了电动汽车接入电网对葡萄牙电网的影响，在电动汽车数量较多的情况下，电动汽车接入电网将会改变电网负荷曲线，也可能会导致部分线路容量越限。文献[12]中提到大规模电动汽车有可能会集中在一些局部地域，进行无序充电，其将引起电网的局部过负荷问题。因为电动汽车充电具有较大的随机性，大规模电动汽车接入电网的活动，将会给电网的运行带来明显的不确定性，给电网的稳定运行带来隐患^[13]。文献[14]研究了大规模电动汽车接入对电网稳定性的影响。结果显示，大规模电动汽车的接入使电网对扰动更加敏感，受到干扰后的电网稳定性变差。文献[15]研究表明，接入电网的大规模电动汽车无序充电时，导致电网负荷峰值太高，打破其供需平衡，进而影响电网的电压稳定。

电动汽车接入电网对电网经济性的影响。这种影响主要表现在，接入电动汽车前后电网网络损耗的变化情况，文献[16]分析计算了电动汽车接入电网后系统的网络损耗，结果显示电动汽车接入电网后网络损耗较之前有所增加。文献[17]分析计算了电动汽车渗透率为25%及50%情况下电网的网络损耗情况，计算结果显示，大规模电动汽车的接入将导致网络损耗增加。在文献[18-19]中，作者搭建了基于二次规划及动态规划2种方法的有序充电模型来评估多个情形下电动汽车充电对电网的影响。文中考虑了负荷预测方面的误差，分析了造成的功率损耗和电压偏差，比较了在没有电动汽车接入、电动汽车无序充电以及电动汽车有序充电3种情形下电网网络损耗的大小。仿真结果表明，电动汽车无序充电时电网网络损耗增加明显，而有序充电时电网网络损耗则增加很小。文献[20]也表明，假如电动汽车可以协调统筹充放电，就能改善电压波形和减少功率传输损耗。由上可以得到，电动汽车的有序充电方法在研究充电导航等方面有帮助，在有序充电方法引导下的电动汽车的充电行为才有可能实现用户、电网公司和充电站运营商的多方共赢。

通过以上文献可知，大规模电动汽车接入电网存在一定风险，对电网的稳定运行会产生一些影响，电动汽车的无序充电行为将导致电网的稳定性下降、网络损耗增加等负面影响，而对电动汽车的充电进行优化则能够有效地减轻这些负面影响。国内外研究人员结合用户的充电需求等有关信息，提出了一系列电动汽车有序充电方法研究，对电动汽车的充电进行优化。

1.3有关有序充电方法的简述

电动汽车有序充电方法是指，在满足电动汽车充电需求的条件下，利用有效实际的经济或技术措施引导和控制电动汽车进行充电，对电网的负荷曲线进行削峰填谷，使负荷曲线的波动减小，确保电动汽车与电网的协调发展、互动发展。电动汽车在充电时不光受到电网的影响，还受到人类行为的影响。因而，有序充电方法不仅要满足用户的需要，还要满足电网的需要：既要保证为用户供给足够的电力，也要尽量降低电网的运行成本。所以，大规模电动汽车接入电网后，电动汽车有序充电方法的研究已日益成为人们关注的热点问题。

关于侧重于不同优化目标的有序充电方法，有如下几类：

第一种是以电网侧的角度出发考虑问题的有序充电方法。文献[21]建立了以峰谷差率最小为有序充电调度目标的优化模型，考虑了电动汽车充电的不确定性，分析了电动汽车用户的使用需求，但没有具体考虑用户的充电需求。文献[22]提到的电网级控制系统采用以减小综合负荷方差为目标的优化模型，在合理的引导范围内规划电动汽车充电的策略，但文献中没有考虑电网的网络损耗和负荷的节点电压约束等问题。文献[23-24]以负荷变化方差和馈线损耗为目标建立有序充电模型，用来降低网络损耗，提高计算速度。文献中对电动汽车充电的顺序进行了优化规划，但对优化每辆电动汽车充电功率和充电时长研究的较少。文献[25]建立了以减小电网负荷曲线波动为目标的优化模型，采用遗传算法对谷电价时间段内用户的充电时间进行了求解优化。但是并没有从全局角度考虑当用户随机到来充电时，如何调整充电策略才能在有效减小电网负荷曲线波动的同时满足电动汽车用户的充电需要。文献[26]建立了以减小电网负荷曲线波动为目标的优化模型，在确保电网正常运行和变压器不过载的条件下，最大程度地满足用户充电需要，但文献中仅考虑了充电功率的影响，没有考虑其它因素影响下可能出现的情况。文献[27]提出了以移峰填谷为目的的局部充电策略和全局充电策略。文献[28]提出了一种基于峰谷电价的电动汽车有序充电的模型，通过调整电价来引导用户的开始充电时刻，并与充电持续时间配合，力求能在谷电价时段将电池充满，这样既能减少用户的充电费用，又能够引导电动汽车来削峰填谷。文献[29]基于实测的充电负荷数据，提出了一种基于负荷预测的有序充电方法，建立优化方程并进行求解，得到最优充电开始时间，以此来调节总的负荷功率曲线，减小峰谷差。

以上文献都以减小负荷曲线波动作为电动汽车有序充电的控制目标，可以达到减少电网运行和投资成本的目的，有助于电网负荷的削峰填谷。但文献大都以电网侧的角度出发，没有结合用户体验及需求进行规划分析，有序充电方法不光要能减小电网峰谷差，还要确保在电网稳定运行的前提下尽可能地满足用户的充电需求。

第二种是侧重于提高用户满意度和用户充电需求的有序充电方法。文献[30-31]根据电网分时电价时段的划分与电网负荷波动的情况，提出了规划电动汽车充电分时电价时段的方法，构建了以用户充电费用最小为优化目标的数学模型，来提高用户满意度。文献[32]建立了在分时电价机制下充电成本最优和用户出行时间最优两种不同目标下的电动汽车路径选择和充电导航优化模型，来满足用户的充电需求。文献[33]提出了基于分时电价引导的电动汽车有序充电方法，不仅降低了用户充电费用和商家购电成本，而且实现充电负荷更好地接入电网。文献[34]提出了一种有序充电方法，通过计算分析电动汽车的充电优先级，确保电动汽车最大程度地达到用户预期的电荷状态。结果显示，采用限制功率的有序充电方法能可以有效地减小负荷曲线波动，同时能有效地减少用户的充电费用，进而提高电动汽车用户满意度。文献[35]提出了一种以电动汽车用户收益最大化为目标的电网互动(vehicle to grid，V2G)优化控制策略，来提高用户满意度。文献[36]采用动态规划的措施，基于未来电价的预测值，经过优化电动汽车的充电时长来节省用户的充电费用。

还有一种是比较综合的共赢优化的有序充电方法，既能保证电网侧的利益，也能提高用户满意度和充电需求。文献[37]在考虑充电功率约束的条件下，采用动态响应的分时电价，提出了最小化用户充电费用和削峰填谷的有序充电启发式方法。文献[38]基于迭代的方法，建立了线性编程模型，以达到使电力分销公司利益最大化和满足充电需求和网络安全约束的目的。仿真结果显示，有序充电方法可以帮助电力分销公司来提高他们的盈利能力和电网电压波形，而其考虑的电压约束可以有效地提高电压电平。文献[39]提出了一个用户、车队控制员和电网调度员三方协调配合的有序充电方法，尽可能降低成本满足用户充电需求的同时，保证电网负荷容量的适量，防止充电堵塞问题。

在研究有序充电方法时，一部分文献以减小负荷曲线波动为目标建立优化模型，研究过程中要进行电动汽车充电负荷计算，通过研究分析电动汽车的充电负荷曲线来对建立的模型进行优化。

1.4关于电动汽车充电负荷计算的简述

文献[40-41]叠加了电动汽车充电负荷在1天的各种分布历史负荷曲线，经过分析，得到了电动汽车充电对日负荷曲线的影响。

文献[42]研究分析了将来主要类型的电动汽车对应的充电时间和充电方式，提出了电动汽车的充电负荷计算模型，并提出了基于蒙特卡洛算法的电动汽车充电负荷计算方法，并对中国将来电动汽车的充电负荷进行了分析计算。

文献[42-44]分别考虑了电动汽车用户充电的随机性，通过蒙特卡洛算法对各种随机性进行模拟，得到了一定数量电动汽车的叠加充电负荷曲线，并建立了日行驶里程和开始充电时刻的概率模型，提到了充电时长，但并未以其为影响电动汽车充电负荷变化的主要因素。

文献[45]提出了考虑复杂因素影响的充电负荷模型和电动汽车充电负荷的简化模型，模型用于充电站负荷的仿真和预测，影响因素中只是提到了充电时长，并未展开研究讨论。

文献[46]搭建了一种电动汽车充电负荷模型，预测分析了大规模电动汽车接入对电网负荷的影响，分别对无序充电、转移峰值充电两种情形进行了不同条件下的分析，最后将两者进行比较。

电动汽车充电负荷的主要影响因素包括日行驶里程、充电时长、开始充电时刻、充电功率、起始荷电状态等，上述文献计算分析了不同影响因素下的充电负荷，大规模电动汽车接入电网，其充电负荷使得电网的总负荷显著增大，给供电安全造成压力，影响电网的安全稳定和经济运行。所以对电动汽车充电行为加以控制，实施有序充电策略，对电网的稳定运行具有重要意义。

1.5本文研究内容及章节安排

本文研究的基本内容为设计一种有序充电方法，可以实现对电网的负荷曲线削峰填谷，使负荷曲线的方差较小。以电动汽车随机充电负荷的分布曲线作为约束条件，以减小电动汽车接入电网后的电网负荷方差为目标函数，进行有序充电优化。本论文的主要结构和研究内容如下：