基于排队论的电动汽车充电站选址定容研究

发布时间：2016-04-27 11:41

1绪论

1.1研究背景
全球对石油作为运输燃料的高度依赖己经造成了一系列的问题,例如:大气污染,油价上升,中东地区的政治不稳定性,以及全球气候变暖。这些广泛的负面影响引起社会上对减少石油使用的呼吁。尽管提高石油的使用效率可以在一定程度上减少能量的损耗,但是从长远来看,摆脱对石油的依赖型,更有效的方法是用另一种能量来源来代替石油,尤其是汽车和卡车的燃料来源。根据调查显示,中国是一个汽车消费大国,我国汽车的需求量年平均增长21.8%,远远高于全球年平均2.7%的增长幅度,这些汽车的使用都依赖于石油。但是,随着汽车消费的快速增长,不仅使得石油供应安全面临严峻的形势,同时也带来了严重的环境污染问题。根据调査显示,目前汽车的有害排放物质已经成为世界性大气污染的重要来源,数据表明,目前,城市中60%的一氧化碳、50%的氣氧化合物和30%的碳氢化合物污染均来源于机动车的尾气排放,同时交通车辆还带来了城市中80%的噪音污染。自上世纪70年代起,世界各国人民开始关注“可持续发展”相关的话题。央视主持人柴静制作的雾霾记录片《穹顶之下》,不到一天时间,视频的点击率就已突破三千万,这一数据表明,环境污染问题己成为全民关注的重点。而根据数据显示,笼罩30个省(市)的雾霜的最主要产生原因之一就是机动车的尾气,例如,北京雾霾颗粒中机动车尾气占22.2%。大气环境的污染,加上全球石化能源的供应短缺问题,节能减排已成为刻不容缓的头等大事,寻找新型能源替代传统燃料也因此也成为未来的重要发展方向。电动汽车在使用过程中具有零排放或者超低排放、低噪声且低热辐射等特性,同时,电能来源也越来越多样化、清洁化,因此既减少环境污染又降低碳排放的电动汽车,即兼具“节能”与“环保”特性的电动汽车在资源和环境的双重约束下,被社会普遍认为是理想的燃油汽车替代品。近年来,我国电动汽车领域已经攻克了许多决定性的技术难题,部分己实现跟欧、美、日同步发展。虽然电动汽车技术的发展促进了电动汽车产业的壮大,但是充电设施网络的不完善依然很大程度上阻碍了电动汽车的广泛应用。2010年年初,国际气候组织对40多名电动汽车相关行业专家进行了访谈,访谈结果表明充电基础设施建设的重要程度在电动汽车发展众多影响因素中排名第2,并且超过了购买价格因素,仅仅落后于电动汽车的电池技术因素。
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1.2电动汽车发展现状
中国在电动汽车技术研发活动及示范推广工作上一直处于世界的前列,尤其是在电动汽车示范推广方面。"八五”时期,我国首次确立电动汽车研究项目;“十五”时期,确立“三横三纵"布局,研发样车,着手推广;“十二五”时期,加强市场试营和商业化推广。为了推动电动汽车在国内的普及范围,政府也先后相应出台了一系列相关利好政策,如:2009年6月17日,工业和信息化部发布了《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》,该管理规则按照相关指标将新能源汽车分为三个技术阶段,并指出不同技术阶段的相对应的管理方式,同时还规定了新能源汽车产品和企业的准入条件。2010年6月,财政部、科技部、工业和信息化部、国家发展改革委联合出台了《关于幵展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》,文件中提出对试点城市私人购买、登记注册和使用的插电式混合动力乘用车和纯电动用车给予一次性补贴。2012年三月,财政部、工信部和国家税务总局发出通知,为促进新能源的汽车、船舶的发展,节约能源,经国务院批准,从2012年1月1日起,节约能源的车船,可享受减半征收车船税的优惠;以新能源作为燃料的车船,可以不用缴纳车船税。2014年3月,《天津市小客车总量调控管理办法》中特别规定新能源车购置可直接申领号牌,没有限制购买的约束。2014年8月中旬,工信部公布了免征新能源汽车车辆购置税等相关事项,规定自2014年9月1日至2017年12月31日,新能源汽车将免征车辆购置税。2015年4月,北京市政府在发布新一轮尾号限行措施时,也发布了消息称自2015年起,纯电动小客车不受尾号限行影响。
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2相关理论及研究综述

2.1电动汽车及服务设施简介
电动汽车以车载电源为动力,在使用过程中对环境影响较小,在空气污染及石油燃料不足的环境下,是传统汽车的最佳替代品。目前市场上的电动汽车主要分为三种:纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电动汽车。纯电动汽车由电动机驱动;混合动力汽车的驱动包括可再充的电动存储装置和可消耗的燃料;燃料电动汽车则是以燃料电池作为动力电源。这三种电动汽车相对于传统汽车而言,最大的优点在于零排放或者近似零排放,从而减轻了给环境带来的污染。但是,与传统汽车相比,由于技术的限制,目前市场上的电动汽车仍然存在一些不足之处。由于电池技术的限制,目前,市场上存在的电动汽车的续航里程基本处于50公里到250公里之间,少量高端车型续航里程达到300公里,大部分的电动汽车的续航里程不超过150公里,而普通的燃油汽车的续航里程都能达到500公里以上。对于在高速公路上行驶的电动汽车,在建设充电设施时,需要充分考虑电动汽车的续航里程问题。
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2.2电动汽车充电服务设施研究现状
由于电动汽车市场规模的不断壮大,电动汽车配套的充电设施建设问题也逐渐引起各个领域相关学者的重视。目前国内外对于电动汽车充电设施服务网络规划研究主要可以分为定性和定量两个方面。定性研究主要是从定性的角度来研究电动汽车充换电设施网络规划的标准、影响因素、方法和对电网的影响等多方面情形。在国内,居勇(2011)探讨了建设电动汽车充电站的约束条件及综合效益分析;许文超,牛涛(2011)研究了电动汽车充电站需求影响因素。高瑞蹇(2012)主要研究了我国电动汽车充电设施建设及标准化概览;鲁莽,周小兵,张维(2010)介绍了国内外电动汽车充电设施的发展状况,同时对未来我国电动汽车充电的商业模式及发展前景进行了初步研究,提出积极推动电动汽车充电设施建设应是电网企业义不容辞的责任;冯超等(2012)采用Delphi法建立电动汽车充电站站址综合评价指标体系,采用GAHP法量化定性影响因素,从而提出一种新的综合评价方法;张志伟和顾丹珍(2012)综述了电动汽车充电对电网的影响。在国外,Amoroso和Cappuccino (2011)提出对不同的充电效率收取不同的费用,从而协调充电效率和充电速率的关系;Amoroso和Cappuccino (2011)提出对不同的充电效率收取不同的费用,从而协调充电效率和充电速率的关系;Kley和Lerch (2011)提出为了最小化电动汽车对电力网络的影响,电动汽车应该选在非峰值晚间时段进行充电,因此,在电动汽车配置的第一阶段,大部分的车辆应该在晚间在家里充电,公共的充电网络只是偶尔使用;Egbue和Long (2012)指出虽然插入式电动汽车(PEV)对环境有利,但是在PEV被广泛应用之前,需要克服一些社会、文化等方面的挑战,其中一个就是非家庭式充电设施的有限利用度.
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3高速公路网络上的电动汽车充电站选址定容......23
3.1问题描述23
3.2 FRLM 理论......23
3.2.1模型逻辑......23
3.2.2......FRLM......24
3.2.3......FRLM中路径上流量的确定......25
3.3基于FRLM的选址定容模型......26
3.3.1模型假设......26
3.3.2数学模型......27
3.3.3 模型求解......28
3.4 灵敏度分析......30
3.4.1行驶范围对实验结果的影响......31
3.4.2充电桩服务速率对实验结果的影响......32
3.5本章小结......34
4城区内的电动汽车充电站选址定容......35
4.1问题描述......35
4.2城区内电动汽车充电站选址定容模型......35
4.2.1模型假设......36
4.2.2数学模型......364.2.3模型求解......37
4.3灵敏度分析......40
4.3.1预算费用对结果的影响......40
4.3.2充电桩服务速率对结果的影响......41
4.4 本章小结......42
5 总结......43
5.1总结......43
5.2研究展望......44

4城区内的电动汽车充电站选址定容

城区内的电动汽车充电需求大部分产生在居住小区、购物中心和写字楼等节点上,因此,我们可以借鉴基于点需求的选址问题进行研究。基于点需求的电动汽车设施选址定容模型主要指的是充电需求产生在网络节点上时,且各个需求点之间是相互独立且随机产生的,如何选择充电站的地址及相应的配置数量,能够在最大的响应时间内,使得接受充电服务的电动汽车数量最大。

4.1问题描述

为了更好地推广电动汽车旳使用,政府及相关企业需要建设完善的充电设施网络,保证电动汽车在行驶过程中能够及时充电,车主不用担心在行驶过程中电动汽车电量耗完却无法充电的情形。同时,当电动汽车发出充电需求到到达充电站接受充电并离开的响应时间不应太长。本节引入响应时间的概念,响应时间包括从需求点到充电站之间的旅行时间和到达充电站后,在站内的逗留时间(逗留时间包括排队等待时间和充电服务时间),电动汽车应在承诺的响应时间范围内完成充电服务。本章节建立了非线性整数规划模型,并对该模型给出了相应的启发式算法。本章提出的模型,目标在于确定充电站的地址及站内配备的相应的充电桩数量,从而使得接受充电服务的电动汽车数量的期望值最大。因此,该模型的决策变量有两个,一个是选择决策,一个是定容决策。由于预算费用的限制,如果选择多个充电站,那么相应的配备的充电桩数量就会减少,虽然减少了从需求点到充电站之间的旅行时间,但是却增加了充电站内排队等待的时间;如果选择在一个充电站内配备较多的充电桩,那么可选择建设的充电站数量就会减少,这样虽然减少了充电站内排队等待的时间,但是也相应增加了从需求点到充电站之间的旅行时间。Benedict,Daskin,ReVelle和Hogan研究的拥挤情况下的服务系统最大覆盖问题中,建立了一个使得服务站可以覆盖的期望需求量最大的模型,他们的研究为本文的研究提供了理论基础。本文通过建立相应的模型确保选址和定容两个决策变量最优。

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总结

在节能减排的号召下,电动汽车成为传统燃油汽车的替代物,加快推广电动汽车的使用十分重要。为了消除电动汽车在行驶过程中电量耗尽而没有充电设施的顾虑,建设配套合理的充电站网络迫在眉睫。与传统燃油汽车相比,电动汽车充电的时间比较长,不可忽略,较少的站内配套设施数量将会造成较长的排队队伍。由于预算费用的限制,如果选择多个充电站,那么相应的配备的充电桩数量就会减少,因此,虽然充电站提供的服务覆盖水平增加,但是却也相应增加了充电站内排队等待的时间;如果选择在一个充电站内配备较多的充电桩,那么可选择建设的充电站数量就会减少,这样虽然减少了充电站内排队等待的时间,但是也相应减少了充电站的服务范围。因此,在规划充电设施网络时,除了要考虑服务数量之外,还应考虑服务水平。本文以电动汽车发展现状为背景,主要研究了带有时间效率的电动汽车充电站选址定容问题。本文结合排队论相关知识和现有选址理论知识,分析不同场景下电动汽车充电站的选址定容问题,建立不同需求模式下的电动汽车充电站选址定容问题。本文的研究中,假设电动汽车充电需要的产生服从泊松分布,充电时间服从负指数分布,即电动汽车充电站排队系统为M/M/n模式。基于充电站的排队模型,通过分析、建模和数值实验等步骤,研究了不同条件下的充电站选址定容问题。本文主要研究了基于路径需求和基于点需求的电动汽车充电站选址定容问题。速公路网络上的电动汽车充电站选址定容问题,是一种基于路径需求的选址定容问题,以网络中的起点到终点路径中的电动汽车流为需求对象,研究了如何决策充电站地点和站内配备的充电桩数量,使得在最大容忍排队等待时间范围内,网络中服务电动汽车充电需求最大的问题。
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参考文献(略)

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本文编号：40829