CN104461689B - 基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法，属于电动汽车及其接入电网技术领域。本方法包括以下步骤：步骤一：初始化电动汽车相关参数；步骤二：判断电动汽车类别，根据不同的类别分别确定出所有电动汽车的入/出可控状态时刻表；步骤三：统计分析时刻表，得到区域内每一时刻的入可控状态电动汽车数量N'_in(t_i)和出可控状态电动汽车数量N'_out(t_i)；步骤四：计算入/出可控状态的累计车辆数；步骤五：计算可控电动汽车的数量。本方法能够很好的计算出区域内可控电动汽车的数量，计算得出各类可控电动汽车参与***调频的数量动态变化，同时，填补了该技术领域的空白，为深入研究电动汽车参与***调频，奠定了坚实的理论基础。

Description

基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模 拟方法

技术领域

本发明属于电动汽车及其接入电网技术领域，涉及一种基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法。

背景技术

电动汽车与电网互动(Vehicle-to-Grid,V2G)技术，是指电动汽车在受控状态下，实现与电网信息和能量的双向交换的一种新型技术。该技术强调的是电动汽车电池除了从电网吸收能量外，必要的时候可以将电池能量反馈给电网。V2G***是集电力电子、通信、调度、计量和负荷需求侧管理等众多技术于一体的高端综合应用***，它体现的是电动汽车电池的储能作用。利用V2G技术，可以使电动汽车向电网提供多种辅助服务，如：削峰填谷、频率调整、旋转备用等。

只有当电动汽车处于可控状态时，电动汽车才能向电网提供频率调整辅助服务，即电动汽车参与电力***调频。因此，研究某个时段电动汽车参与调频时，必须首先得到该时段范围内可控电动汽车数量的变化情况，才能进一步研究电动汽车如何参与***调频，及其对整个区域电力***频率的影响。

目前，对某个时段内参与***调频的可控电动汽车数量变化研究较为少见。国外一些国家已有一定规模实际运营的电动汽车，可得到部分电动汽车接入电网数量的实际数据，进而估算参与***调频的可控电动汽车数量变化。而国内，电动汽车尚处于初期市场推广阶段，电动汽车的数量很有限，缺少实际数据作为研究支持，且国内针对电动汽车参与***调频的研究并不多见，缺乏参与***调频的可控电动汽车数量变化的算法研究。

因此，目前急需一种能够对电力***调频可控电动汽车数量动态变化进行合理估计的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法，该方法通过采用蒙特卡洛方法来随机模拟电动汽车的运行情况，进而统计区域内可控电动汽车的数量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：初始化电动汽车相关参数；

步骤二：判断电动汽车类别，根据不同的类别分别确定出所有电动汽车的入/出可控状态时刻表；

步骤三：统计分析时刻表，得到区域内每一时刻的入可控状态电动汽车数量N′_in(t_i)和出可控状态电动汽车数量N'_out(t_i)；

步骤四：计算入/出可控状态的累计车辆数；

步骤五：计算可控电动汽车的数量。

进一步，在步骤二中，电动汽车类别可以分为电动公交车、电动公务车、电动私家车；其中：

电动公交车和电动公务车通过如下步骤得到入/出可控状态时刻表：

1)确定电动汽车接入电网的时刻；

2)抽取起始荷电状态值；

3)计算充电时长；

4)计算入可控状态时刻；

5)确定出可控状态时刻；

6)得到电动公交车和电动公务车的入/出可控状态时刻表；

电动私家车通过如下步骤得到入/出可控状态时刻表：

1)确定接入电网时刻所属时段；

2)抽取接入电网时刻；

3)抽取起始荷电状态值；

4)计算充电时长；

5)计算入可控状态时刻；

6)确定出可控状态时刻所属时段；

7)抽取出可控状态时刻；

8)得到电动私家车的入/出可控状态时刻表。

进一步，在步骤二中，采用蒙特卡洛方法对数据进行统计分析，得到区域内所有电动汽车的入/出可控状态时刻表。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法，能够很好的计算出区域内可控电动汽车的数量，计算得出各类可控电动汽车参与***调频的数量动态变化，同时，填补了该技术领域的空白，为深入研究电动汽车参与***调频，奠定了坚实的理论基础。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为电动汽车的状态转换示意图；

图3为可控电动汽车的数量变化情况。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本方法包括以下步骤：步骤一：初始化电动汽车相关参数；步骤二：判断电动汽车类别，根据不同的类别分别确定出所有电动汽车的入/出可控状态时刻表；步骤三：统计分析时刻表，得到区域内每一时刻的入可控状态电动汽车数量N′_in(t_i)和出可控状态电动汽车数量N'_out(t_i)；步骤四：计算入/出可控状态的累计车辆数；步骤五：计算可控电动汽车的数量。

其中，在步骤二中，采用蒙特卡洛方法对数据进行统计分析，得到区域内所有电动汽车的入/出可控状态时刻表。电动汽车类别可以分为电动公交车、电动公务车、电动私家车；电动公交车和电动公务车通过如下步骤得到入/出可控状态时刻表：1)确定电动汽车接入电网的时刻；2)抽取起始荷电状态值；3)计算充电时长；4)计算入可控状态时刻；5)确定出可控状态时刻；6)得到电动公交车和电动公务车的入/出可控状态时刻表；电动私家车通过如下步骤得到入/出可控状态时刻表：1)确定接入电网时刻所属时段；2)抽取接入电网时刻；3)抽取起始荷电状态值；4)计算充电时长；5)计算入可控状态时刻；6)确定出可控状态时刻所属时段；7)抽取出可控状态时刻；8)得到电动私家车的入/出可控状态时刻表。

为了对本方法进行充分阐述，现对电动汽车的状态情况进行如下说明：

如图2所示，通常，相比各种停车地点上停放的汽车数量，在路上行驶的汽车数量是极少的。同样，在电动汽车大量普及的未来，这样的情况是相似的。电动汽车将来能够在诸如工作单位停车场、居民小区停车场、商业娱乐区停车场等各种停车地点，快捷方便地通过电源插头接入电网。

电动汽车状态包括行驶状态、充电状态、可控状态和空闲状态。电动汽车不断在这4个状态间进行转换。

行驶状态：

车主出于驾驶的需求而拔出电动汽车电源插头，使得电动汽车脱离电网。电动汽车由空闲状态或可控状态(由此状态转出，属于出可控状态)转为行驶状态。

充电状态：

车主到达目的地后，***电动汽车电源插头为电池充电，电动汽车随即接入电网。对于接入电网时间较短的电动汽车，其状态立即由行驶状态转为充电状态；对于接入电网时间较长的电动汽车，只有接入电网时的初始荷电值SOC₀小于入可控状态时的入可控荷电值SOC_m，其状态才由行驶状态转为充电状态。此外，处于可控状态的电动汽车由于参与***调频，可能导致其SOC过低，则电动汽车可以由可控状态转为充电状态(此情况也属于出可控状态)，以保证电动汽车在进入行驶状态前，拥有足够的SOC，如图2中虚线所示。需要指出的是，处于充电状态的电动汽车不能响应***调频控制信号。

可控状态：

若电动汽车接入电网的时间较短，那么其参与***调频的效果不明显。因此，对于接入电网时间较长的电动汽车，如果SOC₀＜SOC_m，待其充电使电池SOC上升到SOC_m时，电动汽车由充电状态转为可控状态；如果SOC₀≥SOC_m，电动汽车接入电网后，可跳过充电状态，由行驶状态直接转为可控状态。以上两种情况均属于入可控状态。只有处于可控状态的电动汽车，才能响应***调频控制信号，从而向电网提供调频服务。

随着***频率的波动，在电动汽车参与调频过程中，其电池将适时地充放电，以响应***调频控制信号，从而引起电池SOC产生波动。为防止电池过度充电，可限定SOC上限为SOC_max。同样，为避免电池过度放电，可限定SOC下限为SOC_min。在限定SOC下限SOC_min时，若考虑电动汽车车主用车时间的随机性以及对车辆续航的要求，则SOC_min值较大；若不考虑上述因素，仅为了避免电池过度放电，则SOC_min值较小。电动汽车电池SOC的波动范围在(SOC_min，SOC_max)之间。

上述SOC_m可由式(1)计算得到。

空闲状态：

对于由可控状态转为充电状态的电动汽车，以及接入电网时间较短的电动汽车，在其充电计划完成后，由充电状态转为空闲状态。

只有处于可控状态的电动汽车，才能响应***调频控制信号，从而参与电力***调频。因此，必须首先建立可控电动汽车数量的动态变化模拟算法模型。区域内某一时刻的可控电动汽车数量，取决于该时刻入可控状态和出可控状态的电动汽车数量。在一天时间范围内，随着各个电动汽车可控状态的改变，区域内可控电动汽车数量将呈现出动态变化的过程。研究可控状态的改变，就必须结合电动汽车的行驶规律与状态转换特性来进行分析。

本发明采用蒙特卡洛方法来随机模拟电动汽车的运行情况：

设起始时刻为t₀，区域内电动汽车接入电网时刻为t₁，根据前述电动汽车可控状态部分的分析，设电动汽车充电时长为T₂，由此可得电动汽车入可控状态时刻t₃为：

t₃＝t₁+T₂ (2)

由于SOC₀与SOC_m的相对大小，根据入可控状态的两种情况分析，可得出T₂的计算式为：

式中，E_ev为单辆电动汽车的电池容量，P_ev为单辆电动汽车的充电功率，η_ev为充电效率。

对于电动汽车出可控状态时刻t₄。由前述出可控状态部分分析可知，如果电动汽车是由可控状态转为行驶状态，那么t₄就是电动汽车脱离电网时刻，也即车主驾车出行开始时刻。此时，t₄服从概率分布。如果电动汽车是由可控状态转为充电状态，为了延长电动汽车参与调频的时间，可采用快充方式，在进入行驶状态之前的较短时间内，迅速提高电池SOC，以满足电动汽车出发时具有较高SOC的要求。考虑时间裕度后，最大快充时长可设为一定值。一旦电动汽车的行驶出发时刻(即脱离电网时刻)确定，减去最大快充时长，t₄即可确定。

采用蒙特卡洛方法随机抽样电动汽车的接入电网时刻t₁，接入电网时的初始荷电值SOC₀和出可控状态时刻t₄，不断模拟每辆电动汽车的入/出可控状态，最终得到区域内所有电动汽车的入/出可控状态时刻表。

通过对电动汽车入/出可控状态时刻表进行统计分析，可以得到区域内每一时刻的入可控状态电动汽车数量N′_in(t_i)和出可控状态电动汽车数量N'_out(t_i)，由式(4)和式(5)可以计算出t时刻入可控状态的累计电动汽车数量N_in(t)和出可控状态的累计电动汽车数量N_out(t)。

此外，设t₀时刻的初始可控电动汽车数量为N₀。于是，t时刻的可控电动汽车数量N_c(t)如式(6)所示。

N_c(t)＝N₀+N_in(t)-N_out(t) (6)

根据各类电动汽车的行驶规律和电动汽车的状态转换特性，结合可控电动汽车数量的动态变化模拟方法，可以确定或假设各类电动汽车参与***调频的参数如下所述。

1)公交车。电动公交车仅在夜晚接入电网时间才较长，才可进入可控状态参与调频。电动公交车夜晚已停运，不存在用车时间的随机性问题，故可假设SOC_min为0.1。这样，电动公交车参与调频可能会导致SOC过低，其出可控状态应由可控状态转为充电状态(快充方式)。计及时间裕度后，假设最大快充时长为1h。此外，出于管理便利的考虑，公交公司可以统一安排区域内所有电动公交车的接入电网时刻t₁为23：00，脱离电网时刻(即电动公交车运营开始时刻)为第二天凌晨5：30。

2)公务车。电动公务车的情况与电动公交车类似。因此，假设电动公务车的SOC_min为0.1，最大快充时长为1h，接入电网时刻t₁为18：00，脱离电网时刻为第二天清晨7：00。

3)出租车。电动出租车全天大多数时间基本都处于正常运行状态(即行驶状态)，也就是说，一天24小时内，电动出租车接入电网时间均较短。因此，电动出租车不适合参与***调频。

4)私家车。电动私家车在工作单位和居民小区停车场的停放时间较长(即接入电网时间较长)，在商业娱乐区停车场的停放时间较短。其在工作日接入电网时间较长的时段，为车主早晨到达工作单位后至下班出发时间，以及下班或休闲娱乐后到家时间至次日早晨上班出发之前。假设车主在工作日下班后去休闲娱乐的比例为10％。

对于电动私家车，除了其行驶规律之外，还应该考虑车主用车时间的随机性问题，以及对车辆续航的要求，则SOC_min较大，假定SOC_min为0.6。于是，电动私家车出可控状态是由可控状态转为行驶状态。

综上所述，电动私家车接入电网时刻t₁在8：00—9：00之间(假定t₁服从均匀分布，即t₁～U(8,9))，以及17：30—19：00之间(车主下班后直接驾车回家，没有去休闲娱乐。假定t₁服从均匀分布，即t₁～U(17.5,19))，或者21：00—22：30之间(车主下班后随即去休闲娱乐，没有立即驾车回家。假定t₁服从均匀分布，即t₁～U(21,22.5))。电动私家车脱离电网时刻(即出可控状态时刻t₄)在7：30—8：30之间(假定t₄服从均匀分布，即t₄～U(7.5,8.5))，以及17：00—18：30之间(假定t₄服从均匀分布，即t₄～U(17,18.5))。

除了上述参数外，各类电动汽车的其它参数如表1所示。

表1各类电动汽车的参数

通过前述基于蒙特卡洛的参与电力***调频的可控电动汽车数量模拟算法，可以模拟计算得出各类可控电动汽车参与***调频的数量动态变化如图3所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：初始化电动汽车相关参数；

步骤二：判断电动汽车类别，根据不同的类别分别确定出所有电动汽车的入/出可控状态时刻表；可控状态是指：对于接入电网时间较长的电动汽车，如果SOC₀＜SOC_m，待其充电使电池SOC上升到SOC_m时，电动汽车由充电状态转为可控状态；如果SOC₀≥SOC_m，电动汽车接入电网后，可跳过充电状态，由行驶状态直接转为可控状态；SOC₀为初始荷电值，SOC_m为入可控状态时的入可控荷电值；

步骤三：统计分析时刻表，得到区域内每一时刻的入可控状态电动汽车数量N_i'_n(t_i)和出可控状态电动汽车数量N_o'_ut(t_i)；

步骤四：计算入/出可控状态的累计车辆数；

步骤五：计算可控电动汽车的数量；可控电动汽车是指入可控状态和出可控状态的电动汽车；

在步骤二中，采用蒙特卡洛方法对数据进行统计分析，得到区域内所有电动汽车的入/出可控状态时刻表。

2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛的电力***调频可控电动汽车数量动态变化模拟方法，其特征在于：在步骤二中，电动汽车类别可以分为电动公交车、电动公务车、电动私家车；其中：

电动公交车和电动公务车通过如下步骤得到入/出可控状态时刻表：

1)确定电动汽车接入电网的时刻；

2)抽取起始荷电状态值；

3)计算充电时长；

4)计算入可控状态时刻；

5)确定出可控状态时刻；

6)得到电动公交车和电动公务车的入/出可控状态时刻表；

电动私家车通过如下步骤得到入/出可控状态时刻表：

1)确定接入电网时刻所属时段；

2)抽取接入电网时刻；

3)抽取起始荷电状态值；

4)计算充电时长；

5)计算入可控状态时刻；

6)确定出可控状态时刻所属时段；

7)抽取出可控状态时刻；

8)得到电动私家车的入/出可控状态时刻表。