考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化方法、系统及设备与流程

本发明属于电动汽车换电站，具体涉及一种考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化方法、系统及设备。

背景技术：

1、随着电动汽车渗透率的不断增加，传统充电设施越来越难以满足电动汽车用户的充电需求。目前两种大规模采用的主流充电方式为交流慢充和直流快充，其中前者主要应用于私人充电桩而后者主要应用于充电站中的公共充电桩，私人充电桩要求拥有私人停车位，而相当数量的电动汽车用户并不具备这样的条件，充电站中的公共充电桩虽然有着相对于交流慢充更快的充电速度，但是其充电耗时仍然较长，且由于充电服务设施有限，在充电需求高峰期往往会出现需要排队充电的情况。另一方面，快速充电的充电负荷很大，其在充电需求高峰期集中接入时将对电网产生较大的冲击。

2、为了应对上述问题，开发了电动汽车换电模式。采用换电模式时，电动汽车用户仅需要在换电站中将车内电量较低的动力电池进行更换，其车辆补电耗时大大低于采用传统快速充电的耗时，而换电站则负责储存和为动力电池进行充电，在动力电池储量足够多的情况下，充电站可以使用更低的功率，并在夜间等负荷低谷期为动力电池进行充电，从而降低充电负荷对电网带来的影响。

3、虽然电动汽车换电模式拥有上述诸多优势，但由于其需要大量动力电池，且须要频繁的对动力电池进行充放电，这种高强度的使用会加速其的损耗。考虑到电动汽车用户的使用方便，当动力电池的剩余容量低于临界值时，即不再适合用于为电动汽车用户提供换电服务。为了将电池的经济效益最大化，有研究提出可以将退役的动力电池进行梯次利用，将其用以作为换电站内的储能设备，在负荷低谷期充能，并在负荷高峰期为换电站提供一定的负荷支撑。

4、然而现有动力电池梯次利用策略往往仅考虑了电池本身的经济价值，而没有考虑其在整个寿命周期内的碳中和成本，电池从材料的生产到报废回收，所有环节都与碳排放息息相关；并且在优化换电站内设施运行时，未全面考虑由换电服务导致的系统综合成本，不能达到经济效益最大化。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种旨在最小化由换电服务导致的系统综合成本，最大化经济效益的考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化方法、系统及设备。

2、为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化方法，所述优化方法包括以下步骤：

4、s1、构建电动汽车换电站运行优化模型；所述电动汽车换电站运行优化模型的目标函数为由于换电服务导致的系统综合成本最小，约束条件包括动力电池数量约束、换电站站内充放电运行约束、配电网约束；

5、s2、基于构建的电动汽车换电站运行优化模型进行仿真计算，输出优化后的换电站运行方案，所述换电站运行方案包括换电系统的运营策略、光伏的消纳策略、储能的运行策略、动力电池充电设施的运行策略以及不同换电站间的动力电池运输策略。

6、所述系统综合成本包括碳排放成本、动力电池配置成本、储能配置成本以及用电成本，所述目标函数为：

7、；

8、；

9、；

10、；

11、；

12、上式中，为系统综合成本；为碳排放成本；为动力电池配置成本；为储能配置成本；为用电成本；为单位碳排放治理成本；为考虑动力电池全寿命周期的总碳排放；为一年中典型日的数量；为动力电池单价；为储能系统单价；为一年中整个系统需要补充的储能系统的容量；为动力电池作为储能的实际最大荷电状态下限值；为一年中整个系统需要补充的用于换电服务的动力电池总量；为一年内整个系统中梯次利用转为用于储能的动力电池数量；为作为储能使用阶段的动力电池的平均容量；为购电单价；为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；、分别为动力电池及储能荷电状态的下限、上限；为换电服务使用阶段的动力电池的平均容量；为动力电池进行充电的能量转换效率。

13、所述考虑动力电池全寿命周期的总碳排放基于动力电池全寿命周期碳排放模型计算得到，所述动力电池全寿命周期碳排放模型为：

14、；

15、；

16、；

17、；

18、；

19、；

20、；

21、；

22、；

23、；

24、；

25、上式中，为铝材料的开采和制备产生的碳排放；为动力电池活性材料开采、转化和精炼产生的碳排放；为动力电池生产过程中干燥和加热等步骤产生的碳排放；为动力电池转运所导致的碳排放；为配置储能系统导致的碳排放；为动力电池报废回收阶段导致的碳排放；为每千瓦时动力电池由于铝材料的开采和制备产生的碳排放；为每千瓦时动力电池由于动力电池活性材料开采、转化和精炼产生的碳排放产生的碳排放；为每千瓦时动力电池由于动力电池生产过程中干燥和加热等步骤产生的碳排放；为单个动力电池运送单位距离产生的碳排放；为单位容量的动力电池报废回收阶段导致的碳排放；为一年中整个系统需要补充的用于换电服务的动力电池总量；为一年内整个系统中梯次利用转为用于储能的动力电池数量；为一年中整个系统需要补充的储能系统的容量；为新动力电池的额定容量；为作为换电服务使用阶段的动力电池的平均容量；为作为储能使用阶段的动力电池的平均容量；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路处的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路处输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路处的换电站输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；、分别为动力电池及储能荷电状态的下限、上限；为动力电池衰减至无法作为换电使用的动力电池所经历的循环次数；为动力电池用于换电服务的实际最大荷电状态下限值；表示用于换电阶段的动力电池的平均荷电状态；为用于储能的动力电池的实际最大荷电状态下限值；表示用于储能的动力电池的平均荷电状态。

26、所述动力电池数量约束包括动力电池数量守恒约束、换电站中动力电池充电数量和换电数量的约束、动力电池仓库的储存能力约束；所述换电站站内充放电运行约束包括能量平衡约束、换电站内动力电池充电设施的功率约束、换电站内的光伏出力约束、储能的充放电功率约束、储能的荷电状态约束；所述配电网约束包括有功和无功功率平衡约束、配电网线路功率约束、配电网节点电压约束；

27、所述动力电池数量守恒约束为：

28、；

29、；

30、上式中，、分别为时段、时段道路处的换电站动力电池仓库中储存的待充电的动力电池数量；、分别为时段、时段道路处的换电站动力电池仓库中储存的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路的换电站向道路的换电站输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中执行换电服务的动力电池数量；

31、所述换电站中动力电池充电数量和换电数量的约束为：

32、；

33、；

34、上式中，为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路处的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路处的换电站输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中执行换电服务的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的完成充电的动力电池数量；

35、所述动力电池仓库的储存能力约束为：

36、；

37、；

38、上式中，为电动汽车交通流量中产生换电需求的电动汽车的比例；为时段道路处电动汽车交通流量；为道路处的换电站动力电池仓库储存动力电池数量的上限；

39、所述能量平衡约束为：

40、；

41、上式中，为时段道路处的换电站中光伏实际出力；为时段道路处换电站中储能的输入输出功率，时储能放电，时储能充电；为动力电池的额定容量；为动力电池进行充电的能量转换效率；、分别为动力电池及储能荷电状态的下限、上限；为时段配电网节点向道路处换电站输出的有功功率，节点为道路所对应的配电网节点；

42、所述换电站内动力电池充电设施的功率约束为：

43、；

44、上式中，为单位时长；为道路处的换电站中的动力电池充电设施数量；为动力电池的额定充电功率；

45、所述换电站内的光伏出力约束为：

46、；

47、上式中，为时段光伏的单位出力；为道路处的换电站中光伏的安装数量；

48、所述储能的充放电功率约束为：

49、；

50、上式中，、分别为单台储能的额定放电功率、额定充电功率；为道路处的换电站中储能系统的安装数量；

51、所述储能的荷电状态约束为：

52、；

53、上式中，为单台储能的安装容量；为储能的初始电量；为一个典型日中的任意一个时段；

54、所述有功和无功功率平衡约束为：

55、；

56、；

57、上式中，、分别时段配电网线路上传输的有功、无功功率，为与配电网节点相连接的配电网线路；为时段配电网节点处基础有功负荷；为换电站中对动力电池充电时的功率因数角；为时段配电网节点处的基础无功负荷；

58、所述配电网线路功率约束为：

59、；

60、上式中，为配电网线路的有功功率上限；

61、所述配电网节点电压约束为：

62、；

63、；

64、；

65、上式中，为时段配电网线路上的电压降；、分别为配电网线路的电阻、电抗；、分别为时段配电网节点、的母线电压；、分别为配电网母线电压的上限、下限；为配电网节点处在时段的电压。

66、第二方面，本发明提供一种考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化系统，所述优化系统包括模型构建模块、仿真计算模块；

67、所述模型构建模块，用于构建电动汽车换电站运行优化模型；所述电动汽车换电站运行优化模型的目标函数为由于换电服务导致的系统综合成本最小，约束条件包括动力电池数量约束、换电站站内充放电运行约束、配电网约束；

68、所述仿真计算模块，用于基于构建的电动汽车换电站运行优化模型进行仿真计算，输出优化后的换电站运行方案；所述换电站运行方案包括换电系统的运营策略、光伏的消纳策略、储能的运行策略、动力电池充电设施的运行策略以及不同换电站间的动力电池运输策略。

69、所述系统综合成本包括碳排放成本、动力电池配置成本、储能配置成本以及用电成本，所述目标函数为：

70、；

71、；

72、；

73、；

74、；

75、上式中，为系统综合成本；为碳排放成本；为动力电池配置成本；为储能配置成本；为用电成本；为单位碳排放治理成本；为考虑动力电池全寿命周期的总碳排放；为一年中典型日的数量；为动力电池单价；为储能系统单价；为一年中整个系统需要补充的储能系统的容量；为动力电池作为储能的实际最大荷电状态下限值；为一年中整个系统需要补充的用于换电服务的动力电池总量；为一年内整个系统中梯次利用转为用于储能的动力电池数量；为作为储能使用阶段的动力电池的平均容量；为购电单价；为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；、分别为动力电池及储能荷电状态的下限、上限；为换电服务使用阶段的动力电池的平均容量；为动力电池进行充电的能量转换效率。

76、所述模型构建模块还用于构建如下的动力电池全寿命周期碳排放模型：

77、；

78、；

79、；

80、；

81、；

82、；

83、；

84、；

85、；

86、；

87、；

88、上式中，为铝材料的开采和制备产生的碳排放；为动力电池活性材料开采、转化和精炼产生的碳排放；为动力电池生产过程中干燥和加热等步骤产生的碳排放；为动力电池转运所导致的碳排放；为配置储能系统导致的碳排放；为动力电池报废回收阶段导致的碳排放；为每千瓦时动力电池由于铝材料的开采和制备产生的碳排放；为每千瓦时动力电池由于动力电池活性材料开采、转化和精炼产生的碳排放产生的碳排放；为每千瓦时动力电池由于动力电池生产过程中干燥和加热等步骤产生的碳排放；为单个动力电池运送单位距离产生的碳排放；为单位容量的动力电池报废回收阶段导致的碳排放；为一年中整个系统需要补充的用于换电服务的动力电池总量；为一年内整个系统中梯次利用转为用于储能的动力电池数量；为一年中整个系统需要补充的储能系统的容量；为新动力电池的额定容量；为换电服务使用阶段的动力电池的平均容量；为作为储能使用阶段的动力电池的平均容量；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为道路处的换电站到道路处的换电站的路程；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路的换电站向道路输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；、分别为动力电池及储能荷电状态的下限、上限；为动力电池衰减至无法作为换电使用的动力电池所经历的循环次数；为动力电池用于换电服务的实际最大荷电状态下限值；表示用于换电阶段的动力电池的平均荷电状态；为动力电池作为储能的实际最大荷电状态下限值；表示用于储能的动力电池的平均荷电状态。

89、所述动力电池数量约束包括动力电池数量守恒约束、换电站中动力电池充电数量和换电数量的约束、动力电池仓库的储存能力约束；所述换电站站内充放电运行约束包括能量平衡约束、换电站内动力电池充电设施的功率约束、换电站内的光伏出力约束、储能的充放电功率约束、储能的荷电状态约束；所述配电网约束包括有功和无功功率平衡约束、配电网线路功率约束、配电网节点电压约束；

90、所述动力电池数量守恒约束为：

91、；

92、；

93、上式中，、分别为时段、时段道路处的换电站动力电池仓库中储存的待充电的动力电池数量；、分别为时段、时段道路处的换电站动力电池仓库中储存的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路的换电站向道路输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中执行换电服务的动力电池数量；

94、所述换电站中动力电池充电数量和换电数量的约束为：

95、；

96、；

97、上式中，为时段道路处的换电站中进行充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的待充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站中执行换电服务的动力电池数量；为时段道路的换电站向道路输出的完成充电的动力电池数量；为时段道路处的换电站向道路的换电站输出的完成充电的动力电池数量；

98、所述动力电池仓库的储存能力约束为：

99、；

100、；

101、上式中，为电动汽车交通流量中产生换电需求的电动汽车的比例；为时段道路处电动汽车交通流量；为道路处的换电站动力电池仓库储存动力电池数量的上限 ；

102、所述能量平衡约束为：

103、；

104、上式中，为时段道路处的换电站中光伏实际出力；为时段道路处换电站中储能的输入输出功率，时储能放电，时储能充电；为动力电池的额定容量；为动力电池进行充电的能量转换效率；、分别为动力电池及储能荷电状态的下限、上限；为时段配电网节点向道路处换电站输出的有功功率，节点为道路所对应的配电网节点；

105、所述换电站内动力电池充电设施的功率约束为：

106、；

107、上式中，为单位时长；为道路处的换电站中的动力电池充电设施数量；为动力电池的额定充电功率；

108、所述换电站内的光伏出力约束为：

109、；

110、上式中，为时段光伏的单位出力；为道路处的换电站中光伏的安装数量；

111、所述储能的充放电功率约束为：

112、；

113、上式中，、分别为单台储能的额定放电功率、额定充电功率；为道路处的换电站中储能系统的安装数量；

114、所述储能的荷电状态约束为：

115、；

116、上式中，为单台储能的安装容量；为储能的初始电量；为一个典型日中的任意一个时段；

117、所述有功和无功功率平衡约束为：

118、；

119、；

120、上式中，、分别时段配电网线路上传输的有功、无功功率，为与配电网节点相连接的配电网线路；为时段配电网节点处基础有功负荷；为换电站中对动力电池充电时的功率因数角；为时段配电网节点处的基础无功负荷；

121、所述配电网线路功率约束为：

122、；

123、上式中，为配电网线路的有功功率上限；

124、所述配电网节点电压约束为：

125、；

126、；

127、；

128、上式中，为时段配电网线路上的电压降；、分别为配电网线路的电阻、电抗；、分别为时段配电网节点、的母线电压；、分别为配电网母线电压的上限、下限；为配电网节点处在时段的电压。

129、第三方面，本发明提供一种考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化设备，所述优化设备包括存储器和处理器；

130、所述存储器，用于存储计算机程序代码，并将所述计算机程序代码传输给所述处理器；

131、所述处理器，用于根据所述计算机程序代码中的指令执行前述的方法。

132、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的方法。

133、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

134、1、本发明一种考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化方法，首先构建电动汽车换电站运行优化模型，再基于构建的电动汽车换电站运行优化模型进行仿真计算，输出优化后的换电站运行方案，换电站运行方案包括换电系统的运营策略、光伏的消纳策略、储能的运行策略、动力电池充电设施的运行策略以及不同换电站间的动力电池运输策略；该电动汽车换电站运行优化模型的目标函数为由于换电服务导致的系统综合成本最小，约束条件包括动力电池数量约束、换电站站内充放电运行约束、配电网约束；本设计通过构建的电动汽车换电站运行优化模型能够全面考虑由于换电服务导致的系统综合成本，在保证换电站正常运行的同时最大化系统经济收益。

135、2、本发明一种考虑碳排放的电动汽车换电站运行优化方法中，系统综合成本包括碳排放成本、动力电池配置成本、储能配置成本以及用电成本，在计算碳排放成本时，将动力电池全寿命周期所涉及的各个环节视为一整个系统，包括电池生产厂家和换电站，考虑了动力电池的生产、换电服务、站内再利用和拆解回收的全寿命周期，构建动力电池全寿命周期碳排放模型，基于该模型计算得到考虑动力电池全寿命周期的总碳排放，再基于考虑动力电池全寿命周期的总碳排放去计算最终的碳排放成本；以上设计能够降低碳排放量，最大化动力电池的环保性能。