电动汽车充电设施优化规划与运行

《电动汽车充电设施优化规划与运行》基于国家重点研发计划“面向新型城镇的能源互联网关键技术及应用”（2018YFB0905000）、国家自然科学基金项目“计及电网和用户行为中多重随机性的电动车群有序充放电策略研究”（51477097）、国家自然科学基金项目“网状生态下计及分布式光储虚拟聚合的电动汽车快充站充电导航及优化运行策略研究”（52167014 ）、上海市青年科技英才扬帆计划“物联网环境下计及需求响应的城市电动汽车快充站优化运营策略研究”（19YF1423800）和上海市“科技创新行动计划”技术标准项目“面向双碳目标的光储充放一体化充电站集成及运行方式国际标准研究”（21DZ2204800）的相关研究成果。
《电动汽车充电设施优化规划与运行》的主要内容包括概述、电动汽车充电负荷建模与预测、电动汽车充电设施优化规划、电动汽车充电设施运行优化、电动汽车充电引导与路径规划、电动汽车参与电网调节互动、电动汽车充电设施参与电力市场模式分析等主要内容，聚焦于电动汽车充电设施优化规划与运行，主题鲜明、内容全面，主要读者对象包括电力系统、交通领域的专业技术人员，亦可作为高等院校本科生、研究生专业选修课的参考教材。

《电动汽车充电设施优化规划与运行》通过总结充电设施优化规划与运行方面多年来取得的研究成果，特别是基于国家自然科学基金项目、上海市科委科技计划项目和多项国家电网公司科技项目的研究成果编写而成。 《电动汽车充电设施优化规划与运行》共分为7章，包括概述、电动汽车充电负荷建模与预测、电动汽车充电设施优化规划、电动汽车充电设施运行优化、电动汽车充电引导与路径规划、电动汽车参与电网调节互动和电动汽车参与电力市场模式与机制等内容。 《电动汽车充电设施优化规划与运行》理论联系实际，可作为高等院校电气工程相关专业的教材和广大师生的学习参考用书，也可作为电力监管部门、电力企业、充电运营商等专业技术人员的学习用书。

周云，博士；现为上海交通大学电气工程系讲师、硕士生导师，担任兰州理工大学兼职硕士生导师；主持国家自然科学基金项目1项、省部级纵向课题4项，入选上海市青年科技英才扬帆计划，获评上海交通大学方太博约教育基金优秀青年教师奖。

冯冬涵，博士；现为上海交通大学电气工程系教授、博士生导师；主持国家自然科学基金项目4项，在国内外主流电力能源领域期刊发表学术论文100余篇，总他引1000余次；研究成果于2018年度和2022年度获上海市技术发明一等奖和上海市科技进步一等奖各1项。

李恒杰，博士；现为兰州理工大学新能源发电与综合能源系统研究所所长、副教授，中国自动化学会智能分布式能源专业委员会理事，中国电工技术学会青年工作委员会委员；在《中国电机工程学报》等期刊上发表论文70余篇，已授权发明专利4项，获甘肃省科技进步二等奖2项。

方陈，清华大学博士；现为国网上海市电力公司电力科学研究院科技发展部副主任、上海交通大学工程博士企业导师；从事智能电网领域的技术研发、工程应用与标准创制工作；曾获评国际电工委IEC 1906奖、电力优秀青年科技人才奖、上海市青少年科技创新市长奖、上海市青年科技启明星等荣誉。

第1章  概述 1
1.1  电动汽车及其发展历程 2
1.1.1  电动汽车的发展历程 2
1.1.2  电动汽车的发展现状 3
1.1.3  电动汽车对电网的影响与挑战 5
1.2  电动汽车充电设施分类与技术发展 6
1.2.1  充电设施分类标准 6
1.2.2  主流充电技术 7
1.2.3  前沿充电技术与模式创新 9
1.3  电动汽车充电设施规划建设需求 10
1.3.1  电动汽车充电设施的发展现状 11
1.3.2  电动汽车充电设施发展的政策导向 12
1.3.3  国内外电动汽车充电设施建设水平 14
1.4  充电设施运行优化及市场化路径 16
1.4.1  基于有序充电的充电设施运行优化 16
1.4.2  电动汽车和电网互动试点应用案例 18
1.4.3  充电设施运行市场化路径与政策展望 21
1.5  小结 23
第2章  电动汽车充电负荷建模与预测 25
2.1  城市电动汽车保有量中长期发展预测方法 26
2.1.1  电动汽车市场规模预测方法 26
2.1.2  考虑技术演进与竞争的预测模型 28
2.1.3  城市电动汽车保有量预测模型的不确定性分析方法 31
2.2  城市广域范围内电动汽车充电负荷时空分布预测方法 34
2.2.1  出行链理论 35
2.2.2  出行特性统计特征分析方法 37
2.2.3  基于电动汽车行为模型的广域范围充电需求建模 40
2.3  数据驱动的电动汽车充电站超短期负荷预测方法 45
2.3.1  电动汽车充电站负荷预测需求 45
2.3.2  超短期负荷预测框架构建策略 47
2.3.3  负荷预测模型仿真 52
2.4  小结 56
第3章  电动汽车充电设施优化规划 59
3.1  基于城市功能分区的充电桩群规划方法 60
3.1.1  电动汽车充电负荷建模方法 61
3.1.2  考虑多种充电设施的电动汽车多时空尺度充电模型 62
3.1.3  基于城市功能分区的充电桩群规划模型 63
3.1.4  算例分析 66
3.2  城市电动汽车充电站扩容规划方法 70
3.2.1  城市电动汽车充电站扩容规划模型 70
3.2.2  双层扩容规划的流程与求解方法 73
3.2.3  算例分析 78
3.3  光储充电站案例分析及容量配置方法 80
3.3.1  光储充电站案例分析 81
3.3.2  光储充电站光储容量优化配置方法 84
3.3.3  算例分析 89
3.4  小结 92
第4章  电动汽车充电设施运行优化 93
4.1  居住区充电设施运行优化方法 94
4.1.1  考虑充电负荷的居住区能量优化需求 95
4.1.2  考虑充电负荷的居住区能量两阶段实时优化运行方法 98
4.1.3  算例分析 102
4.2  商业楼宇充电设施运行优化方法 106
4.2.1  未来商业楼宇电能管理架构 107
4.2.2  考虑充电设施的楼宇运行优化方法 107
4.2.3  算例分析 111
4.3  光储充电站运行优化方法 116
4.3.1  光储充电站典型运行方式 117
4.3.2  光储充电站经济运行策略 118
4.3.3  算例分析 123
4.4  小结 126
第5章  电动汽车充电引导与路径规划 127
5.1  基于数字地图接口的动态路网模型 128
5.1.1  数字地图技术及应用 128
5.1.2  应用于电动汽车充电引导的数字地图接口参量分析 130
5.1.3  应用于电动汽车充电引导的数字地图接口调用过程 131
5.2  基于赋权二部图匹配的电动汽车充电引导方法 133
5.2.1  面向电动汽车用户的快充需求分析 134
5.2.2  面向充电站的快充需求分析 135
5.2.3  考虑充电冲突的电动汽车充电引导策略 136
5.2.4  算例分析 142
5.3  基于改进延迟接受算法的电动汽车充电引导方法 147
5.3.1  电动汽车充电引导需求及充电预约服务构架 147
5.3.2  基于改进延迟接受算法的充电匹配策略 148
5.3.3  算例分析 153
5.4  小结 157
第6章  电动汽车参与电网调节互动 159
6.1  电动汽车参与电网调节互动潜力评估 160
6.1.1  电动汽车潜力评估的建模方法 160
6.1.2  潜力评估模型的高效求解方法 164
6.1.3  电动汽车参与电网调节互动的潜力评估分析 169
6.2  电动汽车参与电网削峰填谷应用 172
6.2.1  面向私用桩的电动汽车削峰填谷应用 173
6.2.2  面向公共桩的电动汽车削峰填谷应用 178
6.3  电动汽车参与电网频率调节应用 186
6.3.1  电动汽车与电网信息互动架构 186
6.3.2  电动汽车参与电网频率调节实时能力评估 186
6.3.3  电动汽车参与电网频率调节实时指令分解 190
6.3.4  算例分析 195
6.4  小结 196
第7章  电动汽车参与电力市场模式与机制 199
7.1  国内外电力市场发展综述 200
7.1.1  国外电力市场发展概述 200
7.1.2  国内电力市场改革进程 205
7.1.3 上海电力现货市场建设 206
7.2  国内外电动汽车参与市场鼓励政策与典型模式 209
7.2.1  国内外电动汽车参与市场鼓励政策 209
7.2.2  国内外电动汽车参与市场试点分析 213
7.3  电动汽车充电站充电市场化实时定价机制 220
7.3.1  信息交互架构 220
7.3.2  充电市场主体建模 221
7.3.3  充电站联盟之间的博弈 224
7.3.4  算例分析 227
7.4  小结 231
参考文献 232

近年来，电动汽车及充电设施在中国发展得非常迅速。截至2021年年底，我国电动汽车充电设施规模达261.7万台，服务近800万辆电动汽车。2022年，根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟公布的最新数据，电动汽车及充电设施继续呈爆发式增长，1—12月充电设施增量为259.3万台，电动汽车销量达688.7万辆，桩车增量比达1∶2.7。在充电设施快速发展的同时，仍有许多突出问题不容忽视，包括：充电设施建设整体滞后于电动汽车市场规模的增长，缺乏对电动汽车中长期发展规模及充电设施建设需求规模的科学预测；充电设施发展不均衡、布局不合理，充电潮汐效应明显；充电设施运营效率低、盈利能力弱，城市公共充电站冷热不均；充电引导与路径规划功能不完善，用户找桩难、找桩慢，充电便捷性仍需提升；电动汽车参与电网调节互动商业模式不够清晰，参与电力市场的实施路径及交易机制尚不完善。通过电动汽车充电设施的优化规划与运行，可以推动解决充电基础设施规划、建设和运行中存在的问题，助力新能源汽车行业高质量发展。
充电设施是电动汽车用户绿色出行的重要保障，是促进电动汽车产业发展，推进新型电力系统建设，助力双碳目标实现的重要支撑。2022年1月，《国家发展改革委等部门关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》(发改能源规〔2022〕53号)，提出了省级和市级充电基础设施布局规划编制要求，明确了城市公共、县城和乡镇、高速公路、单位和园区内部等各类充电基础设施的建设要求，为“十四五”时期加快形成适度超前、布局均衡、智能高效的充电基础设施体系提供了目标指引。2023年1月，工业和信息化部、交通运输部会同国家发展改革委等八部门联合发布《关于组织开展公共领域车辆全面电动化先行区试点工作的通知》(工信部联通装函〔2023〕23号)。电动汽车充电基础设施建设方面，该通知要求建成适度超前、布局均衡、智能高效的充换电基础设施体系，新增公共充电桩(标准桩)与公共领域新能源汽车推广数量(标准车)比例力争达到1∶1。当前，我国已建成全球最大规模的充电设施网络。
为了概括和总结电动汽车充电设施优化规划与运行方面多年来取得的研究成果，特别是基于国家自然科学基金项目(项目编号：51477097，52077139，52167014)、上海市科委科技计划项目(项目编号：19YF1423800，21YF1408600，21DZ2204800，23XD1422000，23DZ2200600，23QB1400500)和多项国家电网公司科技项目的研究成果，上海交通大学、兰州理工大学和国网上海市电力公司等单位联合编写了本书。本书共分为7章，包括概述、电动汽车充电负荷建模与预测、电动汽车充电设施优化规划、电动汽车充电设施运行优化、电动汽车充电引导与路径规划、电动汽车参与电网调节互动和电动汽车参与电力市场模式与机制等内容。
本书第1章编写人员为周云、刘依环、余苏敏、刘泽宇、冯琪；第2章编写人员为冯冬涵、史一炜、刘泽宇、朱江皓、宋玉茹；第3章编写人员为周云、余苏敏、夏宇轩、桂强、伊尹；第4章编写人员为周云、李一璞、余苏敏、吴凡、李汶龙；第5章编写人员为李恒杰、夏宇轩、夏强强、安妮、陈兴旺；第6章编写人员为方陈、赵小瑾、赵诣、田子豪、杨蕴祺；第7章编写人员为冯冬涵、冯源昊、计亚宁、刘泽宇、刘骐源。其中，周云对本书的总体构架、各章节的内容安排和知识结构进行了统筹，并负责本书的统稿与修正工作；冯冬涵审阅了全书的内容，对本书的结构安排和主要论点进行了完善；李恒杰参与了本书的总体设计，方陈对全书进行了修改和校核；王皓靖、张开宇和占书河也参与了本书的修改和校核工作。
本书理论联系实际，可作为高等院校电气工程及相关专业的教材和广大师生的学习参考用书，也可作为电力监管部门、电力企业、充电运营商等专业技术人员的学习用书。同时，本书引用了大量参考文献，在此对相关作者表示衷心感谢。限于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

编  者