趙 楠，王 俊，黃 樺，張亞杰，王嘉旭

（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

為應(yīng)對(duì)資源短缺、環(huán)境污染等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開(kāi)展能源-交通系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化變革是未來(lái)重要發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措［1］。在能源領(lǐng)域，對(duì)多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）進(jìn)行能源互聯(lián)，與傳統(tǒng)單區(qū)域IES 獨(dú)立運(yùn)行相比，能夠協(xié)調(diào)多能流降低運(yùn)行總成本［2］，增強(qiáng)可再生能源消納能力［3］。

氫能由于其安全環(huán)保、方便儲(chǔ)運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)耦合低碳發(fā)展的理想能源載體［4-5］。將氫能引入多區(qū)域IES 運(yùn)行中，電轉(zhuǎn)氫技術(shù)有利于加強(qiáng)多區(qū)域IES 多能流耦合，消納可再生能源。文獻(xiàn)［6］考慮可再生能源與氫氣需求之間固有的季節(jié)性、地理位置時(shí)空不平衡，提出了電網(wǎng)-氫供應(yīng)鏈（hydrogen supply chains-electric networks，HSC-EN）的概念并建立了模型，成功降低了投資成本和提高了電解槽利用率。文獻(xiàn)［7］分析了區(qū)域間氫能運(yùn)輸方式，對(duì)不同距離下的運(yùn)氫方式進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了中短距離下長(zhǎng)管拖車的可靠性。隨著氫氣輸送技術(shù)的成熟，氫能流逐漸成為多區(qū)域能源系統(tǒng)間耦合的重要樞紐［8］。

在交通領(lǐng)域，氫能在氫燃料電池研發(fā)方向不斷取得突破，有望取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，推進(jìn)新能源汽車發(fā)展進(jìn)程，前景廣闊［9］。近年來(lái)，新能源汽車發(fā)展迅猛，電動(dòng)汽車、氫能源汽車等已成為IES 的重要負(fù)荷，其空間移動(dòng)性使得多區(qū)域IES 可通過(guò)交通網(wǎng)聯(lián)合起來(lái)。因此，交通流已成為多區(qū)域IES 協(xié)調(diào)運(yùn)行研究的重要角色。文獻(xiàn)［10］提出了IES 與多電動(dòng)汽車的一主多從博弈模型，并調(diào)整售電策略，提高了IES 凈收益，降低了電動(dòng)汽車充電成本。文獻(xiàn)［11-12］中的IES考慮新能源汽車的充能響應(yīng)，通過(guò)價(jià)格引導(dǎo)用戶出行路徑與充能行為，改變充能負(fù)荷的空間分布。文獻(xiàn)［13］提出電動(dòng)公交車參與多區(qū)域IES運(yùn)行，協(xié)調(diào)耦合設(shè)備出力與新能源汽車充能策略，實(shí)現(xiàn)周期內(nèi)可再生能源的完全消納?，F(xiàn)有研究表明將新能源汽車引入多區(qū)域IES 負(fù)荷側(cè)，能夠協(xié)調(diào)多能流優(yōu)化，促進(jìn)可再生能源消納，但其均側(cè)重于電動(dòng)汽車，對(duì)多能源混動(dòng)汽車鮮有考慮，而事實(shí)上，多能源混動(dòng)汽車具有更多的充能選擇，可增加多能源系統(tǒng)的耦合程度。

在實(shí)際市場(chǎng)中，電動(dòng)汽車的里程焦慮與充電時(shí)間問(wèn)題［14-15］、氫能源汽車的氫能成本高問(wèn)題［16］都是限制新能源汽車發(fā)展的主要因素。多能耦合為新能源汽車的發(fā)展提供了一種新思路。氫電混合動(dòng)力車（hydrogen-electric hybrid vehicle，HEHV）（下文簡(jiǎn)稱氫電混動(dòng)車）由氫燃料電池與鋰電池驅(qū)動(dòng)，結(jié)合了電動(dòng)汽車、氫燃料汽車的優(yōu)點(diǎn)，其靈活的充能選擇可突破新能源汽車發(fā)展限制。將電能與氫能結(jié)合作為混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，協(xié)調(diào)提高交通系統(tǒng)與能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效益?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外新能源汽車廠家，如廣汽傳祺、現(xiàn)代等已實(shí)現(xiàn)搭載成熟氫電混合動(dòng)力系統(tǒng)的整車落地。文獻(xiàn)［17-18］分析指出，2021 — 2035 年新能源汽車具有良好的發(fā)展規(guī)模趨勢(shì)，隨著制氫技術(shù)與充電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，氫電混動(dòng)車將具有更廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)，氫電合建站也是未來(lái)充能站的發(fā)展趨勢(shì)，這也將助力氫電混動(dòng)車的推廣。然而，氫電混動(dòng)車在大量投入使用后，其作為IES 的重要負(fù)荷，將導(dǎo)致多區(qū)域IES 在負(fù)荷側(cè)的耦合形式更加復(fù)雜。氫電混動(dòng)車靈活的充能選擇使其成為可空間移動(dòng)的多能負(fù)荷，既具有電動(dòng)汽車充能行為的個(gè)體差異性，又具有多能用戶用能選擇的隨機(jī)性，導(dǎo)致其集總響應(yīng)行為建模更加困難。

目前，針對(duì)氫電混動(dòng)車對(duì)多區(qū)域IES 協(xié)調(diào)優(yōu)化的影響研究仍較少，因此本文構(gòu)建了多區(qū)域IES 運(yùn)營(yíng)商與氫電混動(dòng)車車主的主從博弈模型，上層協(xié)調(diào)多區(qū)域IES 優(yōu)化得到系統(tǒng)末端的充能站氫價(jià)補(bǔ)貼策略，下層車主根據(jù)上層的氫價(jià)補(bǔ)貼信號(hào)優(yōu)化自身的充能路徑和策略，通過(guò)多次迭代收斂至博弈均衡點(diǎn)，得到多區(qū)域IES 的協(xié)調(diào)調(diào)度策略、各車主的充能行為表現(xiàn)等。算例結(jié)果表明，通過(guò)合理調(diào)整價(jià)格信號(hào)，利用氫價(jià)補(bǔ)貼使氫電混動(dòng)車車主進(jìn)行充能響應(yīng)，可減少多區(qū)域間的氫能運(yùn)輸成本與購(gòu)氣成本，降低IES運(yùn)行總成本，提高IES能源利用效率。

1 多區(qū)域IES運(yùn)營(yíng)商與氫電混動(dòng)車互動(dòng)機(jī)制

多區(qū)域IES 針對(duì)不同園區(qū)的IES 主體在負(fù)荷側(cè)形成對(duì)應(yīng)產(chǎn)業(yè)區(qū)域，由區(qū)域IES 分別滿足各自區(qū)域負(fù)荷側(cè)的熱、電負(fù)荷需求?？紤]到地域間可再生能源資源水平與設(shè)備利用水平的不平衡，將區(qū)域分為優(yōu)勢(shì)區(qū)與劣勢(shì)區(qū)，優(yōu)勢(shì)區(qū)可再生能源充足、能源成本較低，劣勢(shì)區(qū)則相反。優(yōu)勢(shì)區(qū)的可再生能源可轉(zhuǎn)換為可儲(chǔ)運(yùn)的氫能，與劣勢(shì)區(qū)IES 間通過(guò)交通運(yùn)輸進(jìn)行能源互聯(lián)，在IES 充能站與氫電混動(dòng)車間進(jìn)行氫、電負(fù)荷耦合，實(shí)現(xiàn)能源的全局優(yōu)化。多區(qū)域IES 與氫電混動(dòng)車互聯(lián)架構(gòu)如圖1 所示。圖中：A 區(qū)、C 區(qū)為優(yōu)勢(shì)區(qū)；B區(qū)為劣勢(shì)區(qū)。

圖1 多區(qū)域IES與氫電混動(dòng)車互聯(lián)架構(gòu)圖Fig.1 Interconnection architecture diagram of multi-region IES and HEHV

多區(qū)域IES 運(yùn)營(yíng)商和氫電混動(dòng)車車主進(jìn)行氫價(jià)補(bǔ)貼-充能響應(yīng)的主從博弈，多區(qū)域IES 由同一運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)，IES 運(yùn)營(yíng)商在主從博弈中作為上層領(lǐng)導(dǎo)者，氫電混動(dòng)車車主作為下層跟隨者，具體的主從博弈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主從博弈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of master-slave game structure

上層由區(qū)域IES向充能站供應(yīng)電、氫能源，對(duì)A、C區(qū)充能站進(jìn)行氫價(jià)補(bǔ)貼優(yōu)化（B區(qū)氫價(jià)沒(méi)有補(bǔ)貼），最終根據(jù)負(fù)荷側(cè)充能響應(yīng)確定系統(tǒng)運(yùn)行成本；下層車主綜合考慮多區(qū)域充能站的電價(jià)和氫價(jià)、剩余車儲(chǔ)能量以及路徑里程，進(jìn)行充能地區(qū)的選擇。由于各車主車況存在個(gè)體差異，對(duì)同一時(shí)刻相同電、氫價(jià)的響應(yīng)情況也不同，使得車主充能響應(yīng)（充能路徑、充能行為）具有隨機(jī)性，需要根據(jù)不同的車輛儲(chǔ)能狀態(tài)進(jìn)行個(gè)體優(yōu)化，然后將個(gè)體優(yōu)化后的用戶響應(yīng)集總，構(gòu)成車群的集總充能響應(yīng)，從而改變A、B、C 區(qū)的充能負(fù)荷分布。不同氫能補(bǔ)貼定價(jià)下IES 負(fù)荷分布也會(huì)有所不同。當(dāng)上層IES 制定的氫價(jià)補(bǔ)貼能在車群響應(yīng)后獲得最小系統(tǒng)運(yùn)行成本，即到達(dá)最佳博弈點(diǎn)時(shí)，可以確定為最優(yōu)氫價(jià)補(bǔ)貼。本文中，多區(qū)域IES運(yùn)營(yíng)商優(yōu)化目標(biāo)體現(xiàn)在通過(guò)多能負(fù)荷互動(dòng)，調(diào)整多個(gè)IES 間的負(fù)荷分布，降低多區(qū)域負(fù)荷不平衡導(dǎo)致的系統(tǒng)能源調(diào)度困難，從而提高多區(qū)域間的能源整體利用效率，最小化系統(tǒng)運(yùn)行成本。

2 多區(qū)域IES-氫電混動(dòng)車群互動(dòng)模型

下面對(duì)上層的多區(qū)域IES 多能流耦合進(jìn)行分析，對(duì)多區(qū)域IES、氫能供應(yīng)鏈進(jìn)行建模；對(duì)下層的氫電混動(dòng)車充能行為進(jìn)行分析，建立車儲(chǔ)能可行駛里程模型與車主充能選擇策略模型。

2.1 上層模型

2.1.1 多區(qū)域IES多能流耦合分析

多區(qū)域IES多能流耦合圖如圖3所示。IES系統(tǒng)由A、B、C 三區(qū)域IES 組成，IES 負(fù)荷側(cè)為電負(fù)荷、熱負(fù)荷。A、B、C 區(qū)的電負(fù)荷由從電網(wǎng)購(gòu)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電提供；熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、電鍋爐提供。風(fēng)電、光伏作為無(wú)污染、成本低的可再生能源，通過(guò)可再生能源制氫-儲(chǔ)氫-運(yùn)氫形成氫供應(yīng)鏈，以此實(shí)現(xiàn)A、B、C區(qū)系統(tǒng)的氫能供應(yīng)。

圖3 多區(qū)域IES多能流耦合Fig.3 Multi-energy flow coupling of multi-region IES

A、B、C 區(qū)均配置了站內(nèi)電氫充能站，充能站由各自的IES 進(jìn)行電、氫供應(yīng)，用戶側(cè)車主根據(jù)充能成本選擇充能站進(jìn)行充能。電氫充能站作為IES 系統(tǒng)和車主充能系統(tǒng)之間的連接樞紐，通過(guò)電、氫充能實(shí)現(xiàn)A、B、C區(qū)的區(qū)域系統(tǒng)負(fù)荷耦合。

2.1.2 氫供應(yīng)鏈與運(yùn)輸模型

電解槽是電解水制氫的關(guān)鍵設(shè)備，本文采用的質(zhì)子交換膜電解槽具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊密、技術(shù)成熟、體積小等優(yōu)勢(shì)，可以很好地匹配風(fēng)電、光伏的間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)。電解槽將電能轉(zhuǎn)化為可運(yùn)輸?shù)臍錃?，壓縮至儲(chǔ)氫罐，供應(yīng)區(qū)域充能站，也可由A、C 區(qū)系統(tǒng)通過(guò)長(zhǎng)管拖車向B 區(qū)輸送氫。考慮到經(jīng)濟(jì)成本與技術(shù)成熟度，現(xiàn)階段中短距離間氫氣運(yùn)輸一般采用長(zhǎng)管拖車高壓氣氫運(yùn)輸方式，壓縮機(jī)工作壓力為國(guó)家最高運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)20 MPa，長(zhǎng)管拖車車速為50 km／h，運(yùn)氫成本與運(yùn)輸距離呈線性正相關(guān)［19］。氫供應(yīng)鏈的制氫-儲(chǔ)氫-運(yùn)氫過(guò)程見(jiàn)附錄A圖A1。

2.2 下層模型

2.2.1 氫電混動(dòng)車?yán)锍棠Ｐ?/p>

氫電混動(dòng)車結(jié)合了電動(dòng)汽車與氫燃料汽車的優(yōu)點(diǎn)，將電能、氫能作為動(dòng)力，通過(guò)鋰電池與氫燃料電池提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，充能方式靈活、可行駛里程長(zhǎng)、充能價(jià)格低，是交通領(lǐng)域可持續(xù)低碳發(fā)展的重要研究方向。為了描述氫電混動(dòng)車的最大可行駛里程，需對(duì)鋰電池儲(chǔ)電量、儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫量進(jìn)行建模［20］。氫電混動(dòng)車的最大可行駛里程R可表示為：

式中：EB為鋰電池的最大儲(chǔ)電量；MH2為儲(chǔ)氫罐最大儲(chǔ)氫質(zhì)量；ηE、ηH分別為耗電效率和耗氫效率；MV、MFC、MHT、kW，B分別為去除電池組的車輛、燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫罐、電池組的質(zhì)量；SEBC為電池單元的比能；PFC為燃料電池系統(tǒng)的功率。

在氫電混動(dòng)車硬件設(shè)備性能固定，且不考慮電池?fù)p耗的情況下，可行駛里程隨車的儲(chǔ)氫、電量變化而發(fā)生變化。典型氫電混動(dòng)車的參數(shù)如附錄A 表A1 所示。由表可知，式（1）中的EBkW，B/SEBC+MH2+MFCPFC+MHT相較于MV很?。▋烧咧仍?0 % 以下），因此將該項(xiàng)簡(jiǎn)化為常數(shù)C，則R的簡(jiǎn)化表達(dá)為：

式中：VE、VH分別為電池儲(chǔ)電量、儲(chǔ)氫量關(guān)于里程的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

t時(shí)段內(nèi)第n輛氫電混動(dòng)車的可行駛里程為：

2.2.2 車主充能選擇策略

車主的充能路線選擇見(jiàn)附錄A 圖A2。圖中，D為目的地。單日內(nèi)，氫電混動(dòng)車車主在B、D兩地進(jìn)行一次往返，在出發(fā)時(shí)與返程后分別進(jìn)行一次充能；出發(fā)時(shí)車主根據(jù)車輛的剩余能源狀態(tài)，選擇在A、B、C三地充能以進(jìn)行氫、電能源補(bǔ)給，或者在能源充足時(shí)不充能，直接在B、D 兩地往返，返程后在B地進(jìn)行夜間充能。本文為了對(duì)用戶充能響應(yīng)行為差異性進(jìn)行準(zhǔn)確建模，從車主角度出發(fā)，同時(shí)考慮充能費(fèi)用、時(shí)間成本，根據(jù)自身能源存儲(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行充能策略優(yōu)化。

3 計(jì)及氫電混動(dòng)車響應(yīng)的多區(qū)域IES互動(dòng)優(yōu)化模型

基于第2 章，從IES 總運(yùn)營(yíng)商角度出發(fā)，以最小化多區(qū)域運(yùn)營(yíng)總成本為目標(biāo)，建立基于氫供應(yīng)鏈、充能負(fù)荷響應(yīng)耦合的多區(qū)域IES 運(yùn)行優(yōu)化模型，優(yōu)化得到氫供應(yīng)策略和氫能補(bǔ)貼定價(jià)策略。優(yōu)化周期為24 h，單位時(shí)間為1 h，優(yōu)化模型分為上層多區(qū)域IES運(yùn)行模型和下層車主充能選擇策略優(yōu)化模型。

3.1 下層車主充能策略優(yōu)化模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

下層車主充能策略優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式（5）—（7）。

式中：j取值為1、2、3 分別對(duì)應(yīng)A、B、C 區(qū)；Fcar，n為第n輛氫電混動(dòng)車車主充能選擇決策；Ccost，n、Ckm，n分別為第n輛氫電混動(dòng)車的充能費(fèi)用、時(shí)間成本（與路程相關(guān)）；α為選擇影響因子；為所選路徑i的路程距離分別為t時(shí)段第n輛氫電混動(dòng)車在j區(qū)充電量、加氫量；分別為j區(qū)充能站的電價(jià)、氫價(jià)；T為調(diào)度周期時(shí)段數(shù)。

3.1.2 約束條件

下層車主充能約束主要包括充能選擇約束、車儲(chǔ)電／儲(chǔ)氫量約束，具體見(jiàn)附錄A 式（A1）—（A7）。

3.2 上層多區(qū)域IES運(yùn)行模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

多區(qū)域IES的優(yōu)化目標(biāo)如下：

式中：F為多區(qū)域IES 總運(yùn)行成本；Fe、Fh、Fre、Fel、Ftran、Fhe分別為系統(tǒng)購(gòu)電成本、購(gòu)氣成本、電解槽制氫成本、棄能懲罰成本、長(zhǎng)管拖車交通運(yùn)輸成本、氫能補(bǔ)貼成本。

式中：Cej、Cgj分別為j區(qū)的購(gòu)電、購(gòu)氣價(jià)格；分別為j區(qū)t時(shí)段的購(gòu)電、購(gòu)氣量；Cre為可再生能源懲罰價(jià)格；分別為j區(qū)t時(shí)段預(yù)測(cè)風(fēng)電和光伏出力最大值、實(shí)際出力；P為j區(qū)t時(shí)段電解槽產(chǎn)氫質(zhì)量；C為j區(qū)長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫單位重量成本為t時(shí)段經(jīng)過(guò)長(zhǎng)管拖車由j區(qū)向B 區(qū)運(yùn)輸?shù)臍錃饬?；Cop為運(yùn)氫單次固定成本；I為j區(qū)t時(shí)段的運(yùn)氫次數(shù)；為j區(qū)充能站氫能的單位價(jià)格補(bǔ)貼；P為j區(qū)t時(shí)段向充能站的送氫量；Pj，tG為t時(shí)段j區(qū)充能站車主充電負(fù)荷量；Cel為電解槽制氫單位成本。

3.2.2 約束條件

1）功率平衡約束。

電功率平衡約束為：

式中：L為j區(qū)t時(shí)段的電負(fù)荷；P為j區(qū)t時(shí)段的燃?xì)廨啓C(jī)輸出電功率；P為j區(qū)t時(shí)段的電解槽制氫功率；P為j區(qū)t時(shí)段的氫燃料電池輸出電功率；P為j區(qū)t時(shí)段的電鍋爐輸入功率。

熱功率平衡約束為：

式中：L為j區(qū)t時(shí)段的熱負(fù)荷；Q為j區(qū)t時(shí)段的燃?xì)廨啓C(jī)輸出熱功率；Q為j區(qū)t時(shí)段的氫燃料電池輸出熱功率；Q為j區(qū)t時(shí)段的電鍋爐輸出熱功率；Q為j區(qū)t時(shí)段的燃?xì)忮仩t輸出熱功率；ηhr為余熱回收效率。

能源約束條件見(jiàn)附錄A式（A8）—（A10）。

2）運(yùn)輸交通流約束。

電解槽產(chǎn)生氫氣，通過(guò)壓縮機(jī)將氫氣壓縮注入儲(chǔ)氫罐，由長(zhǎng)管拖車進(jìn)行區(qū)域間高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)，適合中短距離間運(yùn)輸［2］，運(yùn)輸時(shí)間為τj。

式中：P為送入儲(chǔ)氫罐的氫氣量；ηh2los為運(yùn)輸過(guò)程中每小時(shí)的儲(chǔ)氫罐損耗率；P為t+τj時(shí)段B 區(qū)運(yùn)輸送存儲(chǔ)的氫氣量；P為t時(shí)段B 區(qū)經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氫罐放出的氫氣量；ηCE為壓縮機(jī)工作效率；P為t時(shí)段j區(qū)充能站車主充氫負(fù)荷量分別為長(zhǎng)管拖車單次運(yùn)輸氫氣量最小值、最大值；P為t時(shí)段儲(chǔ)氫罐用于發(fā)電的氫氣量。

3）設(shè)備約束。

系統(tǒng)中設(shè)備包括電鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、電解槽、燃?xì)忮仩t、儲(chǔ)氫設(shè)備、氫燃料電池等，具體表達(dá)式見(jiàn)附錄A式（A11）—（A23）。

3.3 模型求解

本文所提雙層優(yōu)化模型可以簡(jiǎn)寫為：

式中：F(xs，ys)為迭代次數(shù)s下的上層與下層目標(biāo)函數(shù)，對(duì)應(yīng)上層系統(tǒng)最小運(yùn)行成本與下層最佳充能策略；k為迭代次數(shù)上限；fm(xs，ys)=0 為等式約束，對(duì)應(yīng)上層各負(fù)荷與設(shè)備關(guān)系約束，下層車能源儲(chǔ)量與充能選擇關(guān)系約束，為等式約束；p為等式約束個(gè)數(shù)；fl(xs，ys)≤0 為不等式約束，對(duì)應(yīng)上層IES 內(nèi)部設(shè)備參數(shù)功率限制與下層充能策略充能條件限制，組成決策變量；q為不等式約束個(gè)數(shù)。

采用MATLAB 通過(guò)Yalmip 建模語(yǔ)言調(diào)用商業(yè)求解器CPLEX，求解混合整數(shù)線性優(yōu)化問(wèn)題，具體求解流程如圖4所示。

圖4 模型求解流程Fig.4 Model solving process

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

為驗(yàn)證模型有效性，本文以圖1 所示的三區(qū)域IES為研究對(duì)象進(jìn)行運(yùn)行分析。調(diào)度周期為24 h，時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。A、B、C 區(qū)的負(fù)荷分屬工業(yè)、居民小區(qū)、辦公區(qū)的三類用戶，采用分時(shí)電價(jià)，低谷時(shí)段為01:00 — 07:00、23:00 — 24:00，平峰時(shí)段為11:00 —18:00，高峰時(shí)段為08:00 — 10:00、19:00 — 22:00。電、氣價(jià)格見(jiàn)附錄B 表B1，典型日電、熱負(fù)荷峰值預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)附錄B 表B2，氫電混動(dòng)車充能參數(shù)見(jiàn)附錄B 表B3，系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)見(jiàn)附錄B 表B4。各行業(yè)用戶的電、熱負(fù)荷曲線［21］見(jiàn)附錄B 圖B1，典型日電、熱負(fù)荷與風(fēng)電預(yù)測(cè)曲線見(jiàn)附錄B圖B2。

IES 設(shè)定：A — C 區(qū)分別為工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、辦公區(qū)，輸送氫能用于系統(tǒng)電負(fù)荷供應(yīng)與充能站儲(chǔ)氫供應(yīng)。

充能選擇策略設(shè)定：氫電混動(dòng)車每日在B、D 兩地進(jìn)行往返運(yùn)輸，由起始地B 區(qū)出發(fā)，D 地返程，時(shí)速不高于80 km／h，在出發(fā)時(shí)與返程后分別進(jìn)行一次充能。出發(fā)時(shí)車主根據(jù)車輛自身剩余能源狀態(tài)，按照自身最低充能費(fèi)用和時(shí)間成本（α=0.95），可選擇在A、B、C 三區(qū)中任一區(qū)進(jìn)行能源補(bǔ)給，返程后在B 區(qū)進(jìn)行夜間充能。電氫充能站采用45 kW 直流充電樁，在1 h 內(nèi)對(duì)氫電混動(dòng)車完成氫、電充能。對(duì)區(qū)域A、C 充能站氫價(jià)進(jìn)行補(bǔ)貼調(diào)整。AB 區(qū)、BC 區(qū)的距離均為150 km，A、B、C 區(qū)與D 地的距離分別為160、220、190 km。

氫電混動(dòng)車設(shè)置：數(shù)量為150 輛，出發(fā)時(shí)各車的氫電存儲(chǔ)狀態(tài)具有隨機(jī)性，符合正態(tài)分布；根據(jù)車主行程時(shí)間將車群分為3 組，即［60，60，30］，第一組07:00 出發(fā)、19:00 返回，第二組09:00 出發(fā)、21:00 返回，第三組11:00出發(fā)、23:00返回。

4.2 運(yùn)行結(jié)果分析

4.2.1 氫供應(yīng)鏈耦合對(duì)多區(qū)域IES運(yùn)行影響

除了氫電混動(dòng)車充能帶來(lái)的IES 氫能耦合，多區(qū)域IES 還可通過(guò)氫供應(yīng)鏈進(jìn)行耦合，即通過(guò)長(zhǎng)管拖車在A、C 區(qū)充能站與B 區(qū)充能站間運(yùn)送氫能，對(duì)典型日下區(qū)域間IES 加入氫供應(yīng)鏈前、后的情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。多區(qū)域IES優(yōu)化考慮氫供應(yīng)鏈傳輸前，各區(qū)域IES 獨(dú)立滿足區(qū)域負(fù)荷，存在棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。區(qū)域間加入氫供應(yīng)鏈傳輸耦合后，由于長(zhǎng)管拖車在IES 間運(yùn)輸氫能，通過(guò)氫供應(yīng)鏈進(jìn)行風(fēng)光電解制氫與氫能調(diào)用，提高了可再生能源消納率，與各區(qū)域IES 獨(dú)立運(yùn)行相比，減少了從電網(wǎng)購(gòu)電成本與天然氣成本，但要付出較為昂貴的長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸成本，導(dǎo)致系統(tǒng)總運(yùn)行成本下降較少。

表1 典型日下運(yùn)輸氫能對(duì)比結(jié)果Table 1 Comparison results of typical sub-daily transport hydrogen energy

4.2.2 多能負(fù)荷耦合對(duì)多區(qū)域IES運(yùn)行影響

在氫供應(yīng)鏈耦合基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)氫電混動(dòng)車形成的交通流將多區(qū)域IES 在負(fù)荷側(cè)耦合起來(lái)，對(duì)典型日下考慮車群與IES 互動(dòng)后的運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比分析，具體說(shuō)明如下。

方案1：上層IES 與下層充能負(fù)荷無(wú)充能互動(dòng)，氫電混動(dòng)車群無(wú)充能選擇策略，充能行為不受價(jià)格影響，車主就近選擇B區(qū)為充能區(qū)。

方案2：上層IES 與下層充能負(fù)荷有充能互動(dòng)，氫電混動(dòng)車群有A、B、C 區(qū)充能選擇，計(jì)及車主對(duì)電價(jià)、氫價(jià)的響應(yīng)，但氫價(jià)未補(bǔ)貼。

方案3：氫電混動(dòng)車群有充能選擇策略，IES 根據(jù)車群響應(yīng)優(yōu)化氫價(jià)補(bǔ)貼，上層IES 與下層充能負(fù)荷形成價(jià)格與充能響應(yīng)互動(dòng)。

上述方案下的優(yōu)化結(jié)果如表2 所示，A、B、C 區(qū)的IES負(fù)荷分布對(duì)比如圖5所示。

表2 各方案下的優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization results of each scheme單位：元

圖5 各方案下的IES負(fù)荷優(yōu)化分布對(duì)比Fig.5 Comparison of IES load optimization distribution under each scheme

方案1中，電、氫充能負(fù)荷全部集中于B 區(qū)，B 區(qū)所需氫能需從A、C 區(qū)運(yùn)輸，A、C 區(qū)沒(méi)有氫能消耗途徑，氫負(fù)荷多集中在B 區(qū)，而氫運(yùn)輸成本較高，由于長(zhǎng)管拖車容量限制，運(yùn)輸氫量有限，A 區(qū)與C 區(qū)可再生能源不能被完全消納，仍存在棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。

方案2 中，車主具備充能選擇特性，對(duì)于A、B、C區(qū)充能站發(fā)布的電氫價(jià)格信號(hào)做出充能選擇，但由于氫價(jià)補(bǔ)貼為0，A、C 區(qū)與B 區(qū)的充能價(jià)格差較小，不足以平衡車主前往A、C 區(qū)充能的路程耗能成本，愿意前往A 區(qū)或C區(qū)充能的車主非常有限。所以，B區(qū)氫能負(fù)荷仍然較高，所需氫能仍需從A 區(qū)和C 區(qū)運(yùn)輸，故氫能運(yùn)輸成本沒(méi)有明顯降低，但少量充能車輛的充能轉(zhuǎn)移也減少了系統(tǒng)各項(xiàng)成本。

方案3 中，A、C 區(qū)用氫價(jià)格為40 元／kg 時(shí)開(kāi)始對(duì)充能站進(jìn)行氫價(jià)補(bǔ)貼。當(dāng)A、C 區(qū)充能站氫價(jià)隨補(bǔ)貼下降時(shí)，更多車主根據(jù)自身儲(chǔ)能情況選擇到A或C 區(qū)進(jìn)行充能，3 個(gè)區(qū)的充能站負(fù)荷需求發(fā)生明顯變化，在A 區(qū)補(bǔ)貼價(jià)格為3 元／kg、C 區(qū)補(bǔ)貼價(jià)格為5 元／kg，即A 區(qū)氫價(jià)為37 元／kg、C 區(qū)氫價(jià)為35 元／kg時(shí)，A區(qū)充能車主為18位，B區(qū)充能車主為86 位，C 區(qū)充能車主為46 位。此時(shí)由于氫負(fù)荷的地區(qū)轉(zhuǎn)移使得氫能運(yùn)輸成本減少，達(dá)到博弈均衡點(diǎn)，IES 總運(yùn)行成本最低，A、B、C 區(qū)IES 負(fù)荷分布對(duì)比如圖5 所示?？梢?jiàn)：方案1 中車主只在B 區(qū)充能，B 區(qū)負(fù)荷壓力較大；方案2 下，部分車主選擇A 區(qū)充能，將B 區(qū)電、氫負(fù)荷分散到A 區(qū)，單日B 區(qū)電、氫總負(fù)荷減少；在方案3下由于氫價(jià)補(bǔ)貼引導(dǎo)車主開(kāi)始去C區(qū)充能，A、C區(qū)充能站電氫負(fù)荷增加。

4.2.3 響應(yīng)靈敏度分析

1）氫價(jià)補(bǔ)貼。

氫價(jià)補(bǔ)貼是引導(dǎo)車群響應(yīng)的重要因素，直接影響車群的充能響應(yīng)量，進(jìn)而影響到多區(qū)域IES 的運(yùn)行成本。首先對(duì)氫價(jià)補(bǔ)貼進(jìn)行靈敏度分析，IES總運(yùn)行成本變化如圖6所示。

圖6 氫價(jià)補(bǔ)貼下多區(qū)域IES總運(yùn)行成本變化Fig.6 Change of total operation cost of multi-region IES under hydrogen price subsidy

從圖6 可看出，隨著A、C 區(qū)充能站氫價(jià)補(bǔ)貼的增加，IES總運(yùn)行成本隨補(bǔ)貼變化呈先降低再上升的趨勢(shì)，均存在成本轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這是因?yàn)殡S著氫價(jià)補(bǔ)貼的增加，車主響應(yīng)逐漸增加，IES總運(yùn)行成本降低，而后氫價(jià)補(bǔ)貼繼續(xù)增加，氫價(jià)補(bǔ)貼成本逐漸占主導(dǎo)，IES總運(yùn)行成本開(kāi)始上升。綜合來(lái)看，A 區(qū)充能站補(bǔ)貼為3 元／kg、C 區(qū)充能站補(bǔ)貼為5 元／kg 時(shí)為氫價(jià)最優(yōu)補(bǔ)貼，對(duì)應(yīng)IES 運(yùn)行的最優(yōu)成本。而隨著兩站補(bǔ)貼的同時(shí)進(jìn)行，補(bǔ)貼對(duì)應(yīng)價(jià)格趨勢(shì)也發(fā)生變化，如附錄B表B5所示。當(dāng)C區(qū)充能站補(bǔ)貼額小于A區(qū)充能站時(shí)，車輛并不選擇去C 區(qū)充能站充能，這是因?yàn)橥妊a(bǔ)貼額度下A 區(qū)充能站充能路徑更短，充能花費(fèi)更低，而當(dāng)C 區(qū)充能站補(bǔ)貼大于A 區(qū)充能站時(shí)，部分車主開(kāi)始選擇C 區(qū)充能站充能，使得C 區(qū)電、氫負(fù)荷變大，而C 區(qū)充能站電價(jià)成本更低，對(duì)于總運(yùn)行成本占優(yōu)。由于車群的初始儲(chǔ)能狀態(tài)是正態(tài)分布生成的，大部分車主的儲(chǔ)能狀態(tài)使得車主在補(bǔ)貼小于4 元／kg時(shí)選擇前往A區(qū)充能，只有C區(qū)充能站補(bǔ)貼超過(guò)A 區(qū)充能站時(shí)，才選擇前往C 區(qū)充能；此外，車主是否選擇充能與車主的車輛儲(chǔ)能狀態(tài)緊密相關(guān)，少部分車主的車輛初始儲(chǔ)能量較多，沒(méi)有急切的充能需求，所以對(duì)氫價(jià)補(bǔ)貼較為不敏感，只在較高補(bǔ)貼下才會(huì)響應(yīng)而前往A／C區(qū)充能；還有少部分車主的車輛初始儲(chǔ)能量太少，已沒(méi)有足夠能源前往A／C區(qū)充能，不具備價(jià)格響應(yīng)能力，只能留在B 區(qū)充能。此外，從表B5 可以看出，在氫價(jià)補(bǔ)貼小于5 元／kg 時(shí)，車輛數(shù)目從B 區(qū)轉(zhuǎn)移至A／C 區(qū)速度較快，之后逐漸放緩，將A 區(qū)氫價(jià)補(bǔ)貼升至20 元／kg，有22 輛車仍在B 區(qū)充能，不具備響應(yīng)能力。在氫價(jià)補(bǔ)貼大于5 元／kg 后車群響應(yīng)能力逐漸變差，使得氫價(jià)補(bǔ)貼成本開(kāi)始占運(yùn)行成本主導(dǎo)，此時(shí)再增加補(bǔ)貼已不具備經(jīng)濟(jì)意義?？梢?jiàn)，氫價(jià)補(bǔ)貼的選取與車群的初始儲(chǔ)能量緊密相關(guān)，初始儲(chǔ)能量過(guò)多或過(guò)少的車數(shù)越多，車群對(duì)氫價(jià)補(bǔ)貼響應(yīng)能力越差。不同氫價(jià)補(bǔ)貼下，B、C 區(qū)充能車主的數(shù)量分別如附錄B 表B6、B7 所示。

2）氫供應(yīng)鏈容量。

氫供應(yīng)鏈容量配置也是多區(qū)域IES 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的重要影響因素，在典型日下方案3 的最佳博弈點(diǎn)處，對(duì)儲(chǔ)氫罐容量、電氫充能站容量、長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸容量進(jìn)行靈敏度分析，繪制上述指標(biāo)與系統(tǒng)總運(yùn)行成本的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 氫供應(yīng)鏈容量靈敏度分析Fig.7 Sensitivity analysis of hydrogen supply chain capacity

由圖7 可知，隨著長(zhǎng)管拖車、儲(chǔ)氫罐、充能站容量的增加，系統(tǒng)總運(yùn)行成本降低。這是因?yàn)殚L(zhǎng)管拖車、儲(chǔ)氫罐或充能站容量的增加，都會(huì)增加夜間氫能的容納量，進(jìn)而減少了A、C 區(qū)氫氣運(yùn)輸?shù)紹 區(qū)所需的次數(shù)（由5 次降為2 次），降低了氫能的運(yùn)輸成本，也減少了運(yùn)輸途中的氫能損耗，即多區(qū)域之間的氫能源耦合更加經(jīng)濟(jì)。當(dāng)長(zhǎng)管拖車、儲(chǔ)氫罐、充能站容量增加到150 kg時(shí)，系統(tǒng)總運(yùn)行成本降到最小值，之后設(shè)備容量再增加，系統(tǒng)總運(yùn)行成本都不會(huì)降低。氫能的運(yùn)輸次數(shù)已經(jīng)達(dá)到了最小次數(shù)（2 次），由于氫能產(chǎn)能限制運(yùn)輸次數(shù)與B 區(qū)充能站充能時(shí)效需要已無(wú)法再減小，此時(shí)再增加儲(chǔ)存設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備的容量都無(wú)法再降低氫能運(yùn)輸成本，總運(yùn)行成本也不會(huì)再降低。這說(shuō)明即使不考慮系統(tǒng)設(shè)備的投資成本，系統(tǒng)運(yùn)氫設(shè)備、儲(chǔ)氫設(shè)備的容量也不是越大越好，這主要是由于系統(tǒng)氫能產(chǎn)能的限制，如系統(tǒng)電解槽出力功率大小限制了制氫量。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了電-氫負(fù)荷耦合多區(qū)域IES模型。在多區(qū)域IES 協(xié)調(diào)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮了氫電混動(dòng)車群與多區(qū)域IES 所屬的電氫充能站的充能互動(dòng)行為，建立了IES 運(yùn)營(yíng)商與氫電混動(dòng)車群之間氫價(jià)補(bǔ)貼-充能響應(yīng)的主從博弈模型。通過(guò)氫電混動(dòng)車進(jìn)行氫電負(fù)荷耦合，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域IES 在源、荷側(cè)電氫耦合，算例分析了典型日?qǐng)鼍跋職潆娀靹?dòng)車群充能行為對(duì)IES 運(yùn)行的影響，并得到如下結(jié)論：利用氫價(jià)補(bǔ)貼使氫能混動(dòng)車車主進(jìn)行充能響應(yīng)后，直接減少了多區(qū)域間氫能運(yùn)輸成本，并可增加風(fēng)電利用效率從而降低了IES 總運(yùn)行成本，氫價(jià)補(bǔ)貼互動(dòng)機(jī)制能顯著提高能源利用效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；氫價(jià)補(bǔ)貼的選取與車群的初始儲(chǔ)能量緊密相關(guān)，初始儲(chǔ)能量過(guò)多或過(guò)少的車輛越多，車群對(duì)氫價(jià)補(bǔ)貼響應(yīng)能力越差；由于受系統(tǒng)風(fēng)電制氫的產(chǎn)能限制，系統(tǒng)運(yùn)行成本并不會(huì)隨著氫供應(yīng)鏈容量的增加而降低，150 kg 為氫供應(yīng)鏈的最優(yōu)容量。

本文后續(xù)將對(duì)高耦合度的多區(qū)域IES 設(shè)備容量規(guī)劃進(jìn)行研究。

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