考虑绿色电力消耗的出租车换电站网络双目标SSB蓄电池调度模型

2026-08-06 17:02:44

出租车电气化对于推动城市交通绿色低碳发展至关重要，也是实现中国能源转型和双碳目标的重要道路。这是如何通过换电站网络（BSSN）提供最佳电池调度方案以满足出租车需求的关键问题，同时考虑了充电成本和绿色电力的友好用电。为此，首先提出了BSSN的电池调度框架，包括两个阶段：考虑绿色电力的充电过程和满足出租车换装需求的调度流程。其次，构建了一个双目标调度模型，兼顾运行成本和绿色电力拟合度，综合考虑滑行需求、电池设备、BSSN等约束，并应用改进粒子群优化（PSO）来解析模型。最后，对中国一线城市进行了BSSN案例研究，验证了双目标模型提供的调度方案有效性，并分析了调度车辆载重、决策偏好和配电中心电池容量等关键因素的敏感性。结果表明，BSSN的双目标调度模型在电池调度和出租车需求计费以及从BSSN视角调整绿色电力方面具有重要意义。

简介

绿色低碳能源转型是中国实现双碳目标的基本路径，即2030年前达到二氧化碳排放峰值和2060年实现碳中和[1]。一方面，推动新型电力系统以可再生能源为主电源，但风能和光伏等可再生能源不稳定且难以消费。另一方面，高能耗行业推动碳排放减少[2]。据统计，2022年中国交通行业的碳排放占总排放量的10%[3]。因此，这是推动交通行业电气化以及友好消费可再生能源以支持实现双碳目标的关键议题[4]。
出租车电气化是推动城市交通绿色发展的必然趋势。作为其配套基础设施，BSSN因其在实现可再生能源绿色电力消费中的重要作用，正受到越来越多的关注[5]。中国鼓励有序建设充电换电模式，并推动公共交通领域的换电模式[6]。与充电即用充电模式相比，BSS必须确保电池数量足以满足24小时换电需求，确定BSS的需求已成为推广换电模式的一大挑战。此外，过高的运营和建设成本将严重阻碍电池更换模式的推广。目前，大多数研究通过制定合理的收费策略降低了BSS的成本。不过，电池用电量在一天中变化很大。BSS需要保留大量电池并建造冗余充电罐以满足特定时刻的高峰用电，这增加了BSS的运营成本，不利于合理消耗可再生能源。因此，在面对多重挑战的情况下，如何优化出租车发电站网络的电池调度已成为当今的难题。
在电动汽车电池需求方面，Wu等[7]通过稳健的离散优化确定了电动汽车需求不确定性的交换策略。Zhang 等人 [8] 基于蒙特卡洛算法构建并解决了电池充电和放电电力需求与供给预测的数学模型。Zhang 等人 [9] 基于出租车的位置分布，应用了 k 均值算法对样本进行聚类分析，以确定电力交换的需求。Revankar等人[10]根据车辆的SOC和位置将需要换电的电动车分配给BSS，而BSS又整合了换电站所需的电池数量。Zhang 等人[11]提出了一种基于多智能的微换电行为模拟，用于构建出租车、乘客和 BSS 之间的动态交互，并捕捉动态换电需求。在概率统计模型预测相关研究中，对于更换站的电池需求确定，缺乏可靠的数据支持，这会导致不科学的概率预测，因此如何构建科学需求预测模型是当前亟需解决这一问题的迫切需求。
目前，许多学者已经开展了绿色能源消耗的研究。尽管储能装置在绿色能源消耗研究中被广泛使用[[12]， [13]， [14]， [15]]，但学者们仍在不断探索新的策略和技术。Liu等人[16]提出了一种新型的混合可再生能源和储能系统的使用时能源管理策略。Feng等人[17]提出了基于光伏和风能的混合微电网系统，集成分布式能源和储能系统。Ji等人[18]利用氢能作为可再生能源进行储能，以满足岛屿不断变化的电力和热能需求。然而，由于储能成本高昂，一些学者[[19]， [20]， [21]， [22]]开始研究新能源作为储能的利用。Zhang等[23]开发了双层优化模型，用于规划BSS的充放电，减少电网负载波动和成本。Deilami等[24]扩大了电动汽车在峰间减排服务中的参与，减少了电力端的碳排放，提升了系统整体经济效益。Zhu等人[25]利用电动汽车作为能源储存装置，吸收风能和太阳能资源。Dixon等人[26]提出了一种充电策略优化调度方法，旨在最大限度地减少碳排放和风能消耗，同时考虑电动汽车和电网的限制。上述研究表明，通过合理调度和管理，这些新能源车辆不仅可以作为移动储能单元有效平衡电网负载，还能更好地利用可再生能源，进一步提高可再生能源的利用率，减少对传统能源的依赖，并且在推动绿色能源发展方面具有重要意义。然而，如何平衡BSS充电的经济性与绿色电力消费目标，并全面研究两者之间的平衡特性，目前仍需解决。
在电池配电网络的研究中，许多学者进行了相关研究，特别是配电路线和配电成本等。Zhang 等人[27]提出了一个多目标车辆路由问题，具有灵活的时间窗口用于车辆分销过程，以最小化配送成本并最大化客户满意度。Zhang 等人[28]提出了一种位置路由二级规划模型，考虑了 BSS 和物流配送路线，使物流企业比自建方法节省成本。Lin等人[29]研究了关键技术和运营因素对电池电动卡车在城市货运配送中日常路线的影响。Deng等人[30]提出了一种协调运营规划方法，通过确定电动车的最优数量及其行驶路线，目标是最小化运输和能源成本的总和。基于车辆路由网络优化，Wang等人和Wang等人[31,32]协调了多个车辆分配中心，最大限度地降低了运营成本和车辆总数。参考文献33涉及电池电动卡车车队的节能调度，目标是确定一套整合线路和回程客户的节能路线，考虑时间窗口[33]。上述参考文献为电池配电网调度和改进提供了许多思路，但大多数过去的研究主要聚焦于电池配电网的路径，而非电池充电、配电和换电调度的整个过程。因此，澄清进程间的调度关系并构建整个进程调度模型是一个亟需解决的问题。
总之，电池需求预测和电池分配网络的研究取得了一定成果，为当前调度研究提供了重要的理论和研究基础。然而，现有研究中仍存在问题：首先，如何将BSS聚合成BSSN以实现通用调度。其次，当前研究主要从充电和电池分配中研究，而未从充电、电池分配和BS的整个过程构建BSSN的电池调度模型。因此，BSS调度成本与绿色用电目标之间的平衡关系和特性也未被研究。为了弥补上述研究中发现的空白，本文通过执行以下目标作出贡献。

• (1)
  考虑BSS之间的电池平衡调度问题，以BSS集群（即BSSN）为对象，构建包含绿色电力供应、交换需求和电池分配部件的BSSN调度和运行框架。
• (2)
  构建一个BSSN电池调度的双目标模型，考虑充电、更换和电池分配的整个过程。该模式旨在满足出租车的换乘需求，同时最大化其调度潜力以消耗绿色能源。
• (3)
  考虑电荷与绿功率输出的匹配度，并提出绿色拟合函数，以实现BSSN电力负载与绿色功率输出之间的友好消耗。