大規(guī)模新能源汽車接入背景下的電氫能源與交通系統(tǒng)耦合研究綜述

近年來，世界經(jīng)濟(jì)格局逐漸向低碳化方向發(fā)展.我國(guó)作為全球最大的發(fā)展中國(guó)家，處在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，碳排總量和強(qiáng)度呈“雙高”現(xiàn)狀.2019年我國(guó)碳排放總量占全球總量的29%，其中，能源活動(dòng)碳排放約98億噸，占社會(huì)總量的87%.2020年9月，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上作出了2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的承諾.2021年3月，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)把“碳達(dá)峰、碳中和”納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，鄭重提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng).發(fā)展全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推進(jìn)能源開發(fā)清潔替代、能源消費(fèi)電能替代，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)清潔主導(dǎo)、能源使用電能主導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑.

傳統(tǒng)交通運(yùn)輸工具對(duì)化石能源依賴度較高，是碳排放的重要來源.近年來，隨著可再生能源發(fā)電、制氫、儲(chǔ)能等高新技術(shù)的快速發(fā)展，以蓄電池、氫燃料電池為驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車已成為實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)能源轉(zhuǎn)型的重要手段.據(jù)國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布的《全球電動(dòng)汽車展望2019》顯示，截至2018年底，全球電動(dòng)汽車保有量已逾510萬，其中，我國(guó)以230萬輛的數(shù)據(jù)穩(wěn)居世界第一.氫具有較高的能量密度，氫燃料電池汽車在實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放的同時(shí)，可滿足長(zhǎng)距離出行需求，具有廣泛發(fā)展前景.我國(guó)在2018年11月發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中提出，預(yù)計(jì)到2025年底，全國(guó)燃料電池汽車?yán)鄯e推廣量達(dá)5萬輛，加氫站建設(shè)超過500座.

隨著交通電氣化程度的不斷提高，能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的相互影響日益顯著，快充電站、加氫站等城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，也使得電-氫能源網(wǎng)與交通網(wǎng)的耦合更為密切.能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展是“雙碳”背景下實(shí)現(xiàn)城市經(jīng)濟(jì)、高效、可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但兩者的運(yùn)行方式、建模方法、平衡機(jī)制等存在較大差異，當(dāng)前，在揭示系統(tǒng)耦合機(jī)理、構(gòu)建同時(shí)滿足兩者運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)模型、探究運(yùn)行平衡條件及優(yōu)化邊界、實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)同規(guī)劃調(diào)度等方面仍存在諸多問題.本文圍繞電-氫能源系統(tǒng)及能源-交通系統(tǒng)耦合展開，通過梳理相關(guān)文獻(xiàn)中的內(nèi)容、方法，探究了現(xiàn)有研究存在的不足，提出了下一步可行的研究方向，對(duì)推進(jìn)能源-交通耦合系統(tǒng)理論研究具有重要意義.首先，簡(jiǎn)要介紹了電-氫耦合能源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)制氫、出力波動(dòng)平抑、參與電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行3種工作模式進(jìn)行了總結(jié).以此為基礎(chǔ)，分別從電、氫兩大能源角度出發(fā)，對(duì)比了電力-交通耦合系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行相關(guān)文獻(xiàn)，分析了加氫站規(guī)劃和氫能運(yùn)輸相關(guān)研究.最后，結(jié)合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)未來能源-交通耦合系統(tǒng)的研究前景提出展望.

1 電-氫耦合能源系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

可再生能源的大規(guī)模利用，是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要手段.然而，風(fēng)電、光伏等新能源出力具有明顯的間歇性、隨機(jī)性特點(diǎn)，其大規(guī)模接入給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn).當(dāng)前，通過合理?xiàng)夛L(fēng)棄光、增設(shè)配套儲(chǔ)能設(shè)備等手段，保障了高比例可再生能源并網(wǎng)的可靠性.氫能具有高能量密度、零污染排放、便捷存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，可再生能源發(fā)電耦合制氫技術(shù)，不僅可以降低大規(guī)模并網(wǎng)不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)棄光的充分利用，還可以為氫燃料電池汽車等提供清潔能源.

近年來，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)電-氫耦合能源系統(tǒng)開展了大量研究，其主要運(yùn)行模式可分為3類：① 利用可再生能源發(fā)電制氫，保證氫能的綠色生產(chǎn)和穩(wěn)定供應(yīng)；② 發(fā)揮電解制氫靈活響應(yīng)的特性，平抑可再生能源出力波動(dòng)，提升并網(wǎng)品質(zhì)；③ 充分利用棄風(fēng)、棄光資源，提高可再生能源消納率，并進(jìn)一步結(jié)合燃料電池，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)負(fù)荷跟蹤.本節(jié)分別就以上3種運(yùn)行模式的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹.

“下陡門”遺址出土后，經(jīng)水利、考古專家的研究與分析，古人治水掌握的工程選址、水文研究、防洪調(diào)度、船閘設(shè)計(jì)、防滲止水、運(yùn)行管理等先進(jìn)技術(shù)也一一被揭開。特別是“永嘉水則”實(shí)物的出土與發(fā)現(xiàn)，充分體現(xiàn)了“平字水則”的先進(jìn)技術(shù)，將其發(fā)展史向前推進(jìn)了180多年，由宋代追溯到唐末的五代后梁，對(duì)研究我國(guó)古代水利科學(xué)發(fā)展史具有重要意義。

1.1 可再生能源發(fā)電制氫

該運(yùn)行模式下，電-氫耦合能源系統(tǒng)的主要運(yùn)行目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)高效綠色產(chǎn)氫.截至2020年初，全球氫產(chǎn)量近上億噸，其中約96%來自化石原料分解，僅4%來自電解水，制氫產(chǎn)業(yè)整體碳排放量較高.利用可再生能源電解水制氫，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程二氧化碳(CO)零排放，是發(fā)展綠色氫能的必然選擇.根據(jù)耦合系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接關(guān)系，相關(guān)研究又分為離網(wǎng)型與并網(wǎng)型.

離網(wǎng)運(yùn)行模式下，可再生能源發(fā)電直接用于制氫，實(shí)現(xiàn)了能源的就地消納.該模式適用于電網(wǎng)建設(shè)成本較高的地區(qū)，通過將可再生能源轉(zhuǎn)化為易于存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)臍錃?，?shí)現(xiàn)了清潔能源的充分利用.但可再生能源出力具有較強(qiáng)的波動(dòng)性，電流、電壓輸入的頻繁變化會(huì)造成電解槽工作點(diǎn)的隨機(jī)漂移，進(jìn)而影響其內(nèi)部傳質(zhì)，對(duì)產(chǎn)氫量、產(chǎn)氫效率和使用壽命等產(chǎn)生不利影響.為解決該問題，離網(wǎng)系統(tǒng)可通過配置適當(dāng)容量的儲(chǔ)能，補(bǔ)償可再生能源出力波動(dòng)，保證電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行，提高電解制氫效率.也可以通過多電解槽間的協(xié)調(diào)配合，如采用輪值控制策略，將處于停機(jī)、額定功率和波動(dòng)功率3種運(yùn)行狀態(tài)的電解槽按一定規(guī)則進(jìn)行輪換，減少電解槽啟停頻率，實(shí)現(xiàn)單體工作時(shí)間的均衡，提升系統(tǒng)使用壽命.

并網(wǎng)運(yùn)行模式下，可再生能源發(fā)電可通過電網(wǎng)輔助進(jìn)行制氫，保證了氫氣的生產(chǎn)效率和供應(yīng)穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了智能電源管理系統(tǒng)，用以在風(fēng)電出力較低時(shí)維持電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行，提高產(chǎn)氫質(zhì)量.文獻(xiàn)[26]針對(duì)電網(wǎng)輔助的風(fēng)電制氫系統(tǒng)，提出了一種變流器控制策略，使電解槽始終工作在額定電流狀態(tài)，保證了不同風(fēng)速、溫度下氫氣的生產(chǎn)效率.鄧智宏等研究了電解槽的工作特性曲線，評(píng)估了其最優(yōu)工作區(qū)間，并采取電網(wǎng)購(gòu)電輔助策略，維持了電解槽的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài).

公職人員同時(shí)作為公共權(quán)力和個(gè)體權(quán)利的行使者，必然面臨著不同利益混淆和沖突的可能，防止利益沖突就是要防止利用公權(quán)謀取私利。以《廉政準(zhǔn)則》為基礎(chǔ)，以專門的防止利益沖突制度為支撐，以相關(guān)法規(guī)文件為補(bǔ)充的防止利益沖突制度規(guī)范?！奔訌?qiáng)制度廉潔性評(píng)估，著力鏟除利益沖突的制度土壤，是目前反腐制度建設(shè)中的一大亮點(diǎn)。① 2012反腐倡廉藍(lán)皮書集中梳理依法反腐亮點(diǎn)［EO/］，法制網(wǎng)，2012-12-21.

當(dāng)前，可再生能源發(fā)電制氫成本較高，推廣應(yīng)用仍具有一定難度，Nadaleti等分析了巴西地區(qū)水電、風(fēng)電制氫的潛力和經(jīng)濟(jì)可行性，估算所得制氫成本為0.303美元/(kW·h)，遠(yuǎn)高于發(fā)電成本.為提升經(jīng)濟(jì)性.Human等以小型獨(dú)立可再生能源發(fā)電制氫系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率、成本和可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，提出了多目標(biāo)能量管理方法.Won等構(gòu)建了混合整數(shù)線性規(guī)劃模型對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)年制氫成本進(jìn)行了優(yōu)化，并通過在韓國(guó)濟(jì)州島的應(yīng)用分析，證明了該方法的有效性.如何利用電-氫耦合系統(tǒng)的運(yùn)行控制，進(jìn)一步降低電制氫成本，提高產(chǎn)氫質(zhì)量和效率，是發(fā)展綠色氫能的重要方向.

1.2 可再生能源出力波動(dòng)平抑

(1) 當(dāng)前有關(guān)能源-交通耦合系統(tǒng)的研究主要集中在電力-交通系統(tǒng)和氫能-交通系統(tǒng)兩方面，尚缺乏對(duì)三者間協(xié)同運(yùn)行機(jī)理的深入研究.未來隨著電-氫能源網(wǎng)的深度融合，能源轉(zhuǎn)化、補(bǔ)給形式將更加多樣，多能供給設(shè)施也將得到進(jìn)一步發(fā)展，多類型新能源汽車參與能源-交通耦合系統(tǒng)互動(dòng)的場(chǎng)景也會(huì)隨之增多.研究多能系統(tǒng)與交通系統(tǒng)耦合對(duì)各自優(yōu)化運(yùn)行邊界的影響以及協(xié)同運(yùn)行過程中存在的障礙，挖掘不同系統(tǒng)間的耦合方式，構(gòu)建時(shí)間尺度相匹配的耦合模型，是實(shí)現(xiàn)能源、交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃、調(diào)度的理論前提.

文獻(xiàn)[33-35]以單體變速風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電功率波動(dòng)部分，為電網(wǎng)提供平穩(wěn)電能.其中，Takahashi等采用多電解槽并聯(lián)運(yùn)行模式，根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際出力值與并網(wǎng)參考值間的偏差確定電解槽啟停數(shù)目，使各電解槽始終保持在全負(fù)荷或空載運(yùn)行狀態(tài)，減少了啟停次數(shù)，提高了波動(dòng)平抑效率.工程實(shí)際中，并網(wǎng)風(fēng)場(chǎng)常由多臺(tái)機(jī)組組成，其輸出為所有風(fēng)機(jī)輸出的總和，考慮到運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與控制簡(jiǎn)便性，制氫系統(tǒng)安裝于風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)處的效果優(yōu)于分散安裝在各機(jī)組輸出端.

可再生能源出力波動(dòng)可分解為不同頻段，制氫系統(tǒng)雖同時(shí)具備功率型和能量型儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，但其動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度較慢，在響應(yīng)高頻波動(dòng)信號(hào)時(shí)存在一定缺陷，許多研究將制氫系統(tǒng)與快速響應(yīng)型儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合，以滿足不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)率要求.文獻(xiàn)[40-43]采用了低通濾波、小波包分解等算法，對(duì)可再生能源出力波動(dòng)進(jìn)行分解，其中高頻分量由超級(jí)電容器進(jìn)行補(bǔ)償，低頻分量由堿性電解槽吸收制氫，通過協(xié)調(diào)控制彌補(bǔ)了彼此的工作特性缺陷，實(shí)現(xiàn)了多頻段出力波動(dòng)的平抑.如何進(jìn)一步協(xié)調(diào)制氫系統(tǒng)與其他波動(dòng)平抑手段的配合，提升平抑效果與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，是推動(dòng)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的重要方向.

1.3 含可再生能源與氫能的電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

該運(yùn)行模式下，制氫系統(tǒng)通過與燃料電池的配合，消納/補(bǔ)償了可再生能源出力與負(fù)荷需求間的功率差，解決了棄風(fēng)、棄光問題，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的“削峰填谷”.相關(guān)研究按照時(shí)間尺度的不同又可劃分為實(shí)時(shí)運(yùn)行控制與短期運(yùn)行優(yōu)化.

在熱誤差建模中,定義熱誤差y=[y1,y2,…,yn],溫度變量X=[x1,x2,…,xn],其中xi=[xi1,xi2,…,xip]T(i=1,2,…,n)。基于SIR的建模步驟如下所示:

電力-交通耦合系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃旨在滿足電網(wǎng)負(fù)荷與交通流量的需求下規(guī)劃無線充電路段、快充電站、電力線路、交通道路等基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)交通網(wǎng)模型的不同，又可劃分為基于流量型和基于網(wǎng)絡(luò)均衡型兩類.Zhang等采用基于流量的續(xù)航選址模型研究高速公路充電站規(guī)劃問題，以配電網(wǎng)與交通網(wǎng)投資、運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，基于線性潮流方程建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃(Mixed Integer Linear Programming, MILP)模型，并在文獻(xiàn)[74]中考慮異構(gòu)電動(dòng)汽車的行駛范圍和隨機(jī)到達(dá)率，對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合支路潮流模型(Branch Flow Model, BFM)構(gòu)建了混合整數(shù)二階錐規(guī)劃(Mixed-Integer Second-Order Cone Program, MISOCP)問題.流量模型不考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響，且流量分配為確定值或由概率分布所得，與實(shí)際交通情況存在偏差.網(wǎng)絡(luò)均衡模型考慮了出行者路徑選擇與道路擁塞間的相互影響，分為用戶均衡(User Equilibrium, UE)準(zhǔn)則和系統(tǒng)最優(yōu)(System Optimal, SO)準(zhǔn)則，前者為用戶以自身出行時(shí)間最小為目標(biāo)選擇出行路徑所達(dá)到的均衡狀態(tài)；后者為所有用戶的平均出行成本最小時(shí)系統(tǒng)所達(dá)到的均衡狀態(tài).He等首次在充電站位置、容量規(guī)劃問題中考慮電力-交通系統(tǒng)間的耦合平衡，并結(jié)合直流最優(yōu)潮流(Direct Current Optimal Power Flow, DCOPF)模型和UE準(zhǔn)則構(gòu)建了具有互補(bǔ)約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃(Mathematical Program with Complementarity Constraints, MPCC)問題進(jìn)行求解.Yao等以配電網(wǎng)投資成本與能量損耗最小、快充電站的交通流量最大為目標(biāo)，提出了基于UE準(zhǔn)則和交流最優(yōu)潮流(Alternating Current Optimal Power Flow, ACOPF)模型的多目標(biāo)聯(lián)合規(guī)劃方法.Xiang等基于UE準(zhǔn)則獲得交通流量分布并選擇充電站地址，然后通過求解電網(wǎng)規(guī)劃問題獲得充電站容量.Wei等建立了包含交通道路、充電設(shè)施、電源和配電線路的聯(lián)合規(guī)劃問題，并將其轉(zhuǎn)換為MILP問題進(jìn)行求解.上述文獻(xiàn)的總結(jié)和比較見表1，當(dāng)前耦合系統(tǒng)規(guī)劃研究中未考慮電力負(fù)荷和交通需求的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)，中長(zhǎng)期時(shí)間尺度下的投資決策問題仍值得進(jìn)一步關(guān)注.

在實(shí)時(shí)運(yùn)行控制方面，早期文獻(xiàn)多以離網(wǎng)型電-氫耦合系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用電-氫能源的雙向轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部的能量平衡.后續(xù)研究中，文獻(xiàn)[48-55]構(gòu)建了一種可再生能源發(fā)電、制氫系統(tǒng)、燃料電池、儲(chǔ)能設(shè)備等耦合于直流母線的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)可再生能源出力與網(wǎng)側(cè)負(fù)荷需求的實(shí)時(shí)偏差，基于既定的控制規(guī)則在線調(diào)整電解槽與燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)，并利用超級(jí)電容減少設(shè)備延遲響應(yīng)的影響，提高了可再生能源消納率，保證了并網(wǎng)功率對(duì)負(fù)荷需求的實(shí)時(shí)跟蹤.

2 能源-交通耦合系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

能源與交通是人類社會(huì)發(fā)展的兩大核心，進(jìn)入21世紀(jì)后，化石能源短缺與環(huán)境污染加重制約了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)展，以電、氫等清潔能源為動(dòng)力的新能源汽車得到了廣泛關(guān)注，有望成為未來的主流交通工具.隨著新能源汽車的不斷普及，以及無線充電道路、快充電站、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，未來以電-氫為核心的能源系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的耦合將會(huì)更加密切.本節(jié)分別從電、氫兩大能源角度，對(duì)當(dāng)前能源-交通耦合系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹.

2.1 電力-交通耦合系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

如圖1所示，電氣化交通及其充電/供電設(shè)施是電力-交通系統(tǒng)耦合的重要樞紐.本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)汽車方面的研究，交通系統(tǒng)路網(wǎng)狀況影響用戶行駛行為和充電決策，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)負(fù)荷分布.與此同時(shí)，電網(wǎng)充電設(shè)施的位置、容量、電價(jià)等也會(huì)影響電動(dòng)汽車的充電選擇與行駛特性，進(jìn)而影響交通流的分布.當(dāng)前，相關(guān)研究主要聚焦于耦合系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行.

APP可對(duì)目標(biāo)桿塔(或隱患)進(jìn)行導(dǎo)航，可將歷史巡檢軌跡作為路網(wǎng)數(shù)據(jù)，疊加百度地圖進(jìn)行組合導(dǎo)航,見圖5。

在短期運(yùn)行優(yōu)化方面，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究電-氫耦合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題.文獻(xiàn)[56-60]研究了以系統(tǒng)運(yùn)行效益最大為目標(biāo)的能源系統(tǒng)日前調(diào)度問題，論證了儲(chǔ)氫在減少棄光、棄風(fēng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性方面的作用.此外，電-氫能源系統(tǒng)可與煤、熱等多種能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源消納.考慮到耦合能源系統(tǒng)運(yùn)行需求的多樣性，文獻(xiàn)[65-66]將短期調(diào)度與實(shí)時(shí)控制結(jié)合，構(gòu)建了多時(shí)間尺度下風(fēng)-氫-煤多能耦合系統(tǒng)的分層控制架構(gòu)，其中頂層運(yùn)行日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度，底層基于預(yù)控制指令，以風(fēng)電最大限度消納為目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.當(dāng)前研究主要基于確定性運(yùn)行場(chǎng)景展開，如何進(jìn)一步增強(qiáng)不確定性環(huán)境下耦合能源系統(tǒng)運(yùn)行控制的魯棒性，是提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力的重要方向.

在優(yōu)化運(yùn)行方面，可以根據(jù)電力、交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制的不同對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行分類，相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)對(duì)比如表2所示.對(duì)于由政府組織統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)的電力-交通耦合系統(tǒng)，兩網(wǎng)可通過信息共享實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化，文獻(xiàn)[79-81]以包含發(fā)電成本、出行時(shí)間成本和充電成本等的全系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，通過聯(lián)合調(diào)度實(shí)現(xiàn)了全局優(yōu)化.對(duì)于由獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商分別管理的電力、交通系統(tǒng)，耦合優(yōu)化運(yùn)行可分解為交通分配問題與最優(yōu)潮流問題，通過兩者的交替求解實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平衡.Wei等分別采用UE準(zhǔn)則和BFM描述交通流和電力潮流分布，以配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格(Locational Marginal Price, LMP)作為兩網(wǎng)交互信息，通過迭代優(yōu)化求得耦合系統(tǒng)運(yùn)行平衡點(diǎn).Manshadi等進(jìn)一步考慮了行駛過程中的電能消耗，以LMP作為交互信息，采用交替方向乘子法迭代求解交通分配問題和最優(yōu)潮流問題，并通過仿真證明兩系統(tǒng)各自的阻塞均會(huì)改變耦合系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)成本.以上研究均基于確定性場(chǎng)景展開，文獻(xiàn)[84-85]考慮了交通出行需求的不確定性，保障了極端場(chǎng)景下交通流的合理分配和配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.在此基礎(chǔ)上，Qian等又考慮了風(fēng)電出力的不確定性，采用深度學(xué)習(xí)法對(duì)多種不確定性因素下的電力-交通耦合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行求解.價(jià)格信號(hào)作為影響耦合系統(tǒng)平衡狀態(tài)的重要因素在上述文獻(xiàn)中得到了重點(diǎn)關(guān)注，電力系統(tǒng)可通過調(diào)整充電電價(jià)改變用戶充電行為，進(jìn)而改變電力負(fù)荷分布，現(xiàn)有研究常選擇LMP作為充電電價(jià)以響應(yīng)電力系統(tǒng)的阻塞狀況.同理，交通系統(tǒng)也可以通過增收道路擁擠費(fèi)，平衡各路徑上的車流分布.未來，隨著主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行控制的柔性交通資源的不斷增長(zhǎng)，價(jià)格信號(hào)將成為協(xié)同耦合系統(tǒng)宏觀運(yùn)行的重要手段，如Shi等提出了基于聚合器控制的Vickrey-Clarke-Groves拍賣機(jī)制，解決了大規(guī)模電動(dòng)汽車主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行的集群控制問題.目前，絕大多數(shù)研究都采用靜態(tài)模型，未考慮交通流在相鄰時(shí)間段間的連續(xù)性，雖然也有文獻(xiàn)選擇半動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型來刻畫交通流分布，但如何完善耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，提高計(jì)算速率仍值得進(jìn)一步研究.

2.2 氫能-交通耦合系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

氫燃料電池汽車具有綠色環(huán)保、燃料補(bǔ)充時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是未來實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)零碳排的重要途徑.隨著氫燃料電池汽車保有量和氫氣需求量的持續(xù)增長(zhǎng)，氫能系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的耦合程度進(jìn)一步增強(qiáng)，相關(guān)研究主要包括兩個(gè)方面：① 考慮氫燃料電池汽車出行影響的加氫站運(yùn)行規(guī)劃問題；② 氫能運(yùn)輸問題.

8月30日，歐委會(huì)公布月度調(diào)查顯示，8月份歐元區(qū)經(jīng)濟(jì)景氣指數(shù)連續(xù)8個(gè)月小幅下滑；企業(yè)景氣指數(shù)下降0.08至1.22，工業(yè)景氣指數(shù)下降0.3至5.5。

加氫站作為連接交通系統(tǒng)與制氫、用氫環(huán)節(jié)的重要樞紐，近年來受到了廣泛關(guān)注，如圖2所示，加氫站按制氫地點(diǎn)不同可分為外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站.場(chǎng)外制氫多采用化石原料，成本低且技術(shù)成熟，但碳排放量高且需額外考慮氫氣儲(chǔ)運(yùn)問題；站內(nèi)制氫以“現(xiàn)制現(xiàn)用”為原則，這意味著需在人口密集區(qū)制氫，因此要求采用清潔能源、緊湊設(shè)備以及安全高效的反應(yīng)過程.加氫站的位置、價(jià)格、供氫能力等會(huì)影響氫燃料電池汽車的出行選擇，進(jìn)而影響交通流的分布.與此同時(shí)，用戶的駕駛行為也會(huì)影響加氫站的氫能需求，進(jìn)而影響氫能系統(tǒng)供應(yīng)鏈.在加氫站選址規(guī)劃方面，Kang等針對(duì)加利福尼亞州68個(gè)擬建加氫站，計(jì)算了81種出行模式下氫燃料電池汽車為進(jìn)行加氫所產(chǎn)生的駕駛時(shí)間偏差，證明了加氫站位置選擇對(duì)交通系統(tǒng)的影響.Kuby等以加氫站截流量最大為目標(biāo)構(gòu)建了MILP模型，對(duì)其位置選擇進(jìn)行優(yōu)化.在此基礎(chǔ)上，Kim等考慮氫燃料電池汽車的有限行駛范圍以及為滿足加氫需求所產(chǎn)生的實(shí)際行駛路徑與最短路徑間的偏移，采用基于偏差的截流選址模型，優(yōu)化了加氫站的位置.Honma等對(duì)基于節(jié)點(diǎn)(用戶需求以空間中的點(diǎn)表示，服務(wù)設(shè)施建設(shè)于點(diǎn))和基于路徑(用戶需求以起點(diǎn)—終點(diǎn)之間的用戶流量表示，服務(wù)設(shè)施建設(shè)于路徑)的兩種典型加氫站優(yōu)化選址模型進(jìn)行了比較，證明在氫需求及加氫站數(shù)量相同的前提下，基于路徑的規(guī)劃方法可以減少總行駛時(shí)間.Miralinaghi等構(gòu)建了一個(gè)雙層優(yōu)化模型，其中下層為基于UE準(zhǔn)則的交通分配問題，上層為以建設(shè)成本和系統(tǒng)總出行成本最小為目標(biāo)的加氫站優(yōu)化配置問題.在加氫站優(yōu)化運(yùn)行方面，Dagdougui等以燃油汽車流量為參考估算了系統(tǒng)氫需求，并針對(duì)不同的氫燃料電池汽車滲透率模擬了加氫站的運(yùn)行過程.Carr等基于行駛范圍為563 km的中型氫燃料電池汽車的出行數(shù)據(jù)，估算了氫需求量，并以風(fēng)電制氫加氫站收益最大化為目標(biāo)，構(gòu)建了混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，優(yōu)化了電解槽的運(yùn)行功率.Xu等考慮了電動(dòng)汽車及氫燃料電池汽車能源需求的不確定性，對(duì)光伏發(fā)電支撐的混合電/氫加油站運(yùn)行控制策略進(jìn)行研究，以利用潤(rùn)最大化為目標(biāo)優(yōu)化了直接供電與電制氫間的比例.現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)氫能-交通系統(tǒng)的耦合運(yùn)行機(jī)理及平衡狀態(tài)缺乏較為深入的研究，電-氫-交通耦合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合仍值得進(jìn)一步關(guān)注.

目前，能源-交通耦合系統(tǒng)的研究仍處于發(fā)展階段，以下方向在未來可能會(huì)獲得更多關(guān)注：

3 能源-交通耦合系統(tǒng)研究前景

氫能運(yùn)輸方面，現(xiàn)有研究重點(diǎn)關(guān)注了運(yùn)氫方案的規(guī)劃.在宏觀層面，運(yùn)氫方案主要考慮運(yùn)輸方式的選擇，文獻(xiàn)[101-104]結(jié)合了運(yùn)輸距離、交通方式、氫能需求等因素的影響，對(duì)各類運(yùn)氫方式展開了經(jīng)濟(jì)性分析并給出各自的適用場(chǎng)景.常樂等對(duì)比了3種運(yùn)氫方式(氣氫拖車、氣氫管道及液氫罐車)在不同運(yùn)氫規(guī)模和運(yùn)輸距離下的成本、能耗及CO排放特性，提出以經(jīng)濟(jì)性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，氣氫拖車方式適合小規(guī)模、短距離運(yùn)輸，氣氫管道方式適合大規(guī)模及中短距離運(yùn)輸，液氫罐車方式適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸.Nazir等進(jìn)一步考慮到全球范圍內(nèi)的氫能供應(yīng)，提出對(duì)于距離超過 3 500 km的氫能運(yùn)輸，液化氫運(yùn)輸船為最佳選擇.針對(duì)外供氫加氫站的運(yùn)氫方式選擇問題，Yang等綜合分析了城市人口密度、加氫站數(shù)量和規(guī)模、燃料電池汽車市場(chǎng)滲透率等因素，計(jì)算了不同運(yùn)氫方式的經(jīng)濟(jì)性并提出合理化建議.馬建新等結(jié)合中國(guó)上海地區(qū)燃料電池汽車發(fā)展計(jì)劃，分析指出長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫為最佳方案.在微觀層面，運(yùn)氫方案結(jié)合實(shí)際運(yùn)輸場(chǎng)景，考慮路網(wǎng)狀況，運(yùn)氫需求，運(yùn)輸工具工作特性等，對(duì)已選定的運(yùn)氫方式的具體配置方案及路徑選擇進(jìn)行優(yōu)化.Reddi等研究了氣氫拖車參數(shù)配置與有效載荷之間的關(guān)系，建立了氫氣總交付成本優(yōu)化模型，并在算例中證明通過選擇適當(dāng)?shù)耐宪嚺渲?，氫氣輸送成本可降?6%.Lahnaoui等以總運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建了氣氫拖車儲(chǔ)氫罐壓力優(yōu)化配置模型，并在不同運(yùn)輸距離及需求場(chǎng)景下證明了該方法的有效性.Gim等結(jié)合制氫廠與加氫站間的路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在滿足氫氣供需平衡的條件下，通過對(duì)氣氫拖車行駛路線的優(yōu)化降低了總運(yùn)輸成本.當(dāng)前文獻(xiàn)多基于單一類型的運(yùn)氫方式展開，未來隨著氫需求場(chǎng)景的多樣化，氫能運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)將會(huì)更為復(fù)雜，需進(jìn)一步考慮多種運(yùn)氫方式間的協(xié)調(diào)配合，以提高氫能運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)性.

該運(yùn)行模式下，制氫設(shè)備通過動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)時(shí)跟蹤可再生能源出力，提升了電-氫耦合系統(tǒng)輸出功率的平滑性.相較于蓄電池等傳統(tǒng)可再生能源出力平抑手段，制氫系統(tǒng)中電解槽可在0～100%額定功率范圍內(nèi)自適應(yīng)輸出功率波動(dòng)，同時(shí)擁有功率型和能量型儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，且運(yùn)維成本低、綠色無污染、不存在自放電現(xiàn)象，具有良好的應(yīng)用前景.

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 16.0做統(tǒng)計(jì)分析，連續(xù)變量用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，分類變量用絕對(duì)數(shù)(%)表示。兩獨(dú)立樣本之間的比較采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)。肥胖孕婦未控制體質(zhì)量與妊娠結(jié)局關(guān)系，采用多因素Logistics回歸分析，所有的檢驗(yàn)均為雙側(cè)檢驗(yàn)，以P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(2) 當(dāng)前研究主要集中于單斷面上的能源-交通系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化，在采用靜態(tài)UE/SO模型描述交通流分布情況的同時(shí)，忽略了電力、氫能負(fù)荷的時(shí)變特性.隨著可再生能源滲透率及需求側(cè)負(fù)荷響應(yīng)能力的不斷提升，各時(shí)段源-荷平衡面臨更大的挑戰(zhàn)，有必要考慮日內(nèi)交通需求和電網(wǎng)源荷的波動(dòng)性，從多斷面角度研究能源-交通系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行.值得一提的是，各時(shí)段內(nèi)的交通流并不獨(dú)立，其多斷面協(xié)同優(yōu)化并不是單斷面協(xié)同的簡(jiǎn)單堆積，建模時(shí)需考慮各時(shí)段間的耦合影響.

“角的度量”是人教版四年級(jí)上冊(cè)的內(nèi)容，“認(rèn)識(shí)量角器，并能正確使用量角器量角”這兩點(diǎn)是本課的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)。我們?cè)诮虒W(xué)中發(fā)現(xiàn)，此類課總會(huì)出現(xiàn)“上課會(huì)量，下課即忘，一操作就錯(cuò)”的現(xiàn)象，那么，技能的教學(xué)到底怎么教？

(3) 當(dāng)前研究主要基于確定性交通需求和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，較少考慮不確定性因素的影響.對(duì)交通網(wǎng)而言，廣泛應(yīng)用的UE準(zhǔn)則假設(shè)用戶充分了解全局路網(wǎng)狀態(tài)，完全理性地進(jìn)行路徑選擇，而實(shí)際情況中，用戶的駕駛習(xí)慣及對(duì)路網(wǎng)狀況的認(rèn)知存在差異，其駕駛行為存在很強(qiáng)的隨機(jī)性.對(duì)能源系統(tǒng)而言，可再生能源發(fā)電、氫能生產(chǎn)、用戶用能需求等均存在較強(qiáng)的不確定性.如何考慮多種不確定性因素間的相關(guān)性，合理構(gòu)建包含高維不確定性因素的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)能源-交通系統(tǒng)的高效協(xié)同優(yōu)化，是確保二者可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要基礎(chǔ).

(4) 能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)日益密切的交互行為，增加了耦合系統(tǒng)的故障類型，提高了故障的復(fù)雜程度，擴(kuò)大了故障的影響范圍.能源-交通系統(tǒng)耦合在對(duì)全網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了新挑戰(zhàn)的同時(shí)，也提供了故障恢復(fù)的新手段.當(dāng)前研究主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)展開，較少涉及故障發(fā)生后耦合系統(tǒng)的狀態(tài)變化及協(xié)調(diào)恢復(fù)措施，進(jìn)一步研究不同故障類型對(duì)耦合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，制定故障后協(xié)同恢復(fù)策略，是提高耦合系統(tǒng)運(yùn)行安全性的重要手段.

在仿真結(jié)果中，NaN是因?yàn)镋ER等級(jí)劃分的5個(gè)等級(jí)，屬于在實(shí)驗(yàn)室理想狀態(tài)下得到的結(jié)果，該項(xiàng)研究是現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)地下水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，由于該地下水源熱泵系統(tǒng)實(shí)際情況下不能完全實(shí)現(xiàn)節(jié)能的要求，收集到的數(shù)據(jù)中1級(jí)到3級(jí)數(shù)據(jù)較少，測(cè)試數(shù)據(jù)又是隨機(jī)抽取的，因此有些等級(jí)數(shù)據(jù)不能完全抽取，所以正確率也不存在。

4 結(jié)語

“雙碳”背景下，風(fēng)電、光伏等可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用已成為世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色能源轉(zhuǎn)型的重要方向.可再生能源發(fā)電耦合制氫技術(shù)可有效克服其出力的隨機(jī)性、間歇性問題，在提升并網(wǎng)品質(zhì)的同時(shí)，獲得綠色氫能，提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性.

新能源汽車的大規(guī)模接入，促進(jìn)了交通電氣化水平的提升，未來能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的交互將會(huì)更加頻繁，兩網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃運(yùn)行已成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì).當(dāng)前有關(guān)能源-交通耦合系統(tǒng)的研究大多局限于單斷面、確定性問題，且以仿真模擬為主，還未實(shí)現(xiàn)理論成果的落地.在未來能源-交通耦合系統(tǒng)研究中，應(yīng)更多地考慮多能融合、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變以及不確定性因素的影響，加強(qiáng)交通管理、能源供應(yīng)部門的溝通協(xié)作，進(jìn)一步推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)、安全、可持續(xù)發(fā)展.