面向電動汽車高滲透率綜合能源系統(tǒng)的換電模式綜述與展望

朱繼忠，何晨可，劉云，董朝陽

（1.華南理工大學電力學院，廣州 510640；2.南洋理工大學電氣工程學院，新加坡 639798）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）充分發(fā)揮不同能源間的互補協(xié)同，對提升綜合能效和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義，是能源發(fā)展必然選擇，而電動汽車（electric vehicle，EV）是未來IES的技術(shù)核心和主要用能終端之一［1-2］。數(shù)據(jù)表明，到2030 年，全球電動汽車保有量將擴大到近 3.5 億輛。同時，中國新能源汽車保有量達到891.5 萬輛，其中純電動汽車保有量724.5 萬輛，占新能源汽車總量的81.27%，與去年同期相比增加64.4 萬輛，呈高速增長態(tài)勢。預(yù)計2025 年和2030 年換電EV 保有量將分別達到496 萬輛和3 979 萬輛，截至2020 年6 月，我國換電站保有量總計452 座，換電站需求將在2025年達到2.2萬座。我國乃至全球高滲透率EV 負荷將成為未來能源交通融合系統(tǒng)的基本特征［3-7］。

隨著能源與電力領(lǐng)域供給側(cè)改革的推廣，以電力為主體并融合氣、熱和交通等多種能源形式的IES 將成為未來城市配網(wǎng)的主要發(fā)展趨勢［8］。美國學者里夫金的著作《第三次工業(yè)革命》中能源互聯(lián)網(wǎng)的四大特征之一：支持交通系統(tǒng)電氣化，實現(xiàn)EV 廣泛接入，實現(xiàn)能源的公平交易和高效綜合利用［9-10］。而IES是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要物理載體［2，11］。所以，從未來的能源交通融合視角出發(fā)，EV 充換電設(shè)施與IES 的規(guī)劃和運行的耦合關(guān)系將愈發(fā)密切，針對IES 為對象的充換電設(shè)施的優(yōu)化將成為具有前瞻性的研究方向。

近年來中國政府制定出臺了一系列旨在促進能源、交通融合發(fā)展的戰(zhàn)略與政策［12］?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”發(fā)展計劃、《國家綜合立體交通網(wǎng)絡(luò)綱要》都明確指出推進交通與能源融合發(fā)展［13-15］，同時，國家能源交通融合發(fā)展研究院的成立，標志著我國能源與交通產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展邁向落地［16］。近些年，《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》、《推動重點消費品更新升級暢通資源循環(huán)利用實施方案（2019—2020年）》、《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車補貼政策的通知》和《電動車換電安全要求》都支持換電模式發(fā)展，并開始了一系列的應(yīng)用試點工作［3-4］。面向EV 高滲透率IES 的換電模式的發(fā)展是源網(wǎng)荷儲及新能源汽車一體化協(xié)同發(fā)展的深入體現(xiàn)，需進一步深入研究。

目前，隨著EV 滲透率快速增長，區(qū)域末端供能系統(tǒng)IES 多能耦合系統(tǒng)與為EV 提供能源服務(wù)的充換電設(shè)施（charging swapping facilities，CSF）之間的耦合愈發(fā)緊密，各環(huán)節(jié)之間并非孤立，任何環(huán)節(jié)的規(guī)劃運行的合理性、準確性都將深遠影響到其他環(huán)節(jié)，逐步形成互為耦合、協(xié)同漸進的融合系統(tǒng)［17-20］。而EV 滲透率不斷提高和時空不確定性為交通能源融合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化帶來了巨大挑戰(zhàn)，尤其是能量和功率的時空不平衡問題。而應(yīng)對高滲透率EV 的IES 的能量和功率的時空不平衡的問題有多種技術(shù)方式，當前我國IES 的應(yīng)對方法以配置大容量電化學儲能、聯(lián)絡(luò)管網(wǎng)擴展配置等為主。然而隨著IES 內(nèi)EV 滲透率不斷提高，傳統(tǒng)儲能、聯(lián)絡(luò)管網(wǎng)等配置規(guī)模受到技術(shù)經(jīng)濟性的限制。考慮到因EV 導(dǎo)致的IES 能量和功率不平衡程度加劇，面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)將成為未來EV 可靠供能、IES 靈活運行的主要形式。

而作為EV 重能量補充模式，換電網(wǎng)絡(luò)還存在亟待解決技術(shù)問題主要有［21-25］：1）電池投資高，換電模式一般采用的電池租賃模式將會給能源供給企業(yè)帶來很大經(jīng)濟負擔。2）換電模式標準體系建設(shè)，不同廠商生產(chǎn)的電池和電動汽車等標準不一，這將給換電網(wǎng)絡(luò)換電裝置、充電裝置提出更高的兼容性要求。3）換電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資要求較高，其中集中型充電站用電用量較大，電池配送站需要密集布置以提高換電EV 的便捷性，電池物流系統(tǒng)的建設(shè)和運行會帶來額外的成本。4）在換電網(wǎng)絡(luò)的運營過程中，涉及到電池充電、電池調(diào)配、物流配送等諸多環(huán)節(jié)，而且各環(huán)節(jié)密切相關(guān)、相互牽制，涉及變量眾多，其優(yōu)化運行極為復(fù)雜。

在上述換電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)技術(shù)難題問題上，隨著EV 滲透率的不斷提高，加劇了換電網(wǎng)絡(luò)和多能源系統(tǒng)的交叉互聯(lián)和復(fù)雜耦合程度，這必然會增加系統(tǒng)配置、運行和控制的復(fù)雜度，也對系統(tǒng)的可靠、安全運行提出了更高的要求。同時，換電網(wǎng)絡(luò)和多能系統(tǒng)都有很大的自主性，不確定性和突變性很大，各系統(tǒng)配置和運行狀態(tài)會互相影響，從而影響整體系統(tǒng)的規(guī)劃合理性和運行安全經(jīng)濟性。具體而言，EV 電能補充的隨機性、無序性，會直接影響換電網(wǎng)絡(luò)中電池配送站的配置和運行，并導(dǎo)致電池物流系統(tǒng)的配置規(guī)模和調(diào)度計劃的復(fù)雜程度驟增，進而增加了集中型充電站的配置和運行計劃的制定難度，可能會給多能源系統(tǒng)帶來供能可靠性和供能質(zhì)量的惡化、增加多能源系統(tǒng)運行優(yōu)化控制難度等多方面的負面影響。多能源系統(tǒng)本身具有復(fù)雜的耦合波動性和不確定性也將反過來傳導(dǎo)至換電網(wǎng)絡(luò)的每個環(huán)節(jié)的配置和運行，影響換電網(wǎng)絡(luò)中EV 換電可靠性，并影響交通系統(tǒng)的實時車流量和擁堵程度。這些復(fù)雜的交叉漸進耦合問題是亟待解決的，也將會成為未來交通能源網(wǎng)絡(luò)的重要研究課題。

當前EV 主要被視為具有時空不確定性的電力負荷，向EV 提供能量服務(wù)的CSF 在配置和運行時一般只考慮與電網(wǎng)之間的協(xié)同［25-30］。隨著EV 規(guī)模的逐步擴大，其時空特性對系統(tǒng)的影響將擴大到具有多能互補、互聯(lián)互濟特點的多能流、多區(qū)域、多層級能源供應(yīng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)采用儲能、聯(lián)絡(luò)管網(wǎng)擴展配置已難以應(yīng)對含高滲透EV 的跨空間區(qū)域、跨能量層級IES 多能流的時空功率和能量不平衡問題。為了適應(yīng)IES 中EV 滲透率快速增長的趨勢，通過換電網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)揮EV 換電電池和電池物流系統(tǒng)構(gòu)成的時空靈活儲能的特點，發(fā)揮換電網(wǎng)絡(luò)和IES 相互配合、協(xié)同優(yōu)化的優(yōu)越性，提高IES 和換電網(wǎng)絡(luò)互補效益，實現(xiàn)協(xié)同規(guī)劃和互補運行，實現(xiàn)跨空間區(qū)域以及跨能量層級的IES 能量互聯(lián)互濟，最終實現(xiàn)資源最優(yōu)配置。本文將這類換電技術(shù)定義為面向IES 的換電模式，且隨著IES 中EV 并網(wǎng)比例的提高，作為IES 源網(wǎng)荷儲和EV 一體化協(xié)同發(fā)展的重要方式，面向IES 的換電技術(shù)的發(fā)展將受到廣泛關(guān)注和深入研究。

目前，對于“集中充電、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)的綜述研究，常常只著眼于對換電網(wǎng)絡(luò)本身及其與電網(wǎng)耦合的論述，缺乏從能源互聯(lián)網(wǎng)或者IES 多能互補角度出發(fā)，基于換電網(wǎng)絡(luò)和多能源系統(tǒng)交叉耦合，對兩者協(xié)同規(guī)劃和互補運行方面進行綜述。文獻［21-22］對電動汽車換電模式的基本框架、運營模式、規(guī)劃配置以及管理系統(tǒng)等基本框架進行了介紹，并指出了換電模式存在的問題以及今后的展望。文獻［23］主要從目標函數(shù)和算法兩方面對目前國內(nèi)外充換電設(shè)施規(guī)劃研究模型進行總結(jié)分析。文獻［24］從發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢角度出發(fā)，對目前換電模式技術(shù)發(fā)展趨勢進行了綜述。文獻［25］從充電計劃、服務(wù)政策、建設(shè)和規(guī)劃、調(diào)度以及電力管理等不同角度對換電網(wǎng)絡(luò)進行了綜述研究。上述研究考慮了換電網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)之間的耦合，而未考慮能源互聯(lián)網(wǎng)或者IES 環(huán)境下，未考慮換電網(wǎng)絡(luò)作為能源交通網(wǎng)絡(luò)的重要的可控供用能終端，未考慮在EV 滲透率達到一定水平之后，換電網(wǎng)絡(luò)將成為一種新型的帶有交通能源物流運輸特性和時空能量調(diào)控靈活性的跨區(qū)域IES（或跨層級IES）的能量交互耦合單元，無法滿足當前多能互聯(lián)系統(tǒng)的精準規(guī)劃和高效運行的要 求［9-12，31-32］。而對于真正具體實現(xiàn)交通和能源網(wǎng)絡(luò)融合的具有時空源荷特性的新型能量耦合節(jié)點——面向IES 的“集中充電、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)，其不同的結(jié)構(gòu)特點、規(guī)劃建設(shè)、運行調(diào)度等對于真正實現(xiàn)交通能源融合系統(tǒng)至關(guān)重要，目前缺乏對之詳細的研究分析。

在能源交通融合系統(tǒng)方面的綜述研究中，文獻［33］在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，綜述了如電、熱、冷、氣等多能源系統(tǒng)和交通等不同行業(yè)間的跨界融合機制。文獻［9］對能源互聯(lián)網(wǎng)中電、氣、熱和交通系統(tǒng)等多能源系統(tǒng)的交叉互聯(lián)和復(fù)雜耦合帶來的系統(tǒng)的可靠、安全運行的風險評估進行了闡述。文獻［10］對涵蓋交通網(wǎng)絡(luò)的能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃方面進行了分析、探討。文獻［34］提出并詳細闡述了完整一次能源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、交通網(wǎng)絡(luò)及信息網(wǎng)絡(luò)組成的新的能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵及相應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)形態(tài)。文獻［35］以能源互聯(lián)網(wǎng)為體系架構(gòu)，對能源網(wǎng)絡(luò)和電氣化交通網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃等方面進行了重點分析綜述。文獻［36］對電網(wǎng)與交通網(wǎng)耦合的設(shè)施規(guī)劃與運行優(yōu)化方面進行了綜述和展望。文獻［37］研究綜述了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)視角下研究能源-信息-交通-社會耦合網(wǎng)的關(guān)鍵科學問題，進而提出了能源自組織概念。文獻［38］討論了在能源技術(shù)、交通電氣化技術(shù)和信息技術(shù)支撐下，多能流耦合、多系統(tǒng)融合、多區(qū)域聯(lián)合的互聯(lián)形態(tài)和多環(huán)節(jié)、多主體、多時間尺度的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)互動機制。文獻［39］著眼于能源系統(tǒng)的碳中和背景，梳理了面向能源供給側(cè)和包括工業(yè)、交通、建筑的消費側(cè)的碳減排技術(shù)。文獻［40］在EV 集群優(yōu)化調(diào)控參與配電網(wǎng)需求響應(yīng)的前提下，系統(tǒng)評述了智慧城市車-站-網(wǎng)一體化運行現(xiàn)狀及進展。文獻［12］結(jié)合交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢，提出包含區(qū)域、城鎮(zhèn)/地區(qū)、終端三層的能源交通一體化系統(tǒng)的發(fā)展架構(gòu)。文獻［31］提出一種涵蓋EV 的基于能源集線器概念和多能互補思想的IES 研究思路，為能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的能源發(fā)展提供一些建議。文獻［32］針對EV 廣泛接入的能源互聯(lián)網(wǎng)進行深入分析，提出其技術(shù)內(nèi)涵、特征、要素和形態(tài)以及關(guān)鍵技術(shù)。上述能源交通融合系統(tǒng)的綜述研究具有不同角度和側(cè)重點，但更多的停留在宏觀的交通系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的融合，或微觀EV 個體與能源系統(tǒng)融合的綜述展望，并未聚焦于EV 某一類具體運行模式及其與能源系統(tǒng)的互動的研究方向進行評述。

本文針對高滲透率EV 的IES 的換電技術(shù)，總結(jié)了當前面向IES 的換電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；在此基礎(chǔ)上，歸納出面向IES 的換電技術(shù)性能與關(guān)鍵特征；從面向高EV 滲透率的IES 的換電網(wǎng)絡(luò)的建模、具備的技術(shù)性能、關(guān)鍵特征、協(xié)同耦合框架等方面綜述了IES 的換電網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀；分析面向高EV 滲透率的IES 的換電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵科學問題與挑戰(zhàn)，展望了未來面向高EV 滲透率的IES 的換電模式的研究方向，從而為未來研究提供參考。

1 能源交通融合系統(tǒng)

隨著EV 的發(fā)展，交通、電、氣系統(tǒng)等能源網(wǎng)絡(luò)的耦合增強，面向日漸融合的能源交通網(wǎng)，統(tǒng)籌交通和能源系統(tǒng)，能夠顯著降低IES 成本、提高運行效率［41］。能源互聯(lián)網(wǎng)由智能電、氣、熱、電氣化交通網(wǎng)緊密耦合構(gòu)成，EV 充放電設(shè)施及車主駕駛、充電行為對系統(tǒng)產(chǎn)生影響［35］。EV 快速發(fā)展，將充電設(shè)施構(gòu)建于IES 內(nèi)將提高能源利用率，促進能源靈活性的優(yōu)勢［11］。

1.1 IES與EV耦合

IES 為EV 提供能量服務(wù)有巨大的環(huán)境和經(jīng)濟價值，開展考慮EV 的IES 優(yōu)化，具有現(xiàn)實價值和重要前瞻意義［42］。EV 對IES 的可靠性、經(jīng)濟運行以及可再生能源接入都有著重要影響，EV 可以為IES 提供調(diào)頻和備用等輔助服務(wù)，推動可再生能源的廣泛利用［2］。EV 會對IES配置和經(jīng)濟性造成明顯影響［43］。隨著IES 與EV 的深度融合，EV 時空分布將對IES 運行產(chǎn)生明顯影響，且大量EV 同時接入會導(dǎo)致IES 供電壓力激增、電能質(zhì)量惡化，加劇IES 供能的壓力，進而影響IES 穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，引導(dǎo)EV 負荷有序接入可平抑IES 功率波動，提升園區(qū)的供電可靠性，對EV 的合理調(diào)度可提高IES的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性［44］。EV 規(guī)模化接入有可能危害IES 的安全經(jīng)濟運行［45］。IES 的經(jīng)濟穩(wěn)定運行將受到EV 的影響，因此EV 與IES 深度融合的低碳經(jīng)濟運行將成為研究熱點［46］。靈活可調(diào)資源EV 是IES中不可或缺的一部分［47］。IES 可轉(zhuǎn)移負荷包括EV，EV無序并網(wǎng)不利于IES的優(yōu)化［48］。

1.1.1 IES中EV的多重儲能特性和柔性負荷特性

IES 利用蓄電池等實體儲能之外的現(xiàn)存設(shè)備或調(diào)度策略平衡系統(tǒng)能量的思想稱為虛擬儲能，EV屬于可時空轉(zhuǎn)移能量的虛擬儲能［49］。EV 可將車載電池電能直接轉(zhuǎn)化為行駛的機械能以及少量的熱能（車載電加熱）和冷能（車載空調(diào)），屬于廣義儲能［50］。EV 屬于典型的電儲能［51］。同時，將不同能量類型或不同儲能原理的儲能裝置進行一體化構(gòu)成的混合儲能［52］，如混動EV 中燃油化石能源轉(zhuǎn)化成電能，故EV 也可進一步歸類為混合儲能。EV 作為一種具有時空靈活性的移動儲能設(shè)備，同時具備的電儲能、虛擬儲能、廣義儲能、混合儲能等多重儲能特性導(dǎo)致其具備靈活的多重柔性負荷特性，在IES 多能協(xié)同配置和互補運行中發(fā)揮著極為重要的作用。

IES 可削減負荷是指用戶根據(jù)價格信號和自身需求可部分中斷或者增加的負荷［53］。EV 是典型的IES 可削減負荷，EV 用戶目標荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）Sde和EV 用戶電能補充結(jié)束時的荷電狀態(tài)SEV滿足：若EV 完成電能補充時SEV＜Sde，則表示EV 負荷被部分中斷；若EV 完成電能補充時Sde≤SEV，則表示EV負荷被部分增加。

IES 可轉(zhuǎn)移負荷是指在一定優(yōu)化時間范圍內(nèi)，總用能量近似不變，但可進行時間上的平移和調(diào)節(jié)的負荷，EV 是常見的IES 可轉(zhuǎn)移負荷［54］，其能量補充過程滿足式（1）。

IES 可替代負荷指可以通過改變用能種類參與需求響應(yīng)的負荷［53］。在IES 多能耦合運行環(huán)境下，EV 可以通過對比不同類型的用能價格，選擇不同類型的能源供應(yīng)商，所以EV 屬于IES 可替代負荷。IES 中EV 的多重儲能特性和柔性負荷特性如圖1所示。

圖1 IES中EVs的多重儲能特性和多重柔性負荷特性Fig.1 Multiple energy storage and multiple flexible load characteristics of EVs in IES

1.2 面向IES的EV充、放電技術(shù)

1.2.1 面向IES的V2G和B2G技術(shù)

基于充電技術(shù)提出的EV 入網(wǎng)技術(shù)（vehicle-togrid，V2G）［55］：即與電網(wǎng)相連接的EV 作為一種分布式負荷和電源，可以向電網(wǎng)釋放存儲在其動力電池內(nèi)的電能，從而為優(yōu)化系統(tǒng)運行和安全提供積極支持。在V2G 模式下，EV 具備源、荷雙重屬性，可增強可再生能源消納并增強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，因此在IES 日益發(fā)展的時代，V2G 技術(shù)必將得到更深入研究。在IES 中，結(jié)合V2G 的儲能作用，不僅可彌補P2G 轉(zhuǎn)換效率低的問題，可進一步挖掘電力負荷及天然氣負荷的彈性潛力［56］。換電模式可實現(xiàn)EV與動力電池之間進行解耦，可以實現(xiàn)動力電池直接向系統(tǒng)輸送電能［57-58］。B2G（battery to grid）是在換電模式下，由V2G 擴展出的一種EV 充放電模式［59-60］，B2G 實現(xiàn)了EV 能量服務(wù)與電池充放電操作的地點解耦和時間解耦。圖2 為面向IES 的B2G技術(shù)。

圖2 面向IES的B2G技術(shù)Fig.2 B2G technology for IES

1.3 IES與交通系統(tǒng)耦合

交通系統(tǒng)一直是實現(xiàn)能源跨區(qū)域大規(guī)模運輸?shù)闹饕緩街唬羁逃绊懼覈茉瓷a(chǎn)布局，進一步加強了交通系統(tǒng)與能源系統(tǒng)之間的聯(lián)系，成為影響能源系統(tǒng)運行效率的關(guān)鍵因素［12］。IES涵蓋電、氣、暖、冷、氫和電氣化交通等能源系統(tǒng)［61］。未來多能源網(wǎng)絡(luò)將深度耦合，傳統(tǒng)電網(wǎng)已不能滿足IES 協(xié)同優(yōu)化要求，EV 給IES 運行帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇，能源互聯(lián)網(wǎng)是融合電、氣、交通等的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)和EV 的發(fā)展，如何實現(xiàn)多能源系統(tǒng)和EV 的協(xié)同調(diào)度是能源互聯(lián)網(wǎng)下“源-網(wǎng)-荷”協(xié)同優(yōu)化中必須面對的問題［62］。

IES 與交通系統(tǒng)將通過大規(guī)模的EV 緊密耦合，聯(lián)合區(qū)域內(nèi)EV 等可調(diào)負荷，并增加IES 能源互聯(lián)系統(tǒng)的靈活性與互動性，提高能源利用效率。將CSF 構(gòu)建于IES 內(nèi)將具有綜合能效高，能源靈活性高等優(yōu)勢［11］。EV 為代表的各類靈活可調(diào)資源也被稱為“主動IES 規(guī)劃技術(shù)”：在靈活可調(diào)資源與能源互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃方面，EV 作為靈活可調(diào)資源與能源網(wǎng)絡(luò)間可實現(xiàn)主動控制、互動響應(yīng)，既影響系統(tǒng)潮流，又可以削峰填谷，促進可再生能源消納［33，61］。IES 與交通系統(tǒng)主要通過EV 和CSF 實現(xiàn)互為耦合，IES與交通系統(tǒng)耦合如圖3所示。

圖3 IES與交通系統(tǒng)耦合Fig.3 Coupling of IES and transportation system

由圖3 可知，EV 在能源交通系統(tǒng)融合和大規(guī)模區(qū)域IES 互聯(lián)中承擔著“主動式負荷”的作用：1）EV 駕駛行為以及車流量等影響EV 時空分布，影響EV 充換電時間、位置，進而影響CSF 負荷，并通過耦合設(shè)備影響IES 系統(tǒng)狀態(tài)；2）不同區(qū)域IES 的不同能源發(fā)電成本、安全約束等不同，導(dǎo)致不同區(qū)域IES 中CSF 用能價格不同，從而影響EV 對CSF的選擇以及各CSF 中EV 的排隊情況，從而影響交通系統(tǒng)，造成車流量等的變化。綜上，IES 和交通系統(tǒng)之間通過EV和CSF構(gòu)成密切耦合。

目前大多數(shù)研究主要關(guān)注交通系統(tǒng)能源消費特性，忽視了交通系統(tǒng)基本屬性“運輸功能”對各類能源布局、生產(chǎn)、傳輸?shù)挠绊憽嶋H上，交通系統(tǒng)運輸能源的多少與方式不僅取決于相應(yīng)能源系統(tǒng)需求，同時也受限于交通系統(tǒng)自身運輸能力。按照傳統(tǒng)研究思路將交通系統(tǒng)等效為負荷或源的思路可能無法準確反映上述互動過程，進而阻礙兩者協(xié)同發(fā)展。構(gòu)建IES 與交通系統(tǒng)協(xié)同的過程要以充分認知交通系統(tǒng)屬性為前提。IES 與交通系統(tǒng)融合系統(tǒng)的基本屬性為運輸，能源消費是附加在基本屬性之上的重要屬性［12］。電池物流系統(tǒng)是“集中充電、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，可以實現(xiàn)能源跨區(qū)域大規(guī)模運輸，更加凸顯了交通網(wǎng)絡(luò)中的運輸這一基本特性。

2 面向IES 的“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式

“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式不僅具備交通能源消費屬性，因其具有獨特的電池配送（物流）系統(tǒng)，所以具有更強的交通能量運輸屬性。“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式采用的集中通信和控制的成本低，控制算法復(fù)雜性低，一體化綜合調(diào)度由IES 統(tǒng)一調(diào)度大型集中型充電站的充放電和電池物流配送，可實現(xiàn)EV有序充放電管理，克服EV難以計劃和控制，緩解EV 對造成的潮流、諧波等不確定性的沖擊和影響。所以在面向EV 高滲透率IES多能流、多區(qū)域、多層級等復(fù)雜能源交通融合系統(tǒng)的規(guī)劃配置和互補運行場景時，“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式將發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，必定成為能源交通融合系統(tǒng)中的主流CSF。

集中型充電站實現(xiàn)對電池的大規(guī)模集中充電，而配送站則不具備充電功能，只作為用戶更換電池的場所。電池在集中充電站與配送站之間通過物流系統(tǒng)進行配送。集中型充電站具有源荷雙重角色，可集中控制、統(tǒng)一管理電池充電功率，有利于制定電網(wǎng)友好的充電方案，可避免大規(guī)模EV 隨機充電帶來的不利影響，可避免綠色能源損失，減少可再生能源發(fā)電成本［63-65］。

2.1 面向IES的換電模式研究進展

換電模式一般有充換電模式和“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式兩種具體形式。其中，充換電模式同時具備EV 換電和電池充電功能，這種充換電模式無電池物流配送系統(tǒng)，站內(nèi)充滿電的電池可以立即就地為EV 提供換電服務(wù)，目前已經(jīng)有較多學者在充換電模式方面進行了研究。有學者考慮了充換電站作為電力市場的參與者，并對其進行運行優(yōu)化［66］。也有研究實現(xiàn)了基于現(xiàn)貨電價下的充換電站最優(yōu)充電策略的制定［67］。同時也有學者對移動式充換電模式進行了優(yōu)化設(shè)計［68］。在充換電站優(yōu)化規(guī)劃方面，也有學者進行了探索［69］。也有研究實現(xiàn)了對充換電站的優(yōu)化運行以滿足特定的換電需求，如出租車、公共汽車等［70-71］。并且也有學者構(gòu)建了可以解決不同型號、規(guī)格的換電電池的服務(wù)架構(gòu)［72］。上述充換電模式研究為換電模式的發(fā)展提供了較好理論支撐。在充換電模式具有的各類優(yōu)點上，“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式還具備特有的電池物流系統(tǒng)，其具備的遠距離電池能量運輸能力，可以更好的輔助多能源系統(tǒng)，實現(xiàn)跨區(qū)域、跨層級IES 的能量靈活互動，所以本文主要著眼于“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式，充分研究其與IES 之間的靈活互動。

2.1.1 國外“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式網(wǎng)絡(luò)研究進展

國外對“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式研究起步相對較早、發(fā)展較快，為換電模式的發(fā)展提供了重要發(fā)展方向?！凹谐潆?、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)模型的物理主體模型主要包含：集中型充電站模型、電池配送站模型和電池配送系統(tǒng)模型［73-74］。文獻［63-64］以換電EV負荷預(yù)測為基礎(chǔ)，建立集中型充電站模型和電池物流系統(tǒng)模型，以年綜合成本為目標構(gòu)建集中型充電站規(guī)劃模型。文獻［75］在“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式下，提出一種考慮多類型EV 規(guī)模演化的換電站優(yōu)化選址的優(yōu)化算法。文獻［76］提出一種基于閉環(huán)供應(yīng)鏈的電池交換和充電系統(tǒng)運營的層次博弈方法。文獻［77］提出一種“集中充電、統(tǒng)一配送”換電服務(wù)的需求側(cè)管理優(yōu)化方法。文獻［78］建立了“集中充電、統(tǒng)一配送”換電系統(tǒng)的分布式運行管理模型。文獻［79］提出了一種用于管理環(huán)境空氣質(zhì)量和人類健康狀況的發(fā)電調(diào)度中的“集中充電、統(tǒng)一配送”換電系統(tǒng)。文獻［80］構(gòu)建了連續(xù)時域中的混合交換電池充電和物流調(diào)度模型。文獻［81］建立了基于風電場的換充系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。文獻［82］提出一種光伏集中式電池交換充電系統(tǒng)的多目標優(yōu)化運行方法。文獻［83］構(gòu)建了電氣化公共交通系統(tǒng)多區(qū)域電池交換充電網(wǎng)絡(luò)的運營管理模式。

2.1.2 國內(nèi)“集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式研究進展

國內(nèi)在近些年也已經(jīng)開啟了對“集中充電、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)的研究。大部分研究將“集中充電、統(tǒng)一配送”的規(guī)劃中占地、電力線路傳輸容量、運行中儲能的充放電功率、網(wǎng)損等運行參數(shù)等通過成本換算［65，84-91］，最終加入綜合性的經(jīng)濟性優(yōu)化目標進行優(yōu)化。部分文獻構(gòu)建了“集中充電、統(tǒng)一配送”模式下的集中型充電站多層優(yōu)化模型［88-89，91］，將不同量綱（機組的啟動時刻、恢復(fù)路徑［88］）、不同階段（規(guī)劃階段、運行階段［65，85-86］）、代表不同利益主體（獨立開發(fā)商、配電公司［89］）的優(yōu)化目標構(gòu)成多層遞階結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻［65］考慮設(shè)備購置和運行購電費用，優(yōu)化集中型充電站的規(guī)劃經(jīng)濟效益。文獻［84］以換電服務(wù)的排隊模型為基礎(chǔ)，建立以充換電網(wǎng)絡(luò)運營費用最小為目標的優(yōu)化調(diào)度模型。文獻［85］建立以電池組缺額最小為目標的換電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，將多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)變成單目標優(yōu)化，并采用遺傳算法求解。文獻［86］采用物流學定量配送模式，根據(jù)EV 統(tǒng)計參數(shù)估算集中型充電站近遠期儲能容量。文獻［87］以建立換電網(wǎng)絡(luò)全壽命周期成本規(guī)劃模型，結(jié)合泰森多邊形和量子差分算法求解模型。文獻［88］構(gòu)建了集中型充電站作為黑啟動電源的網(wǎng)架重構(gòu)雙層優(yōu)化模型，采用改進粒子群算法求解。文獻［89］建立考慮不同主體利益集中型充電站規(guī)劃模型，結(jié)合改進遺傳算法和改進粒子群算法求解模型。文獻［90］建立集中充電站規(guī)模模型，采用細菌群體趨藥性算法求解。

2.1.3 “集中充電、統(tǒng)一配送”換電模式與IES 的互動研究進展

在EV 高滲透率IES 環(huán)境下，多能源網(wǎng)絡(luò)與交通網(wǎng)絡(luò)耦合密切，系統(tǒng)EV 等綜合需求響應(yīng)等不確定性更強，在優(yōu)化的利益主體更加繁多，各主體之間的利益博弈更加復(fù)雜，如果涉及歸屬不同區(qū)域的集中型充電站通過電池配送物流構(gòu)成跨區(qū)域IES 的能量交互，進一步提升了優(yōu)化建模的難度。目前，已經(jīng)有少量學者逐步開始展開面向IES“集中充電、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化建模研究。文獻［92］考慮交通流量及路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立EV 充電需求模型，進而針對天然氣管網(wǎng)壓力能利用能效低問題，提出計及天然氣管網(wǎng)壓力能消納的“集中充電，統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化規(guī)劃方法。文獻［93］針對城市天然氣管網(wǎng)壓力能利用率低的問題，建立配送車非線性能耗模型，建立以運輸和時間成本最低為目標的“集中充電，統(tǒng)一配送”模式優(yōu)化調(diào)度模型，采用Gurobi求解模型，實現(xiàn)了天然氣壓力能回收利用與換電池調(diào)度的有機結(jié)合。

2.2 換電EV負荷預(yù)測基本模型

換電EV 負荷的準確預(yù)測為“集中充電、統(tǒng)一配送”的充換電網(wǎng)絡(luò)的合理配置規(guī)劃提供基礎(chǔ)和依據(jù)，是充換電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運行研究的必要前提，具有十分重要的意義。

實際上，換電EV 負荷受多個因素影響，包括用戶行駛習慣、電池特性、充換電設(shè)施特性類型（比如固定式配送站、半移動式廂式換電站、移動式電池配送貨車等）、規(guī)劃區(qū)、人口密度、道路交通、區(qū)域類型等因素密切相關(guān)［73-74，94］。也受到諸如預(yù)測目標（私家、出租、公務(wù)、公交等EV）［73-74，94］、目的（規(guī)劃、運行優(yōu)化等）［88，91］、方法（模型驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動，細分方法：出行鏈方法、道路車流量方法、排隊論方法、深度學習方法等）［73-74，95-97］、結(jié)果（負荷曲線、負荷空間分布、節(jié)點用能負荷等）［98-99］、環(huán)境（城市規(guī)劃區(qū)、高速公路、城鄉(xiāng)公路等）的影響。

2.3 面向IES的換電網(wǎng)絡(luò)基本模型

2.3.1 換電網(wǎng)絡(luò)和IES的基本模型

面向IES 的“集中充電、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運行優(yōu)化主要目的是得到滿足EV 負荷的換電網(wǎng)絡(luò)布局及配置容量，并獲得合理的IES 多能供能網(wǎng)絡(luò)的拓撲及容量、供儲能設(shè)備的配置容量，同時得到準確的運行方案。

通過規(guī)劃配置構(gòu)建系統(tǒng)正常運行的物理載體，并通過模擬運行優(yōu)化反饋校驗配置的合理程度?？紤]面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和運行的耦合后，相對于獨立規(guī)劃及運行時需考慮兩者的相互耦合因素，也引入諸多新的規(guī)劃配置因素、不確定因素和運行調(diào)控因素，IES 和換電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型（charging swapping network，CSN）滿足式（2）。

式中：k為模型類型，CSN 模型或IES 模型；Fk(αk，βk)為IES 或換電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的目標函數(shù)，一般分為成本型、效益型優(yōu)化目標（如總運行成本、利潤等）、技術(shù)型優(yōu)化目標（如損耗等）；αCSN和βCSN分別為換電網(wǎng)絡(luò)配置（如充電機臺數(shù)等）和運行（如電池配送車發(fā)車次數(shù)等）決策變量；αIES和βIES分別為IES 規(guī)劃（如氣網(wǎng)管線容量等）和運行（如熱網(wǎng)節(jié)點溫度等）決策變量；fCSN(αCSN，βCSN)≤0 和fIES(αIES，βIES)≤0分別為換電網(wǎng)絡(luò)不等式約束（如站內(nèi)高電量電池數(shù)量滿足EV 換電負荷）和IES 不等式約束（如電網(wǎng)電壓不越限）；gCSN(αCSN，βCSN)=0 和gIES(αIES，βIES)=0 分別為換電網(wǎng)絡(luò)等式約束（如儲能電量變化）和IES等式約束（如功率平衡約束）。

其中，通用模型包含儲能運行模型、充換電設(shè)備運行配置模型、電池配送系統(tǒng)運行模型、IES 供能設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)運行配置模型等。

1）儲能運行模型［89］

式中：S(t)、Smax和Smin分別為儲能t時段的SOC 及其上下限；Pc(t)、Pd(t)、Pmax和Pmin分別為儲能t時段的充放電功率及其上下限；T和ΔT分別為日時段數(shù)和單位時段。

2）充換電設(shè)備運行配置模型［100］

式中：NCSN為充換電設(shè)備配置數(shù)量；為t時段電池配送系統(tǒng)運輸?shù)碾姵財?shù)量。

3）電池配送系統(tǒng)運行模型［63-64］

4）IES供能設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)運行配置模型

IES 中供能設(shè)施種類繁多［1］，基本運行配置模型主要考慮其轉(zhuǎn)化效率以及容量配置，滿足式（7）。而供能網(wǎng)絡(luò)運行模型主要考慮如電、氣、熱、冷等各類能量傳輸網(wǎng)絡(luò)的潮流方程［101-104］，此外，通過潮流優(yōu)化實現(xiàn)各類管網(wǎng)的容量配置，滿足式（8），同時還需滿足諸如配電網(wǎng)輻射狀運行約束等網(wǎng)絡(luò)拓撲約束［105］。

2.3.2 面向EV高滲透率IES的換電網(wǎng)絡(luò)基本模型

在EV 高滲透率IES 環(huán)境下，引入了諸如EV、IES 綜合需求響應(yīng)等多維不確定性，在IES 多能源網(wǎng)絡(luò)與換電網(wǎng)絡(luò)之間在規(guī)劃配置和運行優(yōu)化構(gòu)成了密切耦合，從而增加系統(tǒng)耦合性優(yōu)化決策變量的數(shù)量。在上述IES 和CSF 優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向IES的CSF規(guī)劃的一般模型，滿足式（9）。

式中：FCO、fCO和gCO分別為系統(tǒng)協(xié)調(diào)性優(yōu)化目標函數(shù)、不等式和等式約束，包含了換電網(wǎng)絡(luò)和IES 的相關(guān)建設(shè)和運行目標及約束條件；αCO和βCO分別為協(xié)調(diào)性規(guī)劃配置（如考慮天然氣管網(wǎng)壓力能消納的集中型充電站換電電池配置數(shù)量等［92-93］）和運行（如計及天然氣管網(wǎng)壓力能消納的電池配送車輛發(fā)車布爾變量等［92-93］）的決策變量。

2.4 面向跨區(qū)跨層IES的換電網(wǎng)絡(luò)基本調(diào)度場景

集中型充電站大量電池可以實現(xiàn)B2G：EV 與電池的解耦使得換電網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)劃和調(diào)度靈活性。由“集中充電、統(tǒng)一配送”模式的特點和運行模式可知，該模式的B2G 模式為實現(xiàn)集中型充電站對跨區(qū)域和跨層級IES 的能量支撐提供技術(shù)可行性，同時，物流配送系統(tǒng)也為該模式輔助跨區(qū)域和跨層級IES 的能量互聯(lián)互濟提供更好的靈活性。圖4 為面向IES 的集中充電、統(tǒng)一配送換電技術(shù)。

圖4 面向IES的集中充電、統(tǒng)一配送換電技術(shù)Fig.4 Centralized charging and unified distribution swapping technology for IES

圖5 為面向IES 的集中充電、統(tǒng)一配送換電運行調(diào)度場景。當不同區(qū)域IES 均具有較好的運行裕度時，電池配送一般采用便捷性或經(jīng)濟性最優(yōu)方案。當某個區(qū)域IES 出現(xiàn)運行裕度不足或者冗余，通過電池配送系統(tǒng)的跨空間區(qū)域（或跨能量層級）的電池配送優(yōu)化，實現(xiàn)跨區(qū)域IES 之間（或跨層級IES之間）的能量互聯(lián)互濟。

圖5 運行調(diào)度場景Fig.5 Operation scheduling scenarios

具體而言，通常不同區(qū)域IES 之間可通過電、氣聯(lián)絡(luò)管線實現(xiàn)良好的能量交互。而當某一個（或若干個）區(qū)域IES 出現(xiàn)能源緊缺或冗余，且跨區(qū)域IES 聯(lián)絡(luò)管線配置無法滿足能量交互需要，則可利用電池配送系統(tǒng)進行電池跨區(qū)運輸，實現(xiàn)跨區(qū)IES能量靈活交互?；诔鋼Q電網(wǎng)絡(luò)的跨區(qū)IES 靈活能量交互調(diào)度的多場景描述如下所示。

1）調(diào)度場景1：聯(lián)絡(luò)管線滿足跨區(qū)域IES 能量（功率）交互需求，則僅在各自區(qū)域內(nèi)進行BDS 和CSS 之間實現(xiàn)電池配送，往往不涉及跨區(qū)電池配送。調(diào)度場景1滿足式（10）。

2）調(diào)度場景2：（1）當某個IES 出現(xiàn)能量（功率）缺額，且IES 聯(lián)絡(luò)管線無法滿足跨區(qū)域IES 能量（功率）補給，則將該能量缺額IES 的BDS 內(nèi)的低電量電池配送至其他區(qū)域IES 中的CCS 進行充電，并將其他區(qū)域的高電量電池運輸?shù)皆撊鳖~區(qū)域BDS 供EV 換電；（2）當某個IES 出現(xiàn)能量冗余，且聯(lián)絡(luò)管線無法滿足跨區(qū)域IES 能量輸出，則將其他區(qū)域BDS 的低電量電池配送至該能量冗余IES 的CCS 內(nèi)進行充電，并將該冗余區(qū)域的高電量電池配送至其他區(qū)域BDS供EV換電。調(diào)度場景2滿足式（11）。

3 面向IES的換電技術(shù)性能與關(guān)鍵特征

基于上述建模分析，相較于常規(guī)CSF，理想的面向IES 的換電模式應(yīng)具備規(guī)劃配置匹配、站內(nèi)調(diào)度控制設(shè)施完備、站網(wǎng)協(xié)同調(diào)度控制設(shè)備通暢等完備的技術(shù)性能。同時，面向IES 的換電模式不僅具有傳統(tǒng)CSF 所具有的交通系統(tǒng)特征、時空不確定性等特征，還具有多能互補協(xié)同等特征。

3.1 面向IES的換電模式應(yīng)當具備的技術(shù)性能

面向IES 的換電模式主要以電力-交通為主體，并融合氣、熱、冷和交通等多種能源形式。各品類能源系統(tǒng)和交通系統(tǒng)呈現(xiàn)兩兩耦合關(guān)系［106-107］。同時，面向IES 的換電模式將以IES 多能互補為基礎(chǔ)，結(jié)合能源物流運輸系統(tǒng)，充分發(fā)揮V2G 和B2G 技術(shù)，以實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲-充”深度耦合以及能源互動及梯級利用［108］。含集中型充電站的IES 的基本架構(gòu)如圖6 所示。IES 上級能源系統(tǒng)受到上級調(diào)控中心的調(diào)度，向IES 提供能源支撐。同時，IES 供能網(wǎng)絡(luò)主要包含電、氣、冷、熱等管線，而光伏、冷熱電聯(lián)供、熱儲能、集中型充電站等供儲能設(shè)備接受IES 調(diào)控中心的調(diào)度為包括EV 在內(nèi)的多能負荷提供可靠供能，同時集中型充電站等用能終端受到需求側(cè)管理，響應(yīng)IES 的調(diào)控信息，提高了IES系統(tǒng)的運行靈活性以及對DG 的消納程度，并隨著EV滲透率的不斷提高，這種靈活性將越發(fā)凸顯。

圖6 含集中型充電站的IES的基本架構(gòu)Fig.6 Basic structure of IES with centralized charging station

3.2 面向IES的換電模式的關(guān)鍵特征

相比于以往常規(guī)CSF，面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)還具有其獨特的關(guān)鍵特征，可以總結(jié)為面向IES 的特征、高滲透率EV 環(huán)境下系統(tǒng)高韌性特征、跨區(qū)域靈活互聯(lián)互濟特征、跨區(qū)域靈活互聯(lián)互濟特征4 個方面。

3.2.1 面向IES的特征

換電網(wǎng)絡(luò)在交通系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間的能量耦合作用如圖7所示。

圖7 換電網(wǎng)絡(luò)在交通系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間的能量耦合作用Fig.7 Energy coupling role of swapping network between transportation system and energy system

從圖7 可知，在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，屬于交通網(wǎng)絡(luò)中CSF 作為EV 的供能設(shè)備和多能互補耦合能源系統(tǒng)的用能終端，在EV 滲透率不斷提高并達到一定水平的負荷條件下，將成為交通系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之間重要的能量耦合紐帶。

面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)CSF 的區(qū)別如圖8所示。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，通過V2G、B2G 等調(diào)控手段，交通系統(tǒng)的變量將通過面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)物流調(diào)控和能量轉(zhuǎn)換后在能源系統(tǒng)中體現(xiàn)為各供能網(wǎng)絡(luò)的潮流變量以及各耦合元件的啟停和出力變量等；同時多能耦合供能網(wǎng)絡(luò)的傳輸能量、運行功率等則通過面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控和轉(zhuǎn)換傳遞至交通系統(tǒng)。

圖8 面向IES的換電網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)CSF的區(qū)別Fig.8 Differences between the swapping network facing IES and traditional CSF

3.2.2 高滲透率EV環(huán)境下系統(tǒng)高韌性特征

由于面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)在協(xié)同規(guī)劃和互補運行過程中都充分考慮了EV 負荷的規(guī)模和增速，使得不僅IES 電系統(tǒng)的配置容量和運行場景可以有更多的系統(tǒng)裕度來容納EV 負荷，而且其他品類能源系統(tǒng)（冷、熱、氣等）在規(guī)劃運行時也充分考慮到輔助EV 負荷的冗余，所以含大規(guī)模EV的IES 和換電網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的韌性較采用非面向EV高滲透率IES的CSF更高。

3.2.3 跨空間區(qū)域靈活互聯(lián)互濟特征

多區(qū)域IES 之間的能量的互聯(lián)互濟一般采用聯(lián)絡(luò)管線實現(xiàn)［109］。換電網(wǎng)絡(luò)中儲能電池作為移動儲能設(shè)備，在空間上具有靈活性，在EV 規(guī)模達到較大水平之后，可利用換電網(wǎng)絡(luò)作為跨區(qū)域IES 之間的能量靈活傳輸與互聯(lián)互濟的交互主體而替代傳統(tǒng)跨區(qū)聯(lián)絡(luò)管線。跨區(qū)域IES 能量交互通道如圖9所示。

圖9 跨區(qū)域IES能量交互通道Fig.9 Energy exchange approaches between cross-region IESs

作為大規(guī)模EV 能量供給終端的換電網(wǎng)絡(luò)，參與跨區(qū)域IES 的能量靈活互聯(lián)互濟如圖10所示。不同時段所屬不同區(qū)域IES 的換電網(wǎng)絡(luò)之間通過通信系統(tǒng)進行換電車輛電量、電池物流車輛位置、能價等信息協(xié)同，實現(xiàn)跨區(qū)域IES 之間的能量信息互聯(lián)互濟。在高EV 滲透率負荷環(huán)境下，換電網(wǎng)絡(luò)逐步成為跨區(qū)域IES 之間具有時空源荷特性的新型能量耦合節(jié)點。

圖10 換電網(wǎng)絡(luò)參與跨區(qū)域IES的能量靈活互聯(lián)互濟Fig.10 Swapping network participating in the energy interaction flexibly cross-region IESs

圖11 為EV 不同滲透率下IES 通過換電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟可調(diào)度能量。當換電網(wǎng)絡(luò)中總可互聯(lián)互濟能量的可行區(qū)間滿足跨區(qū)域IES 之間互聯(lián)互濟的能量交互需求區(qū)間，EV 換電網(wǎng)絡(luò)才能視為跨區(qū)域IES之間的時空移動儲能介質(zhì)，從而在不同區(qū)間IES 之間形成穩(wěn)定、可控的能量交互。

圖11 EV不同滲透率下跨IES通過換電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟可調(diào)度能量Fig.11 Schedulable exchange energy of cross-region IESs via swapping network under different permeability of EVs

圖12 為面向與非面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)對跨區(qū)域IES 互聯(lián)互濟的影響。換電網(wǎng)絡(luò)在配置和運行中若為非面向IES 時，則通常只能滿足電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求，沒有更多系統(tǒng)冗余來應(yīng)對IES 中其余品類能量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求，此時的換電網(wǎng)絡(luò)承擔多區(qū)域IES之間EV能量交互終端的效果欠佳。而面向EV高滲透率可以避免上述問題，實現(xiàn)IES 之間的最優(yōu)互聯(lián)互濟。

圖12 面向與非面向IES的換電網(wǎng)絡(luò)對跨區(qū)域IES互聯(lián)互濟的影響Fig.12 Influence of IES oriented and non-oriented swapping network on interconnection between cross-region IESs

3.2.4 跨能量層級靈活互聯(lián)互濟特征

傳統(tǒng)不同能量層級IES 之間需要通過能源集線器進行能量匯總和交互，且隨著區(qū)域IES 規(guī)模的擴大，跨層級的交互將越發(fā)擴大且頻繁，隨之帶來的是需要對能源集線器進行不斷擴容，降低了系統(tǒng)經(jīng)濟性［110］。充分利用換電網(wǎng)絡(luò)能量物流運輸屬性、時空靈活性和價格響應(yīng)效應(yīng)，通過電池物流車輛在屬于不同層級IES（社區(qū)級、園區(qū)級、區(qū)域級等）的集中型充電站和電池配送站之間的電池運輸和價格響應(yīng)，在跨層級IES 之間構(gòu)成具有隨機性和價格響應(yīng)特點的靈活能量互聯(lián)互濟［111］。換電網(wǎng)絡(luò)參與跨層級IES的能量靈活互聯(lián)互濟如圖13所示。

圖13 換電網(wǎng)絡(luò)參與跨層級IES之間能量交互耦合Fig.13 Swapping network participating in the energy interaction coupling between multiple level IESs

4 面向IES的換電網(wǎng)絡(luò)研究關(guān)鍵科學問題

目前針對換電網(wǎng)絡(luò)或IES 配置和運行的研究較為廣泛而深入，但對于面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)的耦合協(xié)同影響機制分析以及協(xié)同優(yōu)化方法的研究較為淺顯［112］。隨著EV 滲透率不斷提高，換電網(wǎng)絡(luò)在IES 中扮演的新型靈活多能耦合設(shè)備角色的重要程度將逐步提高，面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)在跨區(qū)、跨層等方面的協(xié)同問題研究有具有廣闊發(fā)展空間，研究中的關(guān)鍵科學問題可以總結(jié)為以下6個方面。

4.1 面向EV高滲透的多集中型充電站協(xié)同問題

利用換電網(wǎng)絡(luò)進行跨區(qū)、跨層IES 之間的能量靈活互聯(lián)互濟，必須利用不同區(qū)域、不同層級IES內(nèi)換電網(wǎng)絡(luò)的多集中型充電站以及配套的電池配送站構(gòu)成良好的能量交互終端協(xié)同實現(xiàn)跨區(qū)、跨層IES 之間良好的能量交互?？紤]跨區(qū)、跨層集中型充電站以及配套的電池配送站的協(xié)同規(guī)劃、互補運行、信息互聯(lián)互通是跨區(qū)、跨層IES 協(xié)同的首要條件和基礎(chǔ)，所以面向EV 高滲透IES 的多集中型充電站協(xié)同是首先需要解決的難點。

4.2 EV 高滲透率下多能流IES 和集中型充電站協(xié)同問題

在優(yōu)化運行過程中，若遇到電力緊缺及EV 峰荷等較為惡劣的運行工況，則其余品類能源網(wǎng)絡(luò)將通過耦合設(shè)備對集中型充電站進行補充供能。若對IES 和集中型充電站的協(xié)同性不加以考慮，或?qū)?dǎo)致后期IES 供能效率和可靠性偏低，甚至導(dǎo)致IES解列。所以需要充分考慮到未來高滲透率EV 下多能流IES 和集中型充電站協(xié)同規(guī)劃及互補運行問題。

4.3 EV 動態(tài)增長的IES 和換電網(wǎng)絡(luò)多階段協(xié)同問題

以往的研究通常忽略了EV 增速較快的動態(tài)負荷特性。若以運行或配置末期EV 數(shù)據(jù)作為優(yōu)化前提，將導(dǎo)致超前建設(shè)、設(shè)備閑置，后期設(shè)備老化等問題，若以初期EV 數(shù)據(jù)作為優(yōu)化基礎(chǔ)，則將導(dǎo)致容量短缺以及運行可靠性低等問題。為提高IES 供能的可靠性、高效性，需要充分考慮EV 滲透率動態(tài)增長的IES和換電網(wǎng)絡(luò)多階段協(xié)同問題。

4.4 跨區(qū)域互聯(lián)互動的IES和換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同問題

充分考慮EV 在跨區(qū)域IES 之間的不確定性能量交互，可進一步降低跨區(qū)域IES 之間聯(lián)絡(luò)管網(wǎng)的能流互濟以及配置建設(shè)規(guī)模，但這勢必會增加換電網(wǎng)絡(luò)中集中型充電站、電池配送站和電池物流系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和投資。故在規(guī)劃運行階段需要全面考慮IES 聯(lián)絡(luò)管網(wǎng)和換電網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)經(jīng)濟性上的協(xié)同耦合，以實現(xiàn)規(guī)劃運行綜合最優(yōu)。故跨區(qū)互聯(lián)互動的IES 和換電網(wǎng)絡(luò)時空協(xié)同問題需作進一步研究，符合未來多區(qū)域IES 能流協(xié)同互聯(lián)互濟的發(fā)展需求。

4.5 跨層級互聯(lián)互動的IES和換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同問題

通過換電網(wǎng)絡(luò)的能量運輸特點越過能源集線器進行跨層級IES 時空能量交互不可忽視，面向EV高滲透率的換電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)和運行也勢必會考慮自身作為EV 能量交互終端的角色。從而，能源集線器和換電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃運行具備了密切的耦合特性，此時如果換電網(wǎng)絡(luò)和能源集線器進行分列規(guī)劃運行，將造成非全局最優(yōu)，并引起投資浪費和資源浪費等問題。故跨層級互聯(lián)互動的IES 和換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同問題在綜合優(yōu)化時需要予以充分考慮。

4.6 面向EV 高滲透IES 的換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同需求側(cè)響應(yīng)問題

借助結(jié)合電池物流系統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)可以實現(xiàn)EV 負荷規(guī)模化集群在時空有效調(diào)控，而激勵機制設(shè)計又可實現(xiàn)EV 時空轉(zhuǎn)移需求響應(yīng)的必須。其中，IES 中換電網(wǎng)絡(luò)負荷削減量以及跨區(qū)、跨層IES 中各換電網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時長、合同期內(nèi)各換電網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)頻次等因素，以及各換電網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)通知時間提前量、不同IES 的節(jié)點用能價格補償或折扣、以及違約懲罰等激勵機制的特性決定了跨區(qū)、跨層IES中各換電網(wǎng)絡(luò)中集中型充電站充放能過程存在時間和空間上的差異。面向EV 高滲透IES 的換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同需求側(cè)響應(yīng)要更為充分考慮多能源、多區(qū)域和多層級的IES 與換電網(wǎng)絡(luò)之間的密切耦合，需要進一步研究。

5 研究展望

面向高滲透率EV 的IES 的換電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為IES 跨空間區(qū)域、跨能量層級的IES 互聯(lián)互濟有效途徑，有著良好的發(fā)展前景。目前該技術(shù)的研究方興未艾，尚未形成成熟的研究體系以及具有普遍性的研究結(jié)論。本文對未來面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究展望如下。

5.1 考慮互補運行的面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)精細化建模

面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)需要面對多種品類互補能源，在運行調(diào)度問題中需要針對IES不同品類能源傳輸和轉(zhuǎn)化的特性，需要建立描述換電網(wǎng)絡(luò)互補運行過程的精細化數(shù)學模型。

面向不同品種能量構(gòu)成和占比的IES 的換電網(wǎng)絡(luò)在實際運行調(diào)度時需要考慮包括電池物流系統(tǒng)和電、氣、熱等多能系統(tǒng)能量流傳輸速度的動態(tài)差異，這導(dǎo)致面向不同品種能量構(gòu)成和占比不同的IES 的換電網(wǎng)絡(luò)運行過程、調(diào)度成本以及建模方式出現(xiàn)差異。

未來換電網(wǎng)絡(luò)運行優(yōu)化研究中需要注重對其電池物流系統(tǒng)以及面向的品種能源的動態(tài)能流過程的進行精細化建模，例如對輔助某個以熱網(wǎng)為主的IES 的換電網(wǎng)絡(luò)進行運行調(diào)度優(yōu)化時對熱能在熱網(wǎng)中傳輸?shù)膭討B(tài)傳輸過程進行建模，計及熱能相關(guān)供儲能設(shè)備的效率動態(tài)變化特性，分析熱動態(tài)過程對換電網(wǎng)絡(luò)中集中型充電站、電池配送站部分運行調(diào)度帶來的影響，并將換電網(wǎng)絡(luò)電池物流系統(tǒng)時空靈活儲能在跨區(qū)、跨層IES 之間的能量動態(tài)交互過程納入優(yōu)化模型，以全面體現(xiàn)高滲透率EV 的IES 的協(xié)同。這是未來分析面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)精細化運行調(diào)度優(yōu)化問題的關(guān)鍵。

5.2 面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)合理優(yōu)化配置

每個IES 中不同品種能源的占比、供能網(wǎng)絡(luò)、供儲能設(shè)備、負荷特性等差異較大，對于參與能量調(diào)節(jié)和跨區(qū)跨層互濟的換電網(wǎng)絡(luò)的需求也不盡相同。在某個區(qū)域IES 或多個IES 中需要建設(shè)多少集中型充電站和電池配送站建設(shè)規(guī)模如何以及需要電池物流系統(tǒng)的運力規(guī)模，是未來EV 高滲透率能源-交通融合系統(tǒng)需要回答的重要問題。面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置不僅要考慮EV 負荷需求，還需考慮IES 各類能源系統(tǒng)和跨區(qū)、跨層的IES 交互的需求。例如：隨著冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cooling heating and power，CCHP）機組、電制冷設(shè)備的普及和綜合利用，換電網(wǎng)絡(luò)與冷系統(tǒng)的關(guān)系更加緊密，換電網(wǎng)絡(luò)配置需要考慮與冷系統(tǒng)的耦合。從整體系統(tǒng)能效優(yōu)化的角度出發(fā)，面向不同特征的IES的換電網(wǎng)絡(luò)并考慮換電網(wǎng)絡(luò)作為跨區(qū)、跨層IES 交互終端的合理規(guī)劃和協(xié)調(diào)運行有待進一步研究。

5.3 應(yīng)對高滲透率EV 負荷環(huán)境的IES 和換電網(wǎng)絡(luò)靈活運行控制

在IES 中出現(xiàn)高滲透率EV 的負荷環(huán)境也為面向換電網(wǎng)絡(luò)的靈活運行控制帶來了新的維度。IES中作為重要負荷的供能終端的換電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的一個重要原則在于不能孤立看待換電網(wǎng)絡(luò)在IES 中的單一效益，而要從多能互補的角度出發(fā)考慮換電網(wǎng)絡(luò)相對于其他IES 供儲用能設(shè)備的相對技術(shù)經(jīng)濟性以及與空間靈活性。換電網(wǎng)絡(luò)接受IES 的靈活調(diào)度控制，滿足EV 實時能量供給，配合IES 儲能系統(tǒng)（氫儲能、熱儲能等），可實現(xiàn)可再生能源的波動平抑、靈活需求側(cè)響應(yīng)與清潔能源消納。面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)的部分應(yīng)用場景（如日內(nèi)調(diào)峰）與儲能系統(tǒng)具有重疊，因此與IES 儲能系統(tǒng)之間的協(xié)同靈活運行控制就成為IES 經(jīng)濟運行中的重點，需要進一步研究。

6 結(jié)語

在我國能源互聯(lián)網(wǎng)和EV 規(guī)?？焖僭鲩L的大背景下，面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與工程應(yīng)用有利于提升IES 系統(tǒng)運行靈活性，進一步提高IES 綜合能效，實現(xiàn)更加高效的清潔能源消納。面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃運行研究為跨空間區(qū)域、跨能量層級IES 的靈活能量互聯(lián)互濟提供了解決思路，在時間、空間維度賦予了IES規(guī)劃配置和優(yōu)化運行的更大靈活性和優(yōu)化空間，對未來IES 具有較為重要的研究意義。本文介紹了當前能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下能源交通融合系統(tǒng)，從理論、模型、實踐等不同維度對面向EV 高滲透率IES 的“集中充電、統(tǒng)一配送”換電網(wǎng)絡(luò)進行綜述，對面向IES的換電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能與關(guān)鍵特征進行歸納總結(jié)，并凝練出面向IES 的換電網(wǎng)絡(luò)研究過程中的6 個關(guān)鍵科學問題：面向EV 高滲透IES 的多換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、EV 高滲透率下多能流IES 和換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、EV 動態(tài)增長的IES 和換電網(wǎng)絡(luò)多階段協(xié)同、跨區(qū)域互聯(lián)互動的IES 和換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、跨層級互聯(lián)互動的IES和換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、面向EV 高滲透IES的換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同需求側(cè)響應(yīng)，并展望了面向EV 高滲透率IES 的換電網(wǎng)絡(luò)未來可能的研究方向，從而為學者未來的研究提供參考。