計及氫電混合動力車響應(yīng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度

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)對資源短缺、環(huán)境污染等嚴峻挑戰(zhàn)，開展能源-交通系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化變革是未來重要發(fā)展方向，也是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措［1］。在能源領(lǐng)域，對多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）進行能源互聯(lián)，與傳統(tǒng)單區(qū)域IES 獨立運行相比，能夠協(xié)調(diào)多能流降低運行總成本［2］，增強可再生能源消納能力［3］。

氫能由于其安全環(huán)保、方便儲運等優(yōu)點，被認為是實現(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 運行中，電轉(zhuǎn)氫技術(shù)有利于加強多區(qū)域IES 多能流耦合，消納可再生能源。文獻［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［7］分析了區(qū)域間氫能運輸方式，對不同距離下的運氫方式進行了對比，驗證了中短距離下長管拖車的可靠性。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，推進新能源汽車發(fā)展進程，前景廣闊［9］。近年來，新能源汽車發(fā)展迅猛，電動汽車、氫能源汽車等已成為IES 的重要負荷，其空間移動性使得多區(qū)域IES 可通過交通網(wǎng)聯(lián)合起來。因此，交通流已成為多區(qū)域IES 協(xié)調(diào)運行研究的重要角色。文獻［10］提出了IES 與多電動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，降低了電動汽車充電成本。文獻［11-12］中的IES考慮新能源汽車的充能響應(yīng)，通過價格引導(dǎo)用戶出行路徑與充能行為，改變充能負荷的空間分布。文獻［13］提出電動公交車參與多區(qū)域IES運行，協(xié)調(diào)耦合設(shè)備出力與新能源汽車充能策略，實現(xiàn)周期內(nèi)可再生能源的完全消納。現(xiàn)有研究表明將新能源汽車引入多區(qū)域IES 負荷側(cè)，能夠協(xié)調(diào)多能流優(yōu)化，促進可再生能源消納，但其均側(cè)重于電動汽車，對多能源混動汽車鮮有考慮，而事實上，多能源混動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。

在實際市場中，電動汽車的里程焦慮與充電時間問題［14-15］、氫能源汽車的氫能成本高問題［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。氫電混合動力車（hydrogen-electric hybrid vehicle，HEHV）（下文簡稱氫電混動車）由氫燃料電池與鋰電池驅(qū)動，結(jié)合了電動汽車、氫燃料汽車的優(yōu)點，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)合作為混合動力驅(qū)動，協(xié)調(diào)提高交通系統(tǒng)與能源系統(tǒng)運營效益?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外新能源汽車廠家，如廣汽傳祺、現(xiàn)代等已實現(xiàn)搭載成熟氫電混合動力系統(tǒng)的整車落地。文獻［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，隨著制氫技術(shù)與充電技術(shù)的進一步發(fā)展，氫電混動車將具有更廣闊的發(fā)展前景。同時，氫電合建站也是未來充能站的發(fā)展趨勢，這也將助力氫電混動車的推廣。然而，氫電混動車在大量投入使用后，其作為IES 的重要負荷，將導(dǎo)致多區(qū)域IES 在負荷側(cè)的耦合形式更加復(fù)雜。氫電混動車靈活的充能選擇使其成為可空間移動的多能負荷，既具有電動汽車充能行為的個體差異性，又具有多能用戶用能選擇的隨機性，導(dǎo)致其集總響應(yīng)行為建模更加困難。

目前，針對氫電混動車對多區(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 運營商與氫電混動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)末端的充能站氫價補貼策略，下層車主根據(jù)上層的氫價補貼信號優(yōu)化自身的充能路徑和策略，通過多次迭代收斂至博弈均衡點，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，通過合理調(diào)整價格信號，利用氫價補貼使氫電混動車車主進行充能響應(yīng)，可減少多區(qū)域間的氫能運輸成本與購氣成本，降低IES運行總成本，提高IES能源利用效率。

1 多區(qū)域IES運營商與氫電混動車互動機制

多區(qū)域IES 針對不同園區(qū)的IES 主體在負荷側(cè)形成對應(yīng)產(chǎn)業(yè)區(qū)域，由區(qū)域IES 分別滿足各自區(qū)域負荷側(cè)的熱、電負荷需求?？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)勢區(qū)與劣勢區(qū)，優(yōu)勢區(qū)可再生能源充足、能源成本較低，劣勢區(qū)則相反。優(yōu)勢區(qū)的可再生能源可轉(zhuǎn)換為可儲運的氫能，與劣勢區(qū)IES 間通過交通運輸進行能源互聯(lián)，在IES 充能站與氫電混動車間進行氫、電負荷耦合，實現(xiàn)能源的全局優(yōu)化。多區(qū)域IES 與氫電混動車互聯(lián)架構(gòu)如圖1 所示。圖中：A 區(qū)、C 區(qū)為優(yōu)勢區(qū)；B區(qū)為劣勢區(qū)。

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

多區(qū)域IES 運營商和氫電混動車車主進行氫價補貼-充能響應(yīng)的主從博弈，多區(qū)域IES 由同一運營商運營，IES 運營商在主從博弈中作為上層領(lǐng)導(dǎo)者，氫電混動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A、C區(qū)充能站進行氫價補貼優(yōu)化（B區(qū)氫價沒有補貼），最終根據(jù)負荷側(cè)充能響應(yīng)確定系統(tǒng)運行成本；下層車主綜合考慮多區(qū)域充能站的電價和氫價、剩余車儲能量以及路徑里程，進行充能地區(qū)的選擇。由于各車主車況存在個體差異，對同一時刻相同電、氫價的響應(yīng)情況也不同，使得車主充能響應(yīng)（充能路徑、充能行為）具有隨機性，需要根據(jù)不同的車輛儲能狀態(tài)進行個體優(yōu)化，然后將個體優(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)的充能負荷分布。不同氫能補貼定價下IES 負荷分布也會有所不同。當(dāng)上層IES 制定的氫價補貼能在車群響應(yīng)后獲得最小系統(tǒng)運行成本，即到達最佳博弈點時，可以確定為最優(yōu)氫價補貼。本文中，多區(qū)域IES運營商優(yōu)化目標(biāo)體現(xiàn)在通過多能負荷互動，調(diào)整多個IES 間的負荷分布，降低多區(qū)域負荷不平衡導(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)運行成本。

2 多區(qū)域IES-氫電混動車群互動模型

下面對上層的多區(qū)域IES 多能流耦合進行分析，對多區(qū)域IES、氫能供應(yīng)鏈進行建模；對下層的氫電混動車充能行為進行分析，建立車儲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 負荷側(cè)為電負荷、熱負荷。A、B、C 區(qū)的電負荷由從電網(wǎng)購電、燃氣輪機發(fā)電提供；熱負荷由燃氣鍋爐、余熱鍋爐、電鍋爐提供。風(fēng)電、光伏作為無污染、成本低的可再生能源，通過可再生能源制氫-儲氫-運氫形成氫供應(yīng)鏈，以此實現(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，通過電、氫充能實現(xiàn)A、B、C區(qū)的區(qū)域系統(tǒng)負荷耦合。

2.1.2 氫供應(yīng)鏈與運輸模型

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，可以很好地匹配風(fēng)電、光伏的間歇性、波動性等特點。電解槽將電能轉(zhuǎn)化為可運輸?shù)臍錃猓瑝嚎s至儲氫罐，供應(yīng)區(qū)域充能站，也可由A、C 區(qū)系統(tǒng)通過長管拖車向B 區(qū)輸送氫。考慮到經(jīng)濟成本與技術(shù)成熟度，現(xiàn)階段中短距離間氫氣運輸一般采用長管拖車高壓氣氫運輸方式，壓縮機工作壓力為國家最高運輸標(biāo)準20 MPa，長管拖車車速為50 km／h，運氫成本與運輸距離呈線性正相關(guān)［19］。氫供應(yīng)鏈的制氫-儲氫-運氫過程見附錄A圖A1。

2.2 下層模型

2.2.1 氫電混動車里程模型

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

式中：EB為鋰電池的最大儲電量；MH2為儲氫罐最大儲氫質(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。

在氫電混動車硬件設(shè)備性能固定，且不考慮電池損耗的情況下，可行駛里程隨車的儲氫、電量變化而發(fā)生變化。典型氫電混動車的參數(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），因此將該項簡化為常數(shù)C，則R的簡化表達為：

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

t時段內(nèi)第n輛氫電混動車的可行駛里程為：

2.2.2 車主充能選擇策略

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

3 計及氫電混動車響應(yīng)的多區(qū)域IES互動優(yōu)化模型

基于第2 章，從IES 總運營商角度出發(fā)，以最小化多區(qū)域運營總成本為目標(biāo)，建立基于氫供應(yīng)鏈、充能負荷響應(yīng)耦合的多區(qū)域IES 運行優(yōu)化模型，優(yōu)化得到氫供應(yīng)策略和氫能補貼定價策略。優(yōu)化周期為24 h，單位時間為1 h，優(yōu)化模型分為上層多區(qū)域IES運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)見式（5）—（7）。

式中：j取值為1、2、3 分別對應(yīng)A、B、C 區(qū)；Fcar，n為第n輛氫電混動車車主充能選擇決策；Ccost，n、Ckm，n分別為第n輛氫電混動車的充能費用、時間成本（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時段第n輛氫電混動車在j區(qū)充電量、加氫量；分別為j區(qū)充能站的電價、氫價；T為調(diào)度周期時段數(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、車儲電／儲氫量約束，具體見附錄A 式（A1）—（A7）。

3.2 上層多區(qū)域IES運行模型

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 總運行成本；Fe、Fh、Fre、Fel、Ftran、Fhe分別為系統(tǒng)購電成本、購氣成本、電解槽制氫成本、棄能懲罰成本、長管拖車交通運輸成本、氫能補貼成本。

式中：Cej、Cgj分別為j區(qū)的購電、購氣價格；分別為j區(qū)t時段的購電、購氣量；Cre為可再生能源懲罰價格；分別為j區(qū)t時段預(yù)測風(fēng)電和光伏出力最大值、實際出力；P為j區(qū)t時段電解槽產(chǎn)氫質(zhì)量；C為j區(qū)長管拖車運氫單位重量成本為t時段經(jīng)過長管拖車由j區(qū)向B 區(qū)運輸?shù)臍錃饬浚籆op為運氫單次固定成本；I為j區(qū)t時段的運氫次數(shù)；為j區(qū)充能站氫能的單位價格補貼；P為j區(qū)t時段向充能站的送氫量；Pj，tG為t時段j區(qū)充能站車主充電負荷量；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時段的電負荷；P為j區(qū)t時段的燃氣輪機輸出電功率；P為j區(qū)t時段的電解槽制氫功率；P為j區(qū)t時段的氫燃料電池輸出電功率；P為j區(qū)t時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時段的熱負荷；Q為j區(qū)t時段的燃氣輪機輸出熱功率；Q為j區(qū)t時段的氫燃料電池輸出熱功率；Q為j區(qū)t時段的電鍋爐輸出熱功率；Q為j區(qū)t時段的燃氣鍋爐輸出熱功率；ηhr為余熱回收效率。

能源約束條件見附錄A式（A8）—（A10）。

2）運輸交通流約束。

電解槽產(chǎn)生氫氣，通過壓縮機將氫氣壓縮注入儲氫罐，由長管拖車進行區(qū)域間高壓氣氫儲運，適合中短距離間運輸［2］，運輸時間為τj。

式中：P為送入儲氫罐的氫氣量；ηh2los為運輸過程中每小時的儲氫罐損耗率；P為t+τj時段B 區(qū)運輸送存儲的氫氣量；P為t時段B 區(qū)經(jīng)過儲氫罐放出的氫氣量；ηCE為壓縮機工作效率；P為t時段j區(qū)充能站車主充氫負荷量分別為長管拖車單次運輸氫氣量最小值、最大值；P為t時段儲氫罐用于發(fā)電的氫氣量。

3）設(shè)備約束。

系統(tǒng)中設(shè)備包括電鍋爐、燃氣輪機、電解槽、燃氣鍋爐、儲氫設(shè)備、氫燃料電池等，具體表達式見附錄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)，對應(yīng)上層系統(tǒng)最小運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，對應(yīng)上層各負荷與設(shè)備關(guān)系約束，下層車能源儲量與充能選擇關(guān)系約束，為等式約束；p為等式約束個數(shù)；fl(xs，ys)≤0 為不等式約束，對應(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為不等式約束個數(shù)。

采用MATLAB 通過Yalmip 建模語言調(diào)用商業(yè)求解器CPLEX，求解混合整數(shù)線性優(yōu)化問題，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)

為驗證模型有效性，本文以圖1 所示的三區(qū)域IES為研究對象進行運行分析。調(diào)度周期為24 h，時間步長為1 h。A、B、C 區(qū)的負荷分屬工業(yè)、居民小區(qū)、辦公區(qū)的三類用戶，采用分時電價，低谷時段為01:00 — 07:00、23:00 — 24:00，平峰時段為11:00 —18:00，高峰時段為08:00 — 10:00、19:00 — 22:00。電、氣價格見附錄B 表B1，典型日電、熱負荷峰值預(yù)測結(jié)果見附錄B 表B2，氫電混動車充能參數(shù)見附錄B 表B3，系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)見附錄B 表B4。各行業(yè)用戶的電、熱負荷曲線［21］見附錄B 圖B1，典型日電、熱負荷與風(fēng)電預(yù)測曲線見附錄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)電負荷供應(yīng)與充能站儲氫供應(yīng)。

充能選擇策略設(shè)定：氫電混動車每日在B、D 兩地進行往返運輸，由起始地B 區(qū)出發(fā)，D 地返程，時速不高于80 km／h，在出發(fā)時與返程后分別進行一次充能。出發(fā)時車主根據(jù)車輛自身剩余能源狀態(tài)，按照自身最低充能費用和時間成本（α=0.95），可選擇在A、B、C 三區(qū)中任一區(qū)進行能源補給，返程后在B 區(qū)進行夜間充能。電氫充能站采用45 kW 直流充電樁，在1 h 內(nèi)對氫電混動車完成氫、電充能。對區(qū)域A、C 充能站氫價進行補貼調(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。

氫電混動車設(shè)置：數(shù)量為150 輛，出發(fā)時各車的氫電存儲狀態(tài)具有隨機性，符合正態(tài)分布；根據(jù)車主行程時間將車群分為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 運行結(jié)果分析

4.2.1 氫供應(yīng)鏈耦合對多區(qū)域IES運行影響

除了氫電混動車充能帶來的IES 氫能耦合，多區(qū)域IES 還可通過氫供應(yīng)鏈進行耦合，即通過長管拖車在A、C 區(qū)充能站與B 區(qū)充能站間運送氫能，對典型日下區(qū)域間IES 加入氫供應(yīng)鏈前、后的情況進行對比分析，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 獨立滿足區(qū)域負荷，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，由于長管拖車在IES 間運輸氫能，通過氫供應(yīng)鏈進行風(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 獨立運行相比，減少了從電網(wǎng)購電成本與天然氣成本，但要付出較為昂貴的長管拖車運輸成本，導(dǎo)致系統(tǒng)總運行成本下降較少。

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

4.2.2 多能負荷耦合對多區(qū)域IES運行影響

在氫供應(yīng)鏈耦合基礎(chǔ)上，進一步通過氫電混動車形成的交通流將多區(qū)域IES 在負荷側(cè)耦合起來，對典型日下考慮車群與IES 互動后的運行情況進行對比分析，具體說明如下。

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

方案2：上層IES 與下層充能負荷有充能互動，氫電混動車群有A、B、C 區(qū)充能選擇，計及車主對電價、氫價的響應(yīng)，但氫價未補貼。

方案3：氫電混動車群有充能選擇策略，IES 根據(jù)車群響應(yīng)優(yōu)化氫價補貼，上層IES 與下層充能負荷形成價格與充能響應(yīng)互動。

上述方案下的優(yōu)化結(jié)果如表2 所示，A、B、C 區(qū)的IES負荷分布對比如圖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負荷優(yōu)化分布對比Fig.5 Comparison of IES load optimization distribution under each scheme

方案1中，電、氫充能負荷全部集中于B 區(qū)，B 區(qū)所需氫能需從A、C 區(qū)運輸，A、C 區(qū)沒有氫能消耗途徑，氫負荷多集中在B 區(qū)，而氫運輸成本較高，由于長管拖車容量限制，運輸氫量有限，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，對于A、B、C區(qū)充能站發(fā)布的電氫價格信號做出充能選擇，但由于氫價補貼為0，A、C 區(qū)與B 區(qū)的充能價格差較小，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)氫能負荷仍然較高，所需氫能仍需從A 區(qū)和C 區(qū)運輸，故氫能運輸成本沒有明顯降低，但少量充能車輛的充能轉(zhuǎn)移也減少了系統(tǒng)各項成本。

方案3 中，A、C 區(qū)用氫價格為40 元／kg 時開始對充能站進行氫價補貼。當(dāng)A、C 區(qū)充能站氫價隨補貼下降時，更多車主根據(jù)自身儲能情況選擇到A或C 區(qū)進行充能，3 個區(qū)的充能站負荷需求發(fā)生明顯變化，在A 區(qū)補貼價格為3 元／kg、C 區(qū)補貼價格為5 元／kg，即A 區(qū)氫價為37 元／kg、C 區(qū)氫價為35 元／kg時，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。此時由于氫負荷的地區(qū)轉(zhuǎn)移使得氫能運輸成本減少，達到博弈均衡點，IES 總運行成本最低，A、B、C 區(qū)IES 負荷分布對比如圖5 所示?？梢姡悍桨? 中車主只在B 區(qū)充能，B 區(qū)負荷壓力較大；方案2 下，部分車主選擇A 區(qū)充能，將B 區(qū)電、氫負荷分散到A 區(qū)，單日B 區(qū)電、氫總負荷減少；在方案3下由于氫價補貼引導(dǎo)車主開始去C區(qū)充能，A、C區(qū)充能站電氫負荷增加。

4.2.3 響應(yīng)靈敏度分析

1）氫價補貼。

氫價補貼是引導(dǎo)車群響應(yīng)的重要因素，直接影響車群的充能響應(yīng)量，進而影響到多區(qū)域IES 的運行成本。首先對氫價補貼進行靈敏度分析，IES總運行成本變化如圖6所示。

圖6 氫價補貼下多區(qū)域IES總運行成本變化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)充能站氫價補貼的增加，IES總運行成本隨補貼變化呈先降低再上升的趨勢，均存在成本轉(zhuǎn)折點。這是因為隨著氫價補貼的增加，車主響應(yīng)逐漸增加，IES總運行成本降低，而后氫價補貼繼續(xù)增加，氫價補貼成本逐漸占主導(dǎo)，IES總運行成本開始上升。綜合來看，A 區(qū)充能站補貼為3 元／kg、C 區(qū)充能站補貼為5 元／kg 時為氫價最優(yōu)補貼，對應(yīng)IES 運行的最優(yōu)成本。而隨著兩站補貼的同時進行，補貼對應(yīng)價格趨勢也發(fā)生變化，如附錄B表B5所示。當(dāng)C區(qū)充能站補貼額小于A區(qū)充能站時，車輛并不選擇去C 區(qū)充能站充能，這是因為同等補貼額度下A 區(qū)充能站充能路徑更短，充能花費更低，而當(dāng)C 區(qū)充能站補貼大于A 區(qū)充能站時，部分車主開始選擇C 區(qū)充能站充能，使得C 區(qū)電、氫負荷變大，而C 區(qū)充能站電價成本更低，對于總運行成本占優(yōu)。由于車群的初始儲能狀態(tài)是正態(tài)分布生成的，大部分車主的儲能狀態(tài)使得車主在補貼小于4 元／kg時選擇前往A區(qū)充能，只有C區(qū)充能站補貼超過A 區(qū)充能站時，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能狀態(tài)緊密相關(guān)，少部分車主的車輛初始儲能量較多，沒有急切的充能需求，所以對氫價補貼較為不敏感，只在較高補貼下才會響應(yīng)而前往A／C區(qū)充能；還有少部分車主的車輛初始儲能量太少，已沒有足夠能源前往A／C區(qū)充能，不具備價格響應(yīng)能力，只能留在B 區(qū)充能。此外，從表B5 可以看出，在氫價補貼小于5 元／kg 時，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)氫價補貼升至20 元／kg，有22 輛車仍在B 區(qū)充能，不具備響應(yīng)能力。在氫價補貼大于5 元／kg 后車群響應(yīng)能力逐漸變差，使得氫價補貼成本開始占運行成本主導(dǎo)，此時再增加補貼已不具備經(jīng)濟意義?？梢?，氫價補貼的選取與車群的初始儲能量緊密相關(guān)，初始儲能量過多或過少的車數(shù)越多，車群對氫價補貼響應(yīng)能力越差。不同氫價補貼下，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 運行經(jīng)濟性目標(biāo)的重要影響因素，在典型日下方案3 的最佳博弈點處，對儲氫罐容量、電氫充能站容量、長管拖車運輸容量進行靈敏度分析，繪制上述指標(biāo)與系統(tǒng)總運行成本的關(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，隨著長管拖車、儲氫罐、充能站容量的增加，系統(tǒng)總運行成本降低。這是因為長管拖車、儲氫罐或充能站容量的增加，都會增加夜間氫能的容納量，進而減少了A、C 區(qū)氫氣運輸?shù)紹 區(qū)所需的次數(shù)（由5 次降為2 次），降低了氫能的運輸成本，也減少了運輸途中的氫能損耗，即多區(qū)域之間的氫能源耦合更加經(jīng)濟。當(dāng)長管拖車、儲氫罐、充能站容量增加到150 kg時，系統(tǒng)總運行成本降到最小值，之后設(shè)備容量再增加，系統(tǒng)總運行成本都不會降低。氫能的運輸次數(shù)已經(jīng)達到了最小次數(shù)（2 次），由于氫能產(chǎn)能限制運輸次數(shù)與B 區(qū)充能站充能時效需要已無法再減小，此時再增加儲存設(shè)備、運輸設(shè)備的容量都無法再降低氫能運輸成本，總運行成本也不會再降低。這說明即使不考慮系統(tǒng)設(shè)備的投資成本，系統(tǒng)運氫設(shè)備、儲氫設(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，重點考慮了氫電混動車群與多區(qū)域IES 所屬的電氫充能站的充能互動行為，建立了IES 運營商與氫電混動車群之間氫價補貼-充能響應(yīng)的主從博弈模型。通過氫電混動車進行氫電負荷耦合，實現(xiàn)多區(qū)域IES 在源、荷側(cè)電氫耦合，算例分析了典型日場景下氫電混動車群充能行為對IES 運行的影響，并得到如下結(jié)論：利用氫價補貼使氫能混動車車主進行充能響應(yīng)后，直接減少了多區(qū)域間氫能運輸成本，并可增加風(fēng)電利用效率從而降低了IES 總運行成本，氫價補貼互動機制能顯著提高能源利用效率和系統(tǒng)經(jīng)濟性；氫價補貼的選取與車群的初始儲能量緊密相關(guān)，初始儲能量過多或過少的車輛越多，車群對氫價補貼響應(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)運行成本并不會隨著氫供應(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)將對高耦合度的多區(qū)域IES 設(shè)備容量規(guī)劃進行研究。

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