交能融合背景下的高速公路綠色電力發(fā)展研究

摘要 文章探討在交能融合背景下，高速公路綠色電力發(fā)展的可行性和策略。首先，分析了我國能源融合發(fā)展現(xiàn)狀，了解高速公路綠色電力的需求和挑戰(zhàn)，提煉出適用于高速公路的綠色電力技術(shù)路線；然后，結(jié)合政策導(dǎo)向和市場需求，提出了高速公路綠色電力發(fā)展的策略建議。交能融合發(fā)展已成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分，高速公路綠色電力發(fā)展具有巨大的潛力和市場需求。提出的高速公路綠色電力發(fā)展方向和路線對于交通系統(tǒng)的綠色發(fā)展具有促進意義，而高速公路綠色電力發(fā)展是實現(xiàn)交通能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。在交能融合背景下，政府、企業(yè)和相關(guān)科研機構(gòu)應(yīng)共同努力，鼓勵創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，拓展市場應(yīng)用，以促進高速公路綠色電力的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 低碳交通；交能融合；智能電網(wǎng)；綠色電力；清潔能源

中圖分類號 U417 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0184-04

0 引言

能源是國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)要素之一，隨著國家經(jīng)濟、科技發(fā)展，新能源產(chǎn)業(yè)在市場占比日益提升，綠色電力作為新能源發(fā)展體系的重要組成部分，已成為我國能源結(jié)構(gòu)發(fā)展革新的關(guān)鍵方向。交通行業(yè)作為我國經(jīng)濟發(fā)展互融互通的命脈，其發(fā)展與能源供給密不可分，是綠色電力發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域，自“雙碳”目標(biāo)提出以來，低碳、節(jié)能逐漸成為行業(yè)發(fā)展“熱詞”，同時國家和社會也高度關(guān)注重視能源行業(yè)發(fā)展情況，同頻推動清潔能源的研究工作。2022年5月，交通運輸部發(fā)布《關(guān)于扎實推動“十四五”規(guī)劃交通運輸重大工程項目實施的工作方案》，其中明確了未來交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將更加注重綠色、低碳、智能發(fā)展，推進交通與能源融合發(fā)展，加快新能源、清潔能源在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，這也成為“十四五”交通運輸重大工程中的首要任務(wù)。高速公路作為我國交通運輸體系的重要支柱，其能耗問題日益受到關(guān)注。作為主要“碳源”之一，交通運輸排放約占我國碳排放總量的10.4%，相比歐美等國家，我國交通運輸行業(yè)的碳排放具有占比低、增速快、減排潛力大等特點。特別是公路運輸，約占全國交通運輸碳排放總量的85%以上，是交通運輸領(lǐng)域碳排放的絕對主體和減排重點。在交能融合背景下，研究高速公路綠色電力發(fā)展，構(gòu)建綠色、可持續(xù)發(fā)展交通能源融合系統(tǒng)對于生態(tài)文明建設(shè)、實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”具有重要的現(xiàn)實意義。

1 基于“源網(wǎng)荷儲”構(gòu)建交能融合發(fā)展

“源網(wǎng)荷儲”中的“源”是指可再生能源和清潔能源，包括太陽能、風(fēng)能、水能等；“網(wǎng)”是指智能電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的高效傳輸和分配；“荷”是指電力負(fù)荷，即能源的需求方，包括高速公路等交通設(shè)施；“儲”是指儲能技術(shù)，利用科學(xué)技術(shù)將多余的能源儲存起來，以應(yīng)對能源供應(yīng)不足的情況。在交能融合背景下，基于“源網(wǎng)荷儲”構(gòu)建交能融合發(fā)展，實現(xiàn)能源的高效利用和低碳發(fā)展。“源網(wǎng)荷儲”的核心在于“源-荷-儲”三方面之間的交互融合，借助大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等先進的信息技術(shù)手段，對能源的生產(chǎn)、傳輸、消費進行全過程的優(yōu)化管理。通過實時監(jiān)測與分析高速公路的負(fù)載電力負(fù)荷波動情況，掌握行業(yè)未來的能源需求增長趨勢，從而合理安排可再生能源的生產(chǎn)和儲能設(shè)備的充放電計劃，保證能源高效利用的同時做到低碳、綠色發(fā)展[1]。

交能融合指交通與能源兩大行業(yè)板塊的深度融合發(fā)展，意為通過技術(shù)創(chuàng)新和政策引導(dǎo)，推動交通行業(yè)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型。在高速公路領(lǐng)域，交能融合意味著將可再生能源、智能電網(wǎng)、儲能技術(shù)等先進技術(shù)與高速公路建設(shè)、運營和管理相結(jié)合，實現(xiàn)能源的高效利用和低碳轉(zhuǎn)化[2]。

結(jié)合概念可知，基于“源網(wǎng)荷儲”的交能融合發(fā)展本質(zhì)上是對交通區(qū)域內(nèi)的可再生能源、城際電網(wǎng)和周邊符合三者之間的關(guān)系。在發(fā)展過程中應(yīng)注意以下三點：第一，交通區(qū)域內(nèi)的可再生能源與城際電網(wǎng)之間是互補關(guān)系，交通區(qū)域內(nèi)可再生能源的利用可以緩解電網(wǎng)壓力，同時城際電網(wǎng)也可以為交通區(qū)域提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)；第二，交通區(qū)域內(nèi)的可再生能源與周邊負(fù)荷之間是供需關(guān)系，可再生能源的發(fā)電可以滿足交通區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的用電需求，實現(xiàn)能源的本地化利用；第三，交通區(qū)域內(nèi)的儲能設(shè)備可以在可再生能源發(fā)電不足時提供電力支持，同時也可以在可再生能源發(fā)電過剩時進行儲能，實現(xiàn)能源的高效利用[3]。

2 交能融合背景下的高速公路綠色電力特征及要求

2.1 高速公路的負(fù)荷預(yù)測

以時間為尺度，可將高速公路的用電負(fù)荷進行短、中、長期分段，實現(xiàn)分段預(yù)測。短期預(yù)測以日、周為時間尺度，主要關(guān)注高速公路日常運營期間的電力負(fù)荷情況，包括收費站、服務(wù)區(qū)、監(jiān)控中心、隧道等各個用電點的負(fù)荷數(shù)據(jù)，其間考慮節(jié)假日來往旅游車輛對用電負(fù)荷造成的沖擊。短期預(yù)測數(shù)據(jù)可以通過智能電表、傳感器等設(shè)備進行實時監(jiān)測和采集，然后利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行預(yù)測和分析。中期預(yù)測以月、年為時間尺度，預(yù)測值會受到公路客、運流量等因素的影響，同時，還需考慮季節(jié)性因素和節(jié)假日因素；中期預(yù)測可以為高速公路的運營管理提供更為宏觀的能源規(guī)劃和管理依據(jù)。長期預(yù)測以未來的3～5年，甚至更長的時間為尺度，公路的起點、終點及沿線各區(qū)域的用電負(fù)荷增長情況，受到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、人口增長、城市規(guī)劃等多種因素的影響；長期預(yù)測需要綜合考慮多種因素，包括當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展趨勢、人口增長情況、城市規(guī)劃等[4]。

高速公路的用電負(fù)荷預(yù)測的具體內(nèi)容主要包括用電需求的種類和大小、敏感因素的相關(guān)分析、用能的基本規(guī)律及預(yù)測模型構(gòu)建等。高速公路負(fù)荷預(yù)測的常用方法為趨勢分析法和歷史數(shù)據(jù)法等。通常來講，高速公路的用電負(fù)荷較大的時間段為白天，而夜間負(fù)荷就相對較小，這與白天車流量密集有關(guān)。針對當(dāng)前高速公路電負(fù)荷需求較大且供電壓力不斷增加的問題，大力發(fā)展新能源綠色電力，對于高速公路綠色交通轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義[5]。

2.2 高速公路的用電特征

高速公路沿線基礎(chǔ)設(shè)施包括服務(wù)區(qū)、收費站、監(jiān)控中心、隧道等，這些設(shè)施的用電特性各不相同。服務(wù)區(qū)通常包含餐飲、住宿、購物等多樣化服務(wù)，因此其用電需求較為復(fù)雜，包括照明、空調(diào)、廚房設(shè)備等。收費站主要用電設(shè)備為收費系統(tǒng)和照明設(shè)備，其用電負(fù)荷相對穩(wěn)定。監(jiān)控中心是高速公路的管理核心，需要保障24h不間斷運行，對供電的可靠性和穩(wěn)定性要求極高。隧道內(nèi)的照明、通風(fēng)、排水等設(shè)備用電負(fù)荷較大，且需保持持續(xù)穩(wěn)定供電。這些設(shè)施的用電特性決定了高速公路對電力供應(yīng)的高要求，不僅要滿足多樣化的用電需求，還要保證供電的可靠性、穩(wěn)定性和環(huán)保性。據(jù)有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，截至2023年6月底，全國新能源汽車保有量達1 620萬輛，占汽車總量的4.94%。我國新能源汽車保有量從2015年的58萬輛發(fā)展至今年上半年的1 620萬輛，由占汽車總量的0.34%提升至4.94%，這意味每100輛汽車中就有近5輛是新能源汽車，在全球新能源汽車保有量中的占比達到50%。因此可以預(yù)見，電動汽車的未來發(fā)展趨勢良好，也必將會對高速公路的用電結(jié)構(gòu)和實際用電方式形成一定的影響。

從用電特征上來看，高速公路的用電負(fù)荷主要是依靠電網(wǎng)供電，電負(fù)荷的波動性較小。而隨著新能源汽車的增加，新能源汽車對高速公路上的充電需求也在日益增長。交通出行存在隨機性和無序性，因而高速公路的用電負(fù)荷量在某些時段可能會出現(xiàn)較大波動。此外，隨著電動汽車數(shù)量的增加，充電設(shè)施的建設(shè)和改造也將成為高速公路用電負(fù)荷的重要影響因素。因此，在規(guī)劃和設(shè)計高速公路電力系統(tǒng)時，需要充分考慮這些用電特征，以實現(xiàn)綠色電力的高效利用[6]。

2.3 綠色電力的出力特征

綠色電力的出力具有間歇性和波動性的特征，因此對綠色電力的出力預(yù)測需要考慮的因素眾多，預(yù)測難度也比較高。

以某地西北部地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電場和光伏電站為例，對其綠色電力的出力預(yù)測數(shù)據(jù)繪制曲線如圖1～2所示。

從圖1～2中的數(shù)據(jù)曲線可以看出，風(fēng)電出力率的隨機性較大，容易受季節(jié)和天氣的影響而出現(xiàn)較大波動，且在陰天時風(fēng)電基本處于不出電的狀態(tài)。由此可以得出，對于綠色電力出力的波動性和不穩(wěn)定性，需要采取有效的應(yīng)對措施。首先，加強對綠色電力出力的監(jiān)測和預(yù)測，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，對綠色電力的出力情況進行精準(zhǔn)預(yù)測，以提高電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。其次，構(gòu)建完善的電力調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)綠色電力的出力情況，實時調(diào)整電力供應(yīng)，確保高速公路的用電需求得到充分滿足。最后，加大對儲能設(shè)備的投入，利用儲能設(shè)備在綠色電力充足時進行儲能，以便在電力不足時提供支持，實現(xiàn)綠色電力的有效利用。

2.4 高速公路綠色電力發(fā)展需求

高速公路綠色電力發(fā)展需要依托于交能融合環(huán)境，將供電需求轉(zhuǎn)化為能源開發(fā)建設(shè)需求，從而推動交通領(lǐng)域綠色能源的廣泛應(yīng)用。在交能融合背景下，高速公路的綠色電力發(fā)展需要合理提高能源保障能力，在促進清潔能源開發(fā)利用的同時實現(xiàn)用能的清潔化轉(zhuǎn)變。特別是針對高速公路起點、終點和沿線的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)加大清潔型能源項目建設(shè)的各方面投入力度，如隧道入口、沿線路基兩側(cè)和服務(wù)區(qū)等設(shè)施都具有良好的新能源開發(fā)條件，其土地條件能夠基本滿足新能源項目建設(shè)的基本需求。

從土地資源層面來看，如果對上述提及的土地資源的建設(shè)條件進行充分考慮，那么預(yù)計每100 km就可成功開發(fā)出約50 MW規(guī)模的光伏電站。從能源角度來看，風(fēng)能和太陽能等能源存在一定的波動性特征，容易受季節(jié)和天氣變化的影響，不同地區(qū)的新能源特征也多有不同。因此，關(guān)于高速公路的綠色電力發(fā)展還需要進一步進行實地考察，根據(jù)具體路段的具體情況進行詳細評估后確定改造方案[7]。

3 交能融合背景下高速公路綠色電力發(fā)展措施

3.1 構(gòu)建新能源微電網(wǎng)

高速公路具有明顯的地理特征和用電負(fù)荷特性，構(gòu)建新能源微電網(wǎng)可以為高速公路提供穩(wěn)定、清潔的電力供應(yīng)。新能源微電網(wǎng)以風(fēng)能、太陽能等清潔能源為主，通過智能電網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)電力的高效調(diào)度和優(yōu)化配置，具體措施包括以下幾個方面：

在高速公路沿線的合適位置布局光伏電站和風(fēng)力發(fā)電站，根據(jù)地形、氣候等因素優(yōu)化電站布局，提高發(fā)電效率。

建設(shè)智能電網(wǎng)，實現(xiàn)清潔能源的就地消納和遠程調(diào)度，提高電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性，減小出力波動。

推進新能源汽車充電設(shè)施建設(shè)，完善充電樁布局，滿足電動汽車充電需求。

開展能源需求側(cè)管理，優(yōu)化高速公路用電結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率。

3.2 構(gòu)建“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)

“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)的構(gòu)建包括以下幾點：

（1）優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。在高速公路沿線的合適位置布局光伏電站、風(fēng)力發(fā)電站等清潔能源設(shè)施，充分利用綠色能源資源，提高清潔能源在高速公路用電結(jié)構(gòu)中的占比。

（2）提升能源利用效率。通過智能電網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)清潔能源的高效調(diào)度和優(yōu)化配置，降低能源損耗，提高能源利用效率。

（3）加強儲能設(shè)備建設(shè)。在綠色電力充足時，利用儲能設(shè)備進行儲能，以便在電力不足時提供支持，實現(xiàn)綠色電力的平滑輸出。

（4）推進充電設(shè)施建設(shè)。在高速公路沿線完善充電樁布局，滿足新能源汽車充電需求，促進新能源汽車的發(fā)展。

由于新能源出力存在一定的不穩(wěn)定性和波動性，且容易受天氣和季節(jié)性變化的影響。“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)的打造需要與電網(wǎng)緊密相連，以及大電網(wǎng)對其進行實時的電力供應(yīng)，以穩(wěn)定系統(tǒng)的供電需求。“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)可表示為：

（1）

該函數(shù)的約束條件如下：

（2）

（3）

式中，Pin——“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)的內(nèi)部電力平衡結(jié)果（kW）；PL——電負(fù)荷（kW）；PW——風(fēng)電功率（kW）；PS——光伏功率（kW）；PC——儲能功率（kW）；Pout和Px——大電網(wǎng)系統(tǒng)所需要進行調(diào)節(jié)的電力平衡（kW）。

根據(jù)上述函數(shù)，可對“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)進行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)的電力調(diào)度策略，實現(xiàn)高速公路綠色電力的穩(wěn)定供應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，加強政策支持和技術(shù)創(chuàng)新也是實現(xiàn)高速公路綠色電力轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵。為了推動高速公路綠色電力的快速發(fā)展，政策支持和技術(shù)創(chuàng)新至關(guān)重要。政府應(yīng)加大對綠色電力項目的投資和支持力度，出臺相關(guān)政策鼓勵企業(yè)和個人參與綠色能源的開發(fā)和利用。此外，加強對綠色電力技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，提高清潔能源的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，降低成本，使其在市場競爭中具有更強優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

綜上所述，在交能融合背景下，高速公路綠色電力發(fā)展需要合理提高能源保障能力，構(gòu)建新能源微電網(wǎng)和“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)，以實現(xiàn)清潔能源的高效利用和穩(wěn)定供應(yīng)。同時，加大政策支持和技術(shù)創(chuàng)新力度，推動綠色電力在高速公路領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率、加強儲能設(shè)備建設(shè)和推進充電設(shè)施建設(shè)等措施，助力我國高速公路綠色電力發(fā)展。

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