王飚 等：考虑光伏不确定性影响的高速公路光储换一体化能源管理策略

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引  言

近百年来随着人类社会的快速发展，不可再生能源供应日益紧张并逐步枯竭，且对全球环境造成了极其严重的影响。交通运输作为人类社会生活和生产中必不可缺的基础环节，也是世界能源消耗的重要组成部分，因此，在实现世界“低碳化”和中国“双碳”战略的进程中占据着极其重要的位置。交通运输中CO2排放的主体均是公路运输，且很大一部分公路运输能源被用于私人轿车和高速公路基础设施。

高速公路服务区作为道路基础设施，其对电能、天然气及水等能源及资源的需求将会保持稳步提升。近些年中国公路交通运输量的逐步提升和五一假期、十一黄金周的出现均对高速公路的能源管理提出新的挑战，如何优化高速公路能源结构，在保障其电能需求的基础条件下，提升经济效益并实现低碳化是目前面临的新型问题。太阳能作为一种可再生能源，突破了地域的局限性，在高速公路服务区推行光伏(Photovoltaic, PV)可以显著降低相应区域的用电压力，进一步推进“双碳”战略目标的实现。

随着电动汽车(Electric Vehicle, EV)数目的增加和移动范围的拓展，在弱电或无电地区的高速公路上建立含PV发电和换电服务的高速公路服务区微电网，可有效保障EV的正常通行，实现低碳化和经济化，并提升土地及能源的利用率。当下世界各国均在建设公路微电网方面进行了一系列研究与探索，他们充分利用了公路的走向，在东西走向的公路上将太阳能电池板朝南放置，从而实现了更高的光伏发电效率；在高速公路上通过带有光伏顶棚与绿色自行车通道相结合的方式为周边红绿灯、监控摄像头提供电能。然而，现大多数研究对服务区内部能源管理和高速公路上充换电站能源管理问题未能综合研讨，仍停留在单独研究的阶段。

然而，PV等可再生清洁能源由发电区域自然禀赋和随机气象因素造成的出力不确定性和不稳定性，为EV充电及换电策略带来了新挑战。以往研究通过建立分类模型，将光伏发电的输出划分为可预测的部分和不可预测的部分，以求更好地分析和评估其效率。本文将服务区能源管理和EV换电相结合，研究了考虑不确定因素影响下的并网情景光储换一体化的综合能源管理策略(Integrated Energy Management Strategy, IEMS)，并构成以自洽率和经济性为指标的多目标求解问题。同时本文在量子遗传算法(Quantum Genetic Algorithm, QGA)的基础上引入多目标优化策略，并加以改进。最终构建出结合精英保留策略和快速非支配排序的改进量子遗传算法，用以求解IEMS的多目标问题。

高速公路光储换一体化能源管理系统数学模型

将一天分为24个时段、电池分为4种状态以方便对EV换电过程的研究：满电、充电、放电和等待充电。并使用2种辅助状态来描述充放电过程：开始、结束。若动力电池处在充电或放电状态，只有当其充电至规定的最大SOC阈值或放电至最小SOC阈值，方可结束相应过程，且在充电或放电状态中，该电池状态不可改变。高速公路服务区(Highway Service Area, HSA)光储换一体化内部四种状态的电池转移关系如图1所示。

高速公路光储换一体化能源管理运行策略

本文的目标函数:为在保障EV换电需求量的前提下，通过配置服务区系统内动力电池数目及寻找到合适的能源管理策略，从而实现最大限度地提升HSA的服务区经济效益和光伏自洽率。

多目标量子遗传优化算法

本文将快速非支配顺序和精英保留策略引入QGA，改进后的算法可以通过使用量子概率特征和多目标优化对策大大提升计算的最佳寻优效率和收敛速率，IMOQGA流程如图3所示。由于在进化时量子遗传算法的个体概率幅坍缩不确定，因此，本文采用外部存档的方式来保存Pareto最优解集，多目标优化策略流程图如图4所示。数值仿真分析表明：本文改进算法IMOQGA，与NSGA-II、MOEA/D及TVMOPSO相比，具有显著的优越性，它们在多样性和综合性方面均表现出色，可以在双目标和三目标测试中取得更好的结果。

仿真验证

为验证所提出的基于IMOQGA的HSA光储换一体化能源管理策略有效性，本文将此策略应用于包茂高速的西耀高速路段某HSA，其内部装配了2000块光伏电池板，且HSA间隔均匀分布，距离为50 km，仿真验证的电价参数根据国家电网陕西省电力有限公司具体规定。假设EV的最大行驶里程为250 km，由分析可知，当SOC小于40%时，EV进入研究路段就需要在HSA更换电池。需要更换电池的EV流量的典型日分为夏季晴朗日、黄金周、冬季雨雪日3类场景，其需换电的EV数量如图5所示。

为证明本文所提出的HSA能源管理策略的有效性，分别对并网单一电价及并网分时电价2种类型的供电情景下进行验证分析。

4.1.1并网单一电价情景

并网单一电价情景下分别对确定性光伏出力情形和考虑不确定因素影响情形下的夏季晴朗日、黄金周及冬季雨雪日3种气象场景利用IMOQGA针对HSA经济效益和光伏自洽率双目标求解的最优解的HAS运行结果，具体运行情况如图6~8所示。其中黄金周以夏季晴朗日为基础，采用租赁空电池的方式以弥补短暂几天的电池需求。

由图6~8可知：并网单一电价情景下3类场景的满电电池均符合EV的换电需求；观察其功率曲线可得，不确定因素的存在对PV出力有明显的影响，但在不同季节气象场景下影响程度有很大的区别，阴影、云层遮挡、天气变化等因素对夏季晴朗日场景有着最显著的削弱作用，黄金周的影响度次之，在冬季雨雪日遮挡因子的影响最小，可见随着时间推移，太阳高度角和赤纬度等气象指标发生周期性变化，削弱PV出力的不确定因素的分布具有明显的季特征与日特征。

4.2.2并网分时电价情景

并网分时电价情况下，服务区黄金周与典型日HSA具体运行情况如图9~11所示。同并网单一电价情景相比，在确定性PV出力下，分时电价情景下的HSA于夏季晴朗日所购置的电池增加了5 块，日经济效益增加了10.61%，光伏自洽率升高了7.36%；在黄金周租借空电池的方案中，购置电池增加了5 块，租赁的空电池增加了62 块，日经济效益增加了6.5%，光伏自洽率升高了0.51%；冬季雨雪日的配置方案中的电池配置方案无变化，日经济效益增加了8.3%，光伏自洽率提高了0.54%。

在考虑不确定性影响的PV出力下，分时电价情景下的HSA于夏季晴朗日所购置的电池增加了23 块，日经济效益增加了6.96%，光伏自洽率降低了1.01%；在黄金周租借空电池的方案中，购置电池增加了23 块，租赁的空电池增加了68 块，日经济效益增加了60.27%，光伏自洽率升高了0.09%，几乎无变化；冬季雨雪日的配置方案中购置电池增加了35 块，租赁的空电池增加了37 块，日经济效益增加了8.64%，光伏自洽率升高了0.50%。

由于电池充放电次数的增加，导致系统耗电量略增，进而影响了HSA的总耗电量和光伏自洽率，但整体影响甚微，可忽略不计， 排放量分析和单一电价相同。同单一电价相比，在分时电价时HSA经济效益提升了10%，而自洽率和排放量的变化量不明显。综合上述分析， 本文HSA能源管理策略在分时电价下同样具备实用性和有效性，且在并网情景中，分时电价的方案性价比更高。

结  语

（1）本文提出了一种将清洁能源、换电服务与高速公路基础设施三者相结合且能保障换电需求的光储换一体化能源管理策略，通过对EV换电、不确定因素影响下的PV发电、经济效益和碳排放等因素进行综合考虑，以提高其经济效益和可再生能源利用率最大为目标，建立了一个多目标综合优化模型。

（2）针对传统遗传算法收敛速率慢、易陷入“早熟”等不足，本文通过将精英保留策略和快速非支配排序策略引入单目标量子遗传算法，提出了改进的多目标量子遗传算法，以获取优化问题的Pareto解集。

（3）基于包茂高速的西耀高速路段某服务区的夏季晴朗日、黄金周和冬季雨雪日车流量算例进行仿真，验证了本文所提策略的实用性和有效性。本文所提出的能量管理策略在场景气象条件约束下可以有效提升可再生能源的利用率并取得可观的经济效益；同时服务区在夏季晴朗日、黄金周及冬季雨雪日的排放量分别至少下降62.5%、41.3%和10.3%。此外，仿真结果也显示出分时电价的综合性价比优于单一电价。

（4）本文所提出的光储换一体化的高速公路服务区能源管理策略主要研究了EV换电需求及服务模型、考虑不确定因素影响的PV发电模型以及电池模型等因素，暂未将服务区内部配电系统和用户用电需求模型考虑在内。下一阶段的研究工作中将考虑在现有模型基础上考虑高速公路服务区内部系统的用能模型，使该能量管理策略更贴近服务区的实际工况。

作者简介

本文主要内容源自《交通运输工程学报》2024年第4期，点击查看文章全文：

王飚, 路捷, 沙爱民, 蒋玮, 刘状壮, 柯吉. 考虑光伏不确定性影响的高速公路光储换一体化能源管理策略[J]. 交通运输工程学报, 2024, 24(4): 14-30. 

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.04.002

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