鄭振，唐菲

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

0 引 言

燃油動(dòng)力汽車嚴(yán)重依賴于石油資源，易造成石油資源枯竭，而其排放的二氧化碳等溫室氣體是造成全球性氣候變暖的元兇。插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Energy Vehicles，PHEV）是介于純電動(dòng)車和燃油汽車之間的一種新能源汽車，是減輕碳排放、提高可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。電力系統(tǒng)和電氣化交通的整合協(xié)調(diào)使PHEV車主成為電力市場(chǎng)的積極參與者。PHEV不僅能夠使用純電力行駛，還可以使用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)輔助行駛，不需要進(jìn)行強(qiáng)制性充電。PHEV作為新的市場(chǎng)參與者，必須與其他市場(chǎng)參與者一起參與，同時(shí)刺激消費(fèi)者參與市場(chǎng)。PHEV的超長(zhǎng)續(xù)航是造成能源不平衡的一個(gè)重要因素。電力公司需要參與市場(chǎng)以最大限度地提高預(yù)期收益。由于集中配電單元和發(fā)電公司（CDUGC）創(chuàng)造了一個(gè)自由市場(chǎng)環(huán)境，因此集成電力資源和PHEV系統(tǒng)（IERPHEVS）對(duì)電力市場(chǎng)和PHEV雙方都有好處。IERPHEVS可以作為價(jià)格制定者參與日前批發(fā)市場(chǎng)（DAWSM），可以提交報(bào)價(jià)和進(jìn)行投標(biāo)以調(diào)整區(qū)域邊際價(jià)格（LMP）。批發(fā)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商（WSMO）進(jìn)行市場(chǎng)出清以實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利最大化，這與IERPHEVS的成本最小化目標(biāo)相矛盾。對(duì)此，本文將建立一個(gè)雙層多目標(biāo)兩階段混合魯棒

隨機(jī)框架。其中，上層決策問(wèn)題是 IERPHEVS問(wèn)題，其優(yōu)化目標(biāo)為最小化總成本和采購(gòu)能源的成本，而 WSMO問(wèn)題構(gòu)成下層決策問(wèn)題。如果充電過(guò)程操作不當(dāng)，PHEV的電池會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的退化，因此必須考慮適當(dāng)?shù)碾姵赝嘶杀?。隨著各個(gè)國(guó)家和人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，企業(yè)公司更重視其碳信用額。因此，本文將減少排放作為優(yōu)化框架中的其中一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。

1 調(diào)度優(yōu)化模型

IERPHEVS運(yùn)營(yíng)商的目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化調(diào)度報(bào)價(jià)和投標(biāo)過(guò)程、PHEV和風(fēng)力發(fā)電來(lái)最大限度地降低運(yùn)營(yíng)成本和排放。IERPHEVS運(yùn)營(yíng)商可以參與DAWSM來(lái)采購(gòu)額外的能源或出售其剩余的產(chǎn)量，在DAWSM中提交報(bào)價(jià)或進(jìn)行投標(biāo)。WSMO的目標(biāo)是最大化社會(huì)福利，這與IERPHEVS運(yùn)營(yíng)商的目標(biāo)不同。通過(guò)部署雙層優(yōu)化框架，IERPHEVS運(yùn)營(yíng)商可以模擬WSMO對(duì)報(bào)價(jià)和投標(biāo)的響應(yīng)。其中，IERPHEVS操作員（稱為上層決策者或領(lǐng)導(dǎo)者）在DAWSM中提交報(bào)價(jià)或出價(jià)（稱為下層決策者或追隨者）。隨后WSMO進(jìn)行市場(chǎng)出清以實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利最大化，并公布區(qū)域邊際價(jià)格（LMP）以及IERPHEVS運(yùn)營(yíng)商可以獲得的能源總量。IERPHEVS運(yùn)營(yíng)商重新提交報(bào)價(jià)或投標(biāo)以取得更好的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程迭代地進(jìn)行，直到達(dá)到平衡狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

下層決策DAWSM問(wèn)題被建模為一個(gè)6總線的TS，包含7條傳輸線和3個(gè)CDUGC，分布在節(jié)點(diǎn)1、2和6上。IERPHEVS通過(guò)第5個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到DAWSM的TS，并由4 000輛車輛組成，這些車輛使用K-mean聚類分為5個(gè)車隊(duì)。本文計(jì)算每個(gè)車隊(duì)所在聚類的質(zhì)心，質(zhì)心的到達(dá)和離開(kāi)時(shí)間如表1所示。從全國(guó)家庭旅行調(diào)查收集到達(dá)和離開(kāi)時(shí)間的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)自170 000多名調(diào)查參與者。通過(guò)K-means聚類，數(shù)據(jù)被分為5個(gè)主要的PHEV車隊(duì)。更深的循環(huán)深度和更高的充電率會(huì)導(dǎo)致電池退化增加。實(shí)驗(yàn)使用SCENRED工具進(jìn)行場(chǎng)景選擇，使用CPLEX求解器求解MILP問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景考慮了3種充電情況：車輛到達(dá)后馬上進(jìn)行充電，無(wú)調(diào)度過(guò)程（記為“Immediate”）；PHEV車隊(duì)在 IERPHEVS運(yùn)營(yíng)商的調(diào)度下充電，并考慮電池退化（記為“ScheWDegrad”）；考慮到成本和排放目標(biāo)，對(duì)PHEV車隊(duì)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化（記為“JointOpti”）。

表1 PHEV車隊(duì)質(zhì)心的到達(dá)和離開(kāi)時(shí)間

不同充電情況下PHEV車隊(duì)的平均SOC如圖1所示。在Immediate中，PHEV車隊(duì)一到充電站就馬上進(jìn)行充電，直到達(dá)到SOC的最高值。如圖1（a）所示，每個(gè)車隊(duì)對(duì)應(yīng)的SOC與每個(gè)車隊(duì)的離開(kāi)和到達(dá)時(shí)間一致。例如，由表1可知，車隊(duì)1的到達(dá)時(shí)間是16：13，離開(kāi)時(shí)間是第二天早上7：55。因此，如圖1（a）所示，在時(shí)間段7：55到16：13，車隊(duì)1的SOC是（接近）零。而從16：13到第二天早上7：55，車隊(duì)1的SOC為1。ScheWDegrad考慮了電池在充電時(shí)的退化成本，因此其SOC比Immediate的要低，以避免更深循環(huán)深度和更高充電率所導(dǎo)致的電池退化。在JointOpti中，PHEV車隊(duì)的充電和放電模式得到智能控制，其充電需求被轉(zhuǎn)移到非高峰期。例如，車隊(duì)2在時(shí)間段14：27到19：32之間到達(dá)充電站，而此時(shí)車隊(duì)1、3、4和5中大部分PHEV并不在充電站。因此，通過(guò)智能協(xié)調(diào)調(diào)度，JointOpti能提高車隊(duì)2在該時(shí)間段的SOC，提高充電的效率。

圖1 PHEV車隊(duì)的平均SOC

圖2展示了不同情況下的電池退化成本。Immediate并沒(méi)有考慮電池退化，因此電池退化成本非常高，總計(jì)84 755.897元。ScheWDegrad由于考慮了退化成本，因此其成本下降至3 316.853元。JointOpti考慮了成本和排放目標(biāo)，其成本為20 408.747元。為了節(jié)能減排，JointOpti需要以犧牲電池退化性能為代價(jià)，因此其成本會(huì)比ScheWDegrad高一些。

圖2 不同情況下的電池退化成本

圖3展示了不同魯棒性參數(shù)下JointOpti的最優(yōu)帕累托前沿。由結(jié)果可知，增加穩(wěn)健性參數(shù)的值會(huì)導(dǎo)致帕累托前沿的主導(dǎo)地位降低。最優(yōu)帕累托前沿在開(kāi)始時(shí)呈現(xiàn)出非常急劇的下降，而隨著成本的增加，排放的下降則相對(duì)平緩。在曲線的開(kāi)始，即使成本值略微增加，也會(huì)導(dǎo)致排放量急劇下降。而當(dāng)成本下降成果某個(gè)特定值后，減少排放則需要付出高昂的代價(jià)。

圖3 JointOpti排放的帕累托前沿

3 結(jié) 論

本文面向混合動(dòng)力汽車提出了協(xié)同調(diào)度優(yōu)化方法，建立雙層優(yōu)化問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力車隊(duì)的多目標(biāo)調(diào)度。使用實(shí)驗(yàn)評(píng)估了提出方法的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行協(xié)調(diào)充電會(huì)增加本地邊際價(jià)格和運(yùn)營(yíng)成本。通過(guò)結(jié)合電池退化模型，降低了運(yùn)營(yíng)成本。提出方法的多目標(biāo)優(yōu)化的雖然具有稍高的成本，但能有效地減少排放。