光伏储能系统得到强化：为电动公交车提供低碳且经济高效的调度方案

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Photovoltaic-energy storage systems empowered: Low-carbon and economic scheduling for electric buses

本研究提出了一种集成光伏（PV）和储能系统（ESS）的电动汽车充电调度系统，通过混合整数线性规划（MILP）模型优化充电策略，综合考虑经济成本、碳排放及电网稳定性。以上海交通数据为例，验证了该系统在冬季降低运营成本25.8%、夏季降低27.3%的同时减少23%-34.4%碳排放，并实现电网负荷削峰填谷。研究结果为可持续城市公交运营提供了决策支持。

　　在城市交通系统中，实现电动公交车（EB）的全面电气化是减少碳排放、推动可持续发展的关键措施。然而，大规模的充电需求对电网的稳定性提出了严峻挑战，尤其是在高峰时段，可能导致电压不稳、线路过载甚至停电风险，影响电力系统的可靠性。同时，如果充电时间与电力需求高峰重叠，高时间分段电价（TOU）将显著增加运营成本。此外，依赖高碳排放的电力来源，如燃煤发电，会削弱电动公交车采用的环保效益，仅将排放从车辆尾气转移到发电厂，未能真正解决碳减排的核心问题。因此，为了缓解这些挑战，本研究提出了一种整合光伏（PV）和储能系统（ESS）的充电调度系统，以优化电动公交车的充电策略，实现经济与环境的双重效益。

研究的核心在于构建一个混合整数线性规划（MILP）模型，将电动公交车的充电时间表、ESS的充放电策略以及电网交互整合到一个统一的优化框架中。该模型旨在最小化每日的综合运营成本，包括电网购电成本、光伏发电成本以及来自电网和光伏生命周期的碳排放成本，同时考虑通过出售多余光伏电力获得的收入。模型充分考虑了多枢纽、多路线的动态特性以及季节性光伏产量的变化。通过在上海市的公共交通数据进行验证，该模型在冬季和夏季分别实现了比传统方法25.8%和27.3%的成本降低，同时显著减少了碳排放。这种方法将充电时间转移到与光伏发电相匹配的白天时段，为可持续城市交通运营提供了一个决策支持工具。

本研究的创新点在于，它不仅关注成本最小化，还通过引入碳排放成本，将环境影响转化为可衡量的经济指标。这有助于在优化过程中实现经济和环境的双重目标，确保决策符合现实世界的复杂需求。此外，该模型还考虑了实际操作中的多种限制，如变压器负载限制、ESS容量和功率限制、动态电池状态（SOC）以及防止碎片化充电的约束条件，从而提高了模型的实用性。通过将实际的季节性气象数据与详细的运营和电价数据结合，研究构建了一个高保真度的光伏功率输出模型，揭示了不同季节下光伏-ESS系统的表现和适应性。

为了进一步验证该模型的有效性，研究还比较了与传统电网单一供电模式的基准情景。在基准情景中，所有电动公交车的充电需求均由电网供电，不涉及本地的光伏发电和储能。这种比较不仅量化了整合光伏和储能系统带来的多重好处，如运营成本降低、碳排放减少、电网依赖性降低和光伏自用电率提高，还为政策制定和系统规划提供了坚实的数据支持。此外，研究还进行了多维敏感性分析，系统评估了关键参数如售电电价（FiT）、碳交易价格、电网碳排放因子、光伏安装容量、ESS容量、初始ESS电量、电动公交车能耗率和电池容量对系统性能的影响，为相关利益方提供了更为全面的决策支持。

本研究的主要贡献包括：首先，提出的MILP模型整合了电动公交车充电、光伏发电和ESS操作，将碳排放成本纳入目标函数，同时考虑了详细的运营约束，确保模型与现实世界的复杂交通运营需求保持一致。其次，通过使用上海的季节性气象数据，研究提供了关于光伏-ESS系统在不同光照条件下性能和策略适应性的深入见解，为具体地点和时间的规划提供了实证指导。第三，与基准情景的系统性比较量化了光伏-ESS整合在经济、环境和运营维度上的附加价值，同时多维敏感性分析探讨了关键参数的影响，增强了决策支持的稳健性。第四，该模型重新定义了电动公交车的充电策略，从传统的价格驱动、非高峰时段充电转向与可再生能源供应相协调的白天充电模式，最大化本地光伏发电的利用率。

在实际应用方面，该模型的结构和解决方法具有广泛的适用性。通过将电动公交车的运营调度与本地光伏发电和储能系统结合，研究提出了一种创新的运营模式，使充电站成为智能能源枢纽，能够与分布式能源资源协同运行。这种模式不仅优化了电动公交车的充电策略，还为电力系统提供了灵活性，有助于减轻电网扩展压力。对于公共交通运营商而言，投资光伏-ESS系统不仅能锁定长期的低成本清洁电力，减少对电价波动的依赖，还能通过参与未来的辅助服务市场获得额外收入，从而实现运营角色的显著转变。

尽管本研究取得了显著成果，但仍有一些未来的研究方向值得探索。首先，当前模型假设了确定性的气象和运营数据，未来的研究可以引入随机优化方法，以应对可能的不确定性。其次，本研究关注的是运营层面的调度，未来可以扩展为包含基础设施选址和容量规划的两阶段优化问题，从而实现从规划到运营的端到端优化。最后，随着车辆到电网（V2G）技术的成熟，研究可以进一步探讨电动公交车作为移动储能单元与电网的互动，以及与其他零碳技术的结合，为未来研究开辟新的领域。

通过本研究的深入分析，我们不仅展示了整合光伏和储能系统的经济与环境效益，还为城市交通系统的可持续发展提供了理论和实践上的支持。该研究强调了在制定政策和规划时，应考虑不同季节的光伏资源变化，以确保系统的全年适用性和经济可行性。同时，研究也表明，通过合理的资源配置和运营策略，可以有效提升电动公交车的运营效率，减少对电网的依赖，从而推动绿色交通的可持续发展。