需求紧迫性驱动的协调充电：在多样化的电动汽车充电模式中最小化碳排放和电网负荷方差

《Sustainable Energy, Grids and Networks》：Demand-urgency-driven coordinated charging: Minimizing carbon emissions and grid load variance in diverse electric vehicle charging modes

　　摘要电动汽车（EV）的脱碳潜力在充电需求与可再生能源发电时间上不匹配时会大打折扣，从而需要更多依赖高碳排放的火电。为解决这一供需错配问题，本研究提出一种协调充电调度框架，该框架基于可量化的充电紧急度指标自动分配快充或慢充速率，从而将异质用户需求与低碳能源可用性对齐。构建了混合整数线性规划模型，以联合最小化电网发电总碳排放和微电网峰谷负荷差，并受时间窗、荷电状态和充电功率约束。该模型使用MATLAB编程求解，并在家庭、公共和混合充电场景下，以200、300和500辆EV的车队规模进行验证。50次随机蒙特卡洛试验结果表明，与无序充电相比，所提策略显著降低了峰谷负荷差和碳排放，在住宅高渗透率场景中改善最为明显。该框架在测试场景下对200辆EV车队表现出合理的统计稳健性，而更大车队规模的确定性模拟表明其在该假设建模条件下的可扩展潜力。引言电动汽车的环境效益不仅取决于其零尾气排放，还关键取决于发电结构的碳强度。这种依赖性在以煤为主的电力系统中尤为显著，因为电动汽车充电可能将排放从交通部门转移到电力部门。中国的双碳政策框架旨在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。尽管清洁能源大规模部署，但燃煤发电仍主导发电结构，占2025年总发电量的64.79%[1]（见表1）。在煤炭主导能源结构的国家，电动汽车充电需求的快速增长可能将排放从交通部门转移到电力部门，从而对实现全系统碳减排目标构成挑战。随着车辆电动化和智能电网技术的进步，电动汽车充电已从被动能源消耗演变为主动可控的需求侧资源。新兴充电模式，包括差异化充电方式（如快充和慢充）以及协调调度，为提升能源效率和电网稳定性提供了新机会。然而，这些发展也带来了显著的运营挑战。特别是，随机可再生能源发电与高度可变的充电需求之间的时间不匹配使调度决策复杂化。此外，用户行为的异质性，如停留时间和荷电状态需求的差异，进一步增加了设计高效响应充电策略的复杂性。现有研究已从成本最小化、负荷平滑和可再生能源整合等角度广泛研究了电动汽车充电优化问题。尽管这些方法提供了有价值的见解，但仍存在几个关键局限性。许多研究采用单目标公式或以松散耦合方式处理多目标，缺乏系统化框架来平衡碳排放和电网负荷。此外，充电需求的紧急度是影响用户灵活性和调度可行性的重要因素，往往建模不足或完全被忽略。而且，协调充电策略在不同基础设施配置（包括住宅、公共和混合系统）下的适应性尚未得到全面考察。这些差距凸显了对更综合、更灵活的建模框架的需求，该框架既能捕捉系统级目标，也能体现用户级异质性。为解决上述挑战，本文提出一种协调电动汽车充电调度框架，涵盖充电紧急度、碳排放和电网负荷管理。本工作的新颖性体现在三个方面：（1）在峰谷负荷平滑与碳减排的双重平衡目标下，将高峰时段充电需求转移到可再生能源发电量较高的时段，这有利于可再生能源应用并减少对燃煤发电的依赖，从而实现碳减排。（2）建立电动汽车充电紧急度评估体系，以碳减排和电网峰谷平衡为导向，鼓励非紧急用户在清洁能源出力高或电网负荷低的时段充电。（3）开发多种充电模拟场景（家庭、公共、混合），以验证所提协调充电方案在实现碳减排与峰谷负荷平衡权衡方面的实际有效性。本文其余部分安排如下：第2节回顾相关文献并指出关键研究空白；第3节详细阐述电动汽车充电协调问题；第4节提出优化模型和求解方法；第5节进行数值实验并分析结果；最后第6节总结全文并讨论未来研究方向。章节片段文献综述我们从与本研究高度相关的四个关键方面回顾文献，详见下文。碳强度信号的使用已成为将电动汽车充电与电网脱碳目标对齐的关键机制。Wen等人[2]指出，引入碳交易机制可以为碳排放设定价格，使低碳充电选择在自主行为下成为经济合理的决策。Li等人[3]基于实时碳的市场机制……问题描述现代电网依赖可再生能源和化石燃料发电的混合能源供应，其中可再生能源的渗透率强烈影响系统的环境可持续性。无序的电动汽车充电行为会显著加剧电网负荷波动，损害电力系统稳定性，并削弱电动交通的潜在环境效益。可再生能源发电的固有变异性需要依赖……充电时间分布模式电动汽车充电行为表现出与家庭和公共充电场景相对应的两种不同时间模式。在前者中，用户通常在下班回家后使用私人充电桩或社区公共充电桩开始充电，并在次日早晨出发前完成充电。相反，后者遵循相反模式，用户到达工作场所后连接到附近的公共充电桩，并在……数据生成与参数设置为模拟真实电动汽车充电场景，本研究采用正态分布概率密度函数生成表征用户充电行为的输入数据。实验框架比较两种不同的运行场景：实施所提优化策略的协调充电调度方法和传统非协调充电基线场景。评估考虑三种车队规模（200、300和500辆EV），以评估……结论本研究提出一种考虑电动汽车用户充电需求异质性的协调充电调度方法。基于实际电动汽车使用场景，设计了三种充电场景，以评估充电调度对电网负荷波动和环境的影响。仿真结果表明，所提策略实现了微电网内的削峰填谷，同时减少了碳排放。已输送能量和离场荷电状态的比较……CRediT作者贡献声明金元志：写作——审阅与编辑，指导，概念化。张静：验证，资源，调查。梁丽婷：初稿写作，软件，数据管理，概念化。利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。梁丽婷|张静|金元志