考虑配电网特征和运营不确定性的电动公交充电及调度协同优化研究

Electric buses (E-buses) have been proposed as a key technology to help cut down emissions and alleviate energy crisis. Despite the rapid developments of core techniques such as the batteries, few studies have covered the design and optimization of the operation system of E-buses based on their properties. The charging facilities of E-buses have regional impact when accessing the urban distribution network due to their characteristics of distributed energy nodes. Meanwhile, various uncertainties might occur during the operations of E-buses, resulting in a need of robust systems. This study attempts to incorporate the urban public transportation network with distribution network, and introduce uncertainties into the design process of E-bus operation systems, in which the distribution network constraints will affect the decisions while the optimized decisions, e.g. E-bus schedules will in return support the distribution network. Based on different levels of decision-making, this study formulates the charging station location and sizing problems as well as the vehicle scheduling problems to realize the optimization of the entire system. Also, problems such as resources sharing, emergency dispatching and robust scheduling have been discussed. Finally, a series of efficient algorithms will be developed according to the properties of problems, which shall support the decision-making in practice.

公交电动化作为缓解排放污染和能源危机的重要举措之一，其电池等核心技术近年来发展迅速，而基于电动公交车特点的运营系统设计和优化研究才刚刚起步。电动公交车充电设施具有分布式能源节点的特征，在接入城市配电网时会产生区域性影响，而且其运营过程中面临着许多不确定性因素，需要系统具有良好的抗干扰性。本项目尝试将城市公共交通网与配电网同时纳入研究范畴，引入不确定性因素，考虑配电网约束对电动公交车运营系统设计的影响，并通过优化电动公交车排程调度实现对配电网的支持与保护。本研究根据决策层次的不同，分别对电动公交车运营系统中的充电站选址、定容、车辆调度等问题依次建立模型，实现对系统整体优化。研究中还讨论了充电技术进步与资源共享、不确定性环境下的车辆应急调度与鲁棒调度问题，设计与问题规模相适应的有效求解算法，为推动电动公交车运营保障体系建设提供理论指导与决策实用方法支持。

机动车尾气排放是城市空气污染的主要来源之一，不断增加的燃油汽车保有量带来的能源需求对我国能源安全也构成挑战。因此，推广电动汽车是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一。充电站（桩）作为保障电动汽车运行的基础设施，其可达性与可靠性直接影响着消费者选择电动汽车的可能性，合理的充电设施规划能够在节约成本的同时提升服务水平，有力地支撑电动汽车推广进程。.本项目以电动公交为切入点，基于其分布式能源节点特征及对城市配电网的影响，提出了考虑配电网约束的充电站布局规划问题，通过交通网-电网耦合建立了更符合实际的三重指派问题模型，并将其转化为混合整数二阶锥规划模型，设计了一种高效的“No R”算法，可以在较短时间内求得城市级问题的精确解。在此基础上，将决策过程拓展到多阶段规划问题，提出了时间-空间同步优化模型，并通过真实数据对电动公交充电站选址及定容问题的远期规划进行了评估分析，为推动电动公交车运营保障体系建设提供了理论指导与实用方法。.接着，本项目从普通电动汽车用户角度出发，研究了充电资源的共享使用及规划问题，实现对配电网的保护与支持。通过建立非齐次泊松到达排队系统对充电等待时间进行估计，研究了充电设施选址对驾驶员路径与充电均衡决策的影响，并设计了高效的松弛迭代算法对模型进行求解。同时，引入“里程焦虑”成本，提出了考虑路径可靠性的用户路径规划模型，通过交互式分支定界法求得该问题的精确解，为减小驾驶员的事故与收益损失风险提供决策支持。.此外，本项目从两方面拓展了研究范畴：1）考虑了一种新型移动充电设施，对其选址调度问题进行了建模研究，并提出了循环储能需求覆盖的两级优化问题，实现移动充电站与固定充电站的联合部署。2）研究了政府补贴、限行、限购等政策对电动汽车推广的影响，通过分析不同的补贴策略对企业投资电动汽车充电设施决策的影响，得出了不同市场环境下的最优补贴策略。