具有共享电动汽车停车场的多栋建筑的能源管理：一种动态区域连接方法

《Energy and Buildings》：Energy management for multiple buildings with a shared EV parking lot: A dynamic zonal connectivity approach

电动汽车充电基础设施动态分区连接框架与多建筑能源系统优化模型研究，提出基于开关设备的分区动态连接方法，结合混合整数线性规划模型实现多建筑共享充电资源的最优调度，案例验证降低电费1.84%和峰荷8.56%。

　　

李尚焕（Sang-Hwan Lee）| 朴成元（Sung-Won Park）| 孙成永（Sung-Yong Son）

韩国世宗南13120，加登大学（Gachon University）下一代智能能源系统融合部门

摘要

大多数关于将电动汽车（EV）充电集成到建筑电力系统中的现有研究都假设特定站点之间的连接是固定的，这限制了这些方法在利用可用资源方面的灵活性。在这项研究中，我们提出了一种新的动态区域连接框架。所提出的方法允许根据需要灵活地重新配置多栋建筑与共享电动汽车停车场之间的电气连接。停车场被划分为多个区域，这些区域作为可控单元，以改善峰值需求管理并降低总体电费。基于该框架，我们提供了一个基于混合整数线性规划（MILP）的运营模型，以联合优化切换配置和电动汽车充电计划。案例研究表明，所提出的模型有效降低了1.84%的总电费和8.56%的峰值需求，而在高需求收费情况下，节省成本可高达2.64%。这些结果表明，我们的方法允许建筑之间共享电动汽车资源，从而提高多建筑能源系统的运营灵活性。

引言

随着电动汽车（EV）的普及，它们越来越多地被视为能够为电力系统和建筑能源运营做出贡献的能源资源[1]。特别是车对一切（V2X）技术指出，电动汽车可以通过与电网和建筑能源系统的双向互动作为灵活的能源资源来使用[2]。V2X包括各种应用，如车对电网（V2G，与电网接口）；车对建筑（V2B，支持建筑能源管理系统）；以及车对家庭（V2H，针对住宅环境）。

在V2X技术中，V2G在电力系统运营方面提供了多种好处，包括提高灵活性[3]、降低运营成本[4]和增强韧性[5]。Liang等人提出了一个V2G框架，明确考虑了电动汽车的流动性，以结构性地增强配电网络内的电力灵活性[3]。Sadati等人将电动汽车停车场建模为独立的经济实体，并证明基于V2G的运营策略可以降低从批发市场购买的电力成本，并提高配电系统运营商（DSO）的运营收入[4]。在后续研究中，他们提供了一种方法，使用考虑光伏发电和电动汽车可用性不确定性的V2G优化模型来最大化DSO的利润[6]。Ahmadisourenabadi等人提出了一个在微电网环境中平衡成本、排放和韧性的运营框架，使用V2G技术[5]。总体而言，这些研究表明，利用电动汽车作为运营资源可以提高电力网格系统的灵活性，并改善电网运营商的经济绩效。

V2B技术使电动汽车电池能够作为建筑能源管理资源使用，并提供各种技术和经济效益，如降低电费[7]、减少碳排放[8]以及通过电力交易产生运营收入[9]。通常，V2B技术主要应用于工业和商业建筑[10]。在工业和商业建筑中，基于峰值负荷的需求费用占总电费的很大一部分[11]。因此，许多与V2B相关的研究都集中在设计多样化的运营策略上，旨在通过有效管理特定建筑的峰值负荷来降低电费[12]、[13]、[14]、[15]。

以往的研究通常假设充电基础设施固定连接到单个建筑，并将每个建筑视为独立的能源使用实体[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，大型商业和工业建筑中的停车设施通常被配置为共享基础设施，由多个建筑在地下和地上空间共同使用[16]、[17]。因此，最近的研究提出了将共享停车概念与电动汽车充电基础设施的研究相结合，以支持诸如使用共享或受限的停车空间和充电容量进行峰值负荷管理等功能。Velkovski等人提出了一个针对住宅能源社区的共享停车结构，充电设施位于工作时间内闲置的公共停车区域，并向社区外的电动汽车用户开放[18]。Li提出了一种在住宅和办公楼之间共享停车基础设施的方案，以提高充电时间和容量的灵活性[19]。Xie等人引入了一个共享电动汽车停车框架，旨在管理共享停车环境中的充电和停车需求，以提高效率[20]。Xu等人提出了一个基于商业区域内共享停车场的需求侧管理框架[21]。Almutairi等人管理了多住宅建筑共享停车环境中的电动汽车停车时长，以防止高峰时段设备过载[22]。此外，一些研究通过引入垂直停车系统[23]或将现有停车设施改造为电动汽车充电站[24]来提高能源管理效率。这些研究扩展了共享停车的原始概念，并展示了其与电动汽车充电基础设施和先进运营策略结合在能源管理中的潜力。

表1总结了现有关于V2B运营的研究，包括共享停车概念、考虑的建筑范围、目标以及连接建筑和停车空间的结构。如表所示，大多数V2B研究主要集中在控制与单个建筑相关联的电动汽车的充电和放电策略上。他们的结果表明，通过这些策略可以有效地降低建筑能源成本，包括需求费用。然而，大多数现有模型假设每个建筑都连接有固定的充电基础设施[25]。在这种假设下，电动汽车资源只能由特定建筑使用，这限制了建筑能源管理系统的灵活性。即使在具有共享停车设施的多建筑环境中，运营通常仍然基于固定的物理连接[26]、[27]、[28]，这限制了建筑之间的直接资源共享。尽管Ahsan等人分析了通过包括V2G在内的能源交易在多建筑之间降低成本的情况，但他们仍然考虑了建筑之间的固定物理连接[26]。Sadati等人对社区级别的电动汽车停车场进行了建模，并分析了停车设施之间能源交易的经济可行性；然而，没有考虑建筑之间的直接电动汽车资源共享[27]。一些研究提出了基于间接控制的方法，通过价格信号调整激励电动汽车在特定地点充电[29]。然而，这些方法依赖于不确定的用户响应，这限制了它们可靠实现运营目标（如降低特定建筑的峰值负荷）的能力。

在这项研究中，我们提出了一种新的动态连接框架，将多栋建筑和电动汽车停车场连接起来。停车场被划分为多个区域，系统通过切换设备动态控制每个停车区域与建筑之间的连接。这种动态连接使得建筑之间可以共享电力资源，并支持传统的固定连接模型无法实现的时空负荷重新分配技术，从而使系统运营商能够更有效地管理整个综合体的能源。此外，我们还开发了一个基于混合整数线性规划（MILP）的最优运营模型，旨在使用动态切换操作和智能充电策略来最小化集成建筑综合体的总电费。

本研究的其余部分组织如下。第2节介绍了一种电动汽车停车场-建筑集成框架，该框架实现了多栋建筑和停车场之间的动态协调；第3节介绍了最优运营模型；第4节讨论了一个案例研究，评估了所提出方法在降低电费和缓解峰值负荷方面的效果；最后，第5节总结了主要发现并提出了未来研究的可能方向。

部分摘录

系统描述

通常，建筑和电动汽车停车场通过固定的电力线连接，这限制了电动汽车只能使用位于与每个建筑相关联的指定停车场的电动汽车[34]、[35]。这造成了结构上的限制，因为建筑只能访问物理连接到它们的电动汽车资源。相比之下，我们提出了一种动态连接方法，其中停车场被划分为多个区域，每个区域可以通过可控开关灵活地连接到建筑。

建模

所提出的模型旨在最小化由多栋建筑和一个共享电动汽车停车场组成的集成能源系统的总电费。目标函数在方程（1）中给出，表示为需求费用和能源费用的总和，这两者共同构成了总电费。需求费用是使用每栋建筑在运营期间的最大电力需求计算的，表示为$P_i^{\mathrm{Bmax}}$，乘以需求费率${\lambda }^{\mathrm{base}}$

案例研究设计

在案例研究中，我们将所提出的方法与传统模型进行了比较。两种模型都应用了智能充电策略来管理电动汽车；然而，它们在建筑和停车区域之间的电气连接结构上有所不同。停车场被划分为三个区域，每个区域可以连接到两栋建筑。在传统模型中，区域1永久连接到建筑1，而区域2和区域3通过固定电力永久连接到建筑2

结论

在这项研究中，我们提出了一种基于电力线切换的动态区域连接框架，通过将大型地下共享停车场划分为多个区域，并动态地将每个区域连接到建筑，克服了传统固定连接架构的结构限制。与之前将电动汽车资源视为与特定建筑绑定的充电负荷的研究不同，我们将电动汽车重新定义为分布在多栋建筑中的共享能源资源。

CRediT作者贡献声明

李尚焕（Sang-Hwan Lee）：撰写——原始草稿、可视化、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。朴成元（Sung-Won Park）：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、方法论、正式分析。孙成永（Sung-Yong Son）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了韩国能源技术评估与规划研究所（KETEP）的支持，该研究所获得了韩国政府（MCEE）的资助（编号：20214000000060, RS-2024-00419642）。