《Protection and Control of Modern Power Systems》：A newly permittable spatially coupled demand response model for fast charging station loads
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为解决快充站负荷空间灵活性的建模空白及其与常规车辆的协调调度问题，本文提出了一种基于空间耦合需求响应的新型模型。通过揭示常规车辆反向迁移可抵消电动汽车出行时间影响这一机制，构建了“自下而上”的模型。研究证实该模型能有效表征灵活性容量与成本，其调度可缓解配电网线路过载与电压越限问题，为未来电力市场中充分挖掘快充负荷灵活性提供了理论依据。
随着电动汽车的快速普及，城市中的快速充电站如同雨后春笋般涌现。这些充电站负荷集中，充电功率巨大，给本就脆弱的配电网带来了严峻挑战：高峰时段线路容易过载，节点电压可能越限，影响供电安全与电能质量。如何让这些“用电大户”变得聪明起来，主动调节自身负荷，成为电力系统运行人员与研究人员共同关注的问题。
人们很早就认识到，电动汽车用户可以根据电价或激励信号，灵活选择充电时间和地点，这种能力被称为负荷的“时空灵活性”。尤其是“空间灵活性”，即电动汽车可以改变充电地点，将负荷从一个电网节点转移到另一个节点，为电网运行提供了新的调节手段。然而，将这种潜力转化为现实可用的工具，仍面临两大难题。首先，现有研究很少将这种空间灵活性置于一个名为“空间耦合需求响应”的市场模型框架下进行建模。这是一种更贴近未来电力市场运行逻辑的模式，具有强大的应用前景。其次，过去的研究目光主要聚焦于有快充需求的电动汽车，却忽视了道路上大量行驶的其他常规车辆。一个有趣的设想是，如果为了让一辆电动汽车去远处的充电站充电而需要它多花时间“跑腿”，这种“迁移”带来的出行时间增加可能会让用户望而却步，从而限制灵活性的调用。但现实交通中，车流是双向的，一辆电动汽车的迁移可能会为其他常规车辆的行驶“腾出”空间或改变其路径，这种“反向迁移”效应是否能抵消甚至超越前者带来的负面影响呢？这个问题的答案，直接决定了快充站负荷空间灵活性挖掘的深度与可行性。
为了回答上述问题，并充分挖掘快充站负荷的灵活性潜力，研究人员在《Protection and Control of Modern Power Systems》上发表了一项研究。他们开发了一种全新的、可被未来电力市场准入的空间耦合需求响应模型，专门用于刻画快充站负荷的空间灵活性。这项研究的核心创新在于，首次明确揭示了常规车辆的反向迁移能够抵消快充需求电动汽车迁移所带来的出行时间影响，从而使得对充电站负荷的调度调整对交通系统而言变得“难以察觉”。
为了构建这一模型，研究人员采用了几个关键技术方法。首先，他们运用“自下而上”的建模方法，从对快充站负荷空间灵活性产生机理的分析洞察以及一个基础模型出发，构建了融合快充需求电动汽车与常规车辆协调调度的完整模型。其次，通过理论分析，提炼了所提模型的关键特征，验证了其数学形式的简洁性和物理含义的清晰性。最后，设计了一个包含配电网最优调度模型和快速分解方案的应用框架，并通过仿真验证了模型的有效性。
模型构建：基于“自下而上”的方法与FCS负荷空间灵活性生成机理
研究首先深入分析了快充站负荷空间灵活性的产生机理，并以此为基础，采用“自下而上”的方法，逐步构建了融合快充需求电动汽车与常规车辆协调的空间耦合需求响应模型。该模型的核心是刻画了电动汽车用户因响应激励信号而改变充电地点（迁移）的行为，以及这一行为通过交通网络互动对常规车辆出行时间产生的连锁反应。
关键特征分析：模型的简洁性与物理清晰性
研究人员对提出的模型进行了深入的特征分析。结果表明，该模型具有简洁的数学表达形式，同时每一个变量和约束都具有明确的物理意义（例如，代表负荷转移量，代表出行时间影响系数等）。这种特性使其区别于复杂的黑箱模型，更易于被电力市场运营机构理解和接受，从而论证了其作为一种“新型可准入”市场模型的潜力。
应用框架：配电网最优调度与快速分解
为了展示模型的实用性，研究提出了一个完整的应用框架。该框架包括一个以最小化电网运行成本或改善安全指标为目标的配电网最优调度模型，该模型将前述空间耦合需求响应模型作为约束集成进来。同时，为了高效处理大规模问题，研究还设计了一种快速的分解方案，能够将集中式调度指令迅速分解为对单个快充站或电动汽车集群的可执行信号。
研究的仿真结果从多个角度验证了模型与方法的有效性。在灵活性容量与成本表征方面，模型能够准确量化快充站负荷在不同空间位置间转移的潜力及其对应的激励成本曲线。更重要的是，在配电网调度应用中，仿真显示，调用基于该模型所表征的快充负荷空间灵活性，能够有效地缓解配电网中的局部线路过载和电压越限问题，且这种调度不会对交通流造成显著干扰，实现了电网与交通网的协同优化。
综上所述，本研究的主要结论与重要意义在于：第一，理论层面，首次将常规车辆互动纳入分析框架，揭示了其反向迁移对抵消电动汽车迁移负面影响的机制，为理解交通-能源耦合系统的互动提供了新视角。第二，模型层面，成功开发了一种形式简洁、物理意义明确的新型空间耦合需求响应模型，为未来电力市场引入此类产品奠定了模型基础。第三，应用层面，证明了所提模型在准确表征灵活性及实际改善配电网运行安全方面的有效性。这项工作打通了从交通行为机理到电力市场模型的链条，为大规模电动汽车并网背景下，如何通过市场机制挖掘其珍贵的空间灵活性资源，以经济、高效、无感的方式保障电网安全稳定运行，提供了一条切实可行的技术路径。
