考虑设备状态切换和性能系数变化的高速公路服务区域中CCHP（复合冷热电系统）的优化调度

《Sustainable Cities and Society》：Optimal Scheduling for CCHP in Highway Service Areas Considering Equipment Status Switching and Variable Coefficient of Performance

　　张凌志|康曦|刘淑玲|史瑞峰|刘庄庄|贾立民
华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206，中国

摘要
在双重碳目标的推动以及能源和交通系统深度融合的背景下，高速公路服务区的能源系统日益面临复杂且紧密耦合的多能源需求，这些需求需要协调的调度。除了电力和电动汽车充电外，高度时间变化的供暖和制冷负荷进一步加剧了运营复杂性。然而，传统的调度方法往往无法准确反映设备的运行限制和瞬态行为，导致频繁的启停循环、效率下降和设备老化加速。为了解决这些问题，本文开发了一种基于优化的调度方法，用于以电力驱动的冷热电联供（CCHP）为导向的服务区系统。该方法结合了虚拟过程（VP）模型和可变性能系数（COPs），以减少总运营成本，并明确考虑了切换过程中的瞬态影响。VP模型描述了启停转换期间的额外能耗、货币成本和时间延迟，而可变COPs则捕捉了需求变化时的部分负荷效率变化；两者共同作用，减少了过度循环并避免了部分负荷运行下的效率误估。基于这些机制，构建了一个集成调度框架，以协调光伏（PV）和风力发电（WT）的产生与分时电价（TOU）以及电池/热能/冰储存操作。仿真结果表明，所提出的方法将总运营成本降低了26.2%，设备循环频率减少了58%，可再生能源利用率提高了4%。总体而言，该框架提高了运营稳定性、成本效益和可持续性，为高速公路服务区的低碳能源管理提供了可扩展的路径。

引言
能源和交通系统的融合日益被视为可持续发展和碳中和的基石（Jia等人，2022年）。国际能源署（IEA）的“2050年净零”路线图指出，大规模电气化、低碳燃料和综合性基础设施对于交通部门的深度脱碳至关重要（Lindstad等人，2023年）。欧盟、美国和中国等主要经济体正在推进协调政策，使电动汽车（EV）充电网络与可再生能源部署相适配，促进跨行业的协同效应（Bogdanov等人，2024年）。随着全球范围内电动汽车的加速采用，交通需求已不再是能源的被动消费者，而是现代能源网络中一个灵活且重要的负荷。为了适应这一转变，高速公路和城市枢纽等关键节点正在部署集成微电网，结合光伏（PV）、能源储存和电动汽车充电设施，从而提高电网灵活性、增强能源韧性并支持低碳出行（Xu等人，2024年）。

高速公路服务区体现了这一转型。这些区域最初设计为加油和休息站，现在正发展成为多功能能源中心，集成了电动汽车充电、制冷、供暖、可再生能源供应，某些情况下还包括先进的储存和需求侧管理系统（Qiu等人，2025年；Lin等人，2025年）。这些位于交通和分布式能源交汇处的区域，正成为推动清洁出行和智能能源管理的战略平台。电力、供暖、制冷和能源储存的集成引入了复杂的调度挑战，特别是在交通流量和天气条件波动的情况下，能源需求呈现出高度间歇性（D?nmez?elik等人，2023年）。除了运营上的好处外，这些集成系统还直接为更广泛的脱碳努力做出了贡献，并符合联合国可持续发展目标（SDGs），包括可持续能源（SDG7）、可持续城市和社区（SDG11）以及气候行动（SDG13）。

许多研究探讨了能源与交通的融合，强调了其对低碳发展的重要性。Yang等人（Yang等人，2022年）分析了陆路交通能源系统的现状和未来趋势，强调了电气化和清洁能源整合的必要性。Zhou等人（Zhou等人，2023年）提出了一种多阶段灵活性的能源管理（FOEM）机制，利用可再生能源微电网、智能家居和电动车辆（PEVs）将电网依赖度降低30.7%。Jiang等人（Jiang等人，2025年）为耦合的电力-交通网络开发了两阶段调度和灵活性框架，提高了系统效率。Nie等人（Nie等人，2024年）引入了一个两阶段TS-DS协同优化框架，利用分布式资源（ESSs、EVs、DR）降低成本并提升性能。Dai等人（Dai等人，2025年）提出了一种稳健的太阳能-道路-交通系统调度方法，在不确定性下优化了能源生产和用户出行成本。Mansouri等人（Mansouri等人，2023年）引入了一种基于区间的嵌套TSO-DSO协调框架，利用需求响应（DR）定价、分布式能源资源（DERs）、智能建筑和电动汽车车队来提高系统性能。Liu等人（Liu等人，2025年）和Deng等人（Deng等人，2023年）使用分布式和双层优化模型解决了多能源耦合的不确定性问题。Li等人（Li等人，2024年）将碳交易纳入分布式能源资源的协调调度中。Xia等人（Xia等人，2023年）提出了一种高速公路微电网调度模型，利用电动车辆的时空灵活性优化了电池更换、电池运营和分布式能源的调度。Mansouri等人（Mansouri等人，2023年）提出了一种三层风险规避博弈论策略，用于协调智能建筑、电动汽车和微电网，通过动态定价DRP和协同调度实现了每日成本13.66%的降低。尽管取得了这些进展，现有研究大多忽略了高速公路服务区的独特特性，其中波动的交通需求导致的电力、供暖和制冷负荷对传统调度策略构成了挑战。传统模型往往无法准确反映多能源设备的启停行为和部分负荷效率变化，导致过度循环、成本增加和设备寿命缩短。这些差距凸显了需要一个精细的调度框架，以明确处理供暖和制冷需求，并实现高速公路服务区的多能源协调调度。

大量研究致力于冷热电联供（CCHP）系统。Bischi等人（Bischi等人，2014年）提出了一种MILP模型，用于短期CCHP调度，旨在在满足能量平衡约束的同时最小化运营成本，考虑了负荷变化、能源价格、设备性能和启停 penalty。Liu等人（Liu等人，2025年）开发了一种使用改进的深度强化学习算法的压缩空气储能调度策略，提高了调度准确性和稳定性并降低了成本。Zhang等人（Zhang，2025年）提出了一种优化框架，将CCHP与热能储存相结合，利用实时调度、需求侧管理和改进的遗传算法降低成本并提高效率。Carvalho等人（Carvalho等人，2025年）设计了一种住宅用电网连接的CCHP系统，满足了94.3%的电力需求，实现了44.3%的联产效率，并减少了20.34吨的二氧化碳排放。Jiang等人（Jiang和Yang，2024年）提出了一种集成多种储能系统的CCHP架构，在效率、节能和减排方面优于传统系统。Xu等人（Xu等人，2024年）采用了一种改进的多目标多宇宙优化算法，将运营成本降低了7.98%，二氧化碳排放减少了12%。Ren等人（Ren等人，2024年）提出了一种使用多目标蜂蜜獾算法的两阶段混合CCHP模型，大幅降低了成本、一次能源使用和排放。尽管在系统优化、调度和可再生能源整合方面取得了进展，但设备启停约束仍研究不足。在高速公路服务区等频繁循环和负荷波动的场景中，这一差距尤为关键。在这种条件下，现有策略难以平衡设备寿命、启停成本和运营稳定性，限制了CCHP系统在高度间歇性能源需求环境中的部署。表1总结了本研究与以往研究的比较。

总之，尽管取得了显著进展，但仍存在重要差距。首先，大多数先前研究集中在通用集成能源系统或需求曲线相对平滑的城市/工业应用上，而高速公路服务区的特点是由交通和天气引起的明显间歇性和快速波动，以及电力需求、电动汽车充电和供暖/制冷负荷之间的强耦合。其次，虽然一些CCHP调度研究考虑了启停成本或最小开关约束，但切换通常被理想化为一个具有固定惩罚的瞬时二进制事件，而没有明确捕捉到频繁循环下的关键影响（例如，额外能源使用、时间延迟/临时不可用性和相关的效率损失）。第三，固定效率假设（如恒定COP）仍然普遍存在，这可能会高估部分负荷性能并影响在热需求高度变化下的调度决策。为了解决这些限制，本文开发了一种针对高速公路服务区的CCHP调度框架，该框架结合了切换行为的虚拟过程表示和负荷依赖的效率建模，并在统一的优化设置中协调可再生能源生成、分时电价和多能源储存，从而在稳态效率和循环相关过渡效应之间实现明确的权衡，为低碳服务区能源管理提供了更现实和有效的基础。

本研究的主要贡献如下：
(1) 开发了针对高速公路服务区的集成CCHP系统架构和调度模型，纳入了关键运营约束，以提高模型适用性并应对波动的多能源需求。
(2) 引入了可变COPs用于制冷和加热单元，实现了对不同负荷条件的动态适应，提高了能源消耗的准确性，并通过优化能源使用提高了系统效率。
(3) 建立了一个基于虚拟过程的启停模型，准确捕捉了循环过程中的运营成本和影响，减少了过度循环，最小化了切换频率，并提高了系统稳定性和设备寿命。

本文的其余部分安排如下：第2节介绍了高速公路服务区的CCHP系统架构及其组件的基本模型。第3节介绍了采用虚拟过程方法的优化调度模型。第4节提供了仿真研究，以验证所提出方法的有效性。第5节总结了研究的主要发现和贡献。

建模框架
为了有效实施所提出的优化策略，本节开发了CCHP系统架构及其相应的系统模型。后续小节概述了系统的结构配置和关键功能组件。

解决方案建模
在提出的CCHP系统基础上，本节提出了一个集成虚拟过程和可变COPs的优化调度模型，目标是在遵守运营约束的同时最小化总系统成本。后续小节详细介绍了目标函数、虚拟过程的建模、约束公式和解决方法。

案例研究
为了评估所提出调度模型的性能，我们考察了浙江省的一个高速公路服务区，捕捉了供暖、制冷和电力的综合需求。分析了系统在不同条件下的动态响应，特别关注启停转换和性能系数的波动，从而证明了模型的实际适用性。

结论
本研究通过提出一种以CCHP为导向的系统优化调度策略，解决了高速公路服务区能源需求的波动性和间歇性问题，该策略结合了可变COP特性和启停约束，旨在实现协调、低碳和高效的多能源运行。主要贡献包括：
(1) 开发了一种定制的CCHP架构，集成了光伏（PV）、风力发电（WT）、电池、热能储存和电动汽车充电，实现了统一管理。

资助
本研究得到了中国国家关键研发计划基金（项目编号2021YFB2601300）、中央高校基本科研业务费（项目编号2025JC005）和中国国家自然科学基金（项目编号52578499）的财政支持。

作者贡献声明
张凌志：撰写——原始草稿、方法论、形式分析。
康曦：软件。
刘淑玲：数据整理。
史瑞峰：撰写——审阅与编辑、资金获取。
刘庄庄：撰写——审阅与编辑、资源协调。
贾立民：撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了中国国家关键研发计划基金（项目编号2021YFB2601300）、中央高校基本科研业务费（项目编号2025JC005）和中国国家自然科学基金（项目编号52578499）的财政支持。