考虑分时电价的电动船舶换电站选址与经济航速优化方法

潘鹏程; 邢天威

交通信息与安全 ›› 2025, Vol. 43 ›› Issue (6) : 171 -182.

潘鹏程, 邢天威

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摘要

针对内河电动船舶运营中换电站选址与航行速度分离决策所导致的补能成本高、航行效率低的问题，研究了分时电价约束下换电站布局与航速协同优化方法，构建了1个双层多目标优化模型以统一刻画基础设施规划与船舶运行调度之间的耦合关系。模型上层以最小化换电站建设与运维成本、最大化船舶在电价谷时段完成补能的比例为目标，通过二元选址变量与站间距约束确定换电站空间布局；模型下层在给定选址结果下，以最小化总航行时间与换电成本为目标，对各航段航速进行连续优化。针对箱式换电模式下分时电价对船舶运营成本的实际传导特征，引入换电站充电时间窗口折算机制，将分时电价由船舶到站时刻修正为站端历史充电行为对应的等效结算电价，从而修正了传统航速优化中能耗-成本的计算方式。模型同时考虑电池容量更新、最大放电深度、换电触发条件，及分段限速等约束，以保证优化结果的工程可行性与通航合规性。以长江航线为例，对3类典型纯电动船舶进行仿真分析。结果表明：在满足续航与安全航速约束的前提下，协同优化方案在减少1座换电站建设数量的同时，可使典型船舶在不同出发时刻下的单航次补能成本降低4 000～7 000元，平均降幅约为14%，总航行时间缩短15～23 h，平均缩短比例约为9%；相较于固定航速运行方式，协同优化后的航速方案可进一步实现补能成本减少25 000～80 000元，平均降幅约为45%，航行时间缩短16～21.5 h，平均缩短比例约为9%。在不同船型与典型出发时间组合条件下，系统平均航行时间缩短约19.5h，补能成本降低约55%，验证了分时电价约束下选址-航速协同优化在提升电动船舶换电系统经济性与运行效率方面的有效性。