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Location and capacity of urban hydrogen refueling station based on a capacitated deviation-flow capturing location model

Zhuo Gao, Yang Si, Wenbin Wu, Hengrui Ma & Shengmo Li

导语

在“双碳”目标引领下，氢燃料电池汽车（HFCV）凭借零排放、长续航、耐低温等优势，成为高海拔与寒冷地区绿色出行的理想选择。然而，作为HFCV的基础服务设施加氢站（HRS），受制于高额的建站和运营成本发展缓慢，如何实现加氢站的“需求-容量-成本”的最优平衡成为研究热点。因此本文提出一种基于加氢需求的带容量约束的偏差需求捕获位置模型（CDDCLM），在实现成本效益最优的前提下，以实现需求和容量的有效匹配，进而对城市综合加氢站进行最优选址定容。

1、研究背景和意义

目前，加氢站和HFCV目前陷入“鸡和蛋”困境之中，一方面交通道路上的HFCV份额影响加氢站的规划建设，另一方面氢气的销售价格和加氢站的数量布局又能影响用户购买HFCV的倾向。但不可否认的是，要推广HFCV首先需要做好基础设施建设。

对于加氢站的选址模型，一种是点模型（如P中值、覆盖模型），但是这种方法假设需求是固定于离散点的，忽略司机途中加氢行为，需大量站点覆盖，成本过高；另一种是流模型（如FCLM、FRLM、MPRLM等），但是这些常规的流模型逐渐暴露其局限性，依赖最短路径假设、未考虑司机未考虑司机绕道可能性，且忽略容量约束，难以匹配真实需求。

本文提出了一种带容量约束的偏差需求捕获位置模型（CDDCLM），其在常规FCLM模型基础上，把捕获的加氢需求量作为指标，并通过引入加氢站的年化成本，描述城市加氢站的投资情况，以此来解决城市加氢站的选址定容问题。这一改进将使模型更加符合实际情况，以适用于城市加氢站初期的布局规划目标。

2、主要内容

2.1带容量约束的偏差需求捕获位置模型（CDDCLM）

在偏差流模型中，假定已知道路网络模型为，模型中V="{ "    V1，V2，…，Vn}表示道路网络中各个十字路口、道路拐点等节点的集合，A表示道路网络中所有道路形成的边或弧线的集合。

在实现流量与需求的匹配并对所有偏差路径进行整合之后，本文所提出的CDDLCM可表示为式（1），即为最大化路网中的氢气需求捕获量

（1）

其中是0-1二进制变量，如果q（一个特定的O-D对）的流量被捕获，则该值为1

O-D对上的加氢总需求：

（2）

每辆车辆的加氢量：

（3）

O-D对上车辆的加氢概率：

（4）

其中，是加氢阈值；是路线长度；r是最大行驶里程；是车辆最大储氢容量

2.2 选址定容优化方法

本研究的目标是要在保证车辆加氢需求得以满足的基础上，尽可能缩减加氢站成本，因此优化目标为捕需量的最大化和加氢站年化成本的最小化

（5）

（6）

（7）

其中="1。

3、优化结果分析

3.1 模型有效性验证

表格1 4种模型优化结果

	流量捕获率	需求捕获率	净盈利（万美元）
CFCLM	82.11 %	86.95 %	49.564
CDCLM	79.09 %	87.06 %	49.665
CDFCLM	83.28 %	88.51 %	53.032
本文	82.81 %	88.79 %	53.507

可见本文所提出的CDDCLM总体效益优于其他几种方法，虽然带容量约束的偏差流量捕获位置模型CDFCLM在流量捕获率上比本文方法高0.47%，但加氢站的选址定容，归咎于加氢服务的量，并不等于车流量。因此改进的模型CDDCLM使得加氢站的容量能够有效与捕获的氢气需求量相匹配，避免了由于容量虚设而导致的资源浪费。这也使加氢站能够实现更大的净利润。

3.2 优化分析

图1西宁市加氢站选址规划结果

表格2建站数为5-9时的财政情况

建站数	CDR	总年化成本(M $)	总年化收入(M $)	总年化净盈利(M $)
5	73.78 %	14.9734	16.8710	1.8976
6	77.73 %	15.9604	17.7606	1.8002
7	81.19 %	16.9296	18.5497	1.6201
8	83.09 %	17.5336	18.9864	1.4526
9	84.84 %	18.2113	19.4013	1.1900

由图1可见随着加氢站数量的增加，规划结果能够满足更多路线上车辆的加氢需求，但需求捕获率（DCR）的增长率下降；且由表2可见，随着加氢站数量的增加，加氢站网络的总年化成本上升较快，但总年化收入上升较慢。因此，制定最佳的加氢站规划策略时，需要综合考虑站点数量、DCR和相关成本之间的关系，找到平衡点。当预建造5个加氢站时，网络节点47、58、71、74和109处被选为加氢站规划的最佳方案，如图2

图2 建站数量为5时的加氢站的选址定容结果

4、结语

本文所提出的CDDCLM，与常规方法相比，能够提供更合理的加氢站选址定容方案，综合考虑了加氢站数量、服务覆盖率和成本之间的关系，使其达到一个平衡的状态。

引用

To cite this article:Gao Z, Si Y, Wu W, et al. Location and capacity of urban hydrogen refueling station based on a capacitated deviation-flow capturing location model[J]. International Journal of Green Energy, 2025: 1-11.

To link to this article: //doi.org/10.1080/15435075.2025.2473027

作者介绍

高卓：电气工程硕士研究生；研究方向为氢能制备存储运输系统建模与优化

司杨：硕、博士生导师；研究方向为干热岩、氢能等新型清洁能源综合能源网优化配置、新型储能系统运行控制、高比例可再生能源电力系统规划等领域