電動汽車換電調度.pdf

1、時下傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)正處于歷史性轉變的關鍵階段，向著更為環(huán)保、更為可持續(xù)、更為魯棒、更為可靠和更為自愈的智能電網(wǎng)發(fā)展演化。廣義的智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎上融入先進的感知、通信、計算和控制技術，從而:(a)接納更多分布式能源，如新能源發(fā)電、儲能、電動汽車等;(b)激發(fā)和調動負荷側參與電網(wǎng)運行管理的能力;(c)實現(xiàn)分布式控制框架強化電網(wǎng)的穩(wěn)定運行;(d)具備故障情況下的自適應和自愈能力。作為最典型的信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical

2、 System，CPS)之一，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為學術界和工業(yè)界高度重視的研究對象。
　　電動汽車(Electric Vehicle，EV)作為智能電網(wǎng)的核心內容之一，不僅在交通層面實現(xiàn)零污染零排放，還兼具負荷和儲能的特性，可以對電力系統(tǒng)的運行起到重要輔助作用，如消納新能源發(fā)電、需求側響應、調頻控制等。此外，電動汽車也是溝通另一個常見信息物理系統(tǒng)——交通網(wǎng)絡的紐帶橋梁，利用其可移動、可充放的能量載體特性，將兩大系統(tǒng)緊密地耦合在一起。目

3、前關于電動汽車的研究主要圍繞在發(fā)掘其充電靈活性上，基于電動汽車作為通勤交通工具的使用情況，大量現(xiàn)有工作利用其相對寬裕的充電時間開展充電調度，從而實現(xiàn)個體/系統(tǒng)效用的提升。然而，里程焦慮和長時間的充電等待依舊掣肘著電動汽車的發(fā)展，在電池技術取得突破性進展之前，關于電動汽車的新商業(yè)運行模式探討也是時下關注的熱點。
　　更換電池模式，簡稱換電模式，是目前除了充電模式之外最有前景的一種新型電動汽車能量恢復方式，并已經(jīng)局部投入應用。顧名思義

4、，換電模式是指用一個滿充電池替換電動汽車中行將耗盡的電池，從而在短時間內恢復電動汽車的能量。這種方法實現(xiàn)了電池充電過程與電動汽車運行的解耦，理論上解決了里程焦慮的問題。然而實際中諸多復雜因素給換電模式的應用帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，例如電池插拔過程中的機械磨損、充電與換電的協(xié)同運行以及換電站的電池儲備等問題。其中時下一個亟待解決的困境是電動汽車保有量爆炸式增長和配套設施換電站建設緩慢之間的矛盾。換電模式固然高效，但是當滿充電池無法及時供應時反而

5、會造成電動汽車在換電站的擁堵和長時間等待，大大降低系統(tǒng)整體的效率。本文針對當前換電站服務能力受限的情況，綜合考慮電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的影響，結合多個實際場景對電動汽車換電調度進行了理論研究，旨在解決目前換電模式實踐中最突出的兩個實際問題。本文的主要內容和貢獻可以概括為以下五個方面:
　　1.介紹了智能電網(wǎng)背景下電動汽車的發(fā)展、研究現(xiàn)狀，以及換電模式的前景、實際應用中所面臨的困難挑戰(zhàn)和優(yōu)化調度的必要性。
　　2.研究了考慮換電站

6、擁堵的換電調度問題。我們綜合考慮電動汽車行駛時間和距離等交通因素，建立了一個離散時槽的換電站指派模型，該模型反映了指派對換電站擁堵程度跨時槽的影響。我們站在系統(tǒng)的角度，針對每一個時槽中有換電需求的電動汽車進行最優(yōu)的換電站指派，力求最小化電動汽車總行駛成本和換電站總擁堵程度的權重和。盡管該問題是一個帶有非線性時空耦合的0-1規(guī)劃問題，但是我們證明它可以轉化為標準的最小權重完美雙邊匹配(Minimum Weight Perfect Bipa

7、rtite Matching)問題，從而能夠基于標準匈牙利算法在多項式時間內求解。
　　3.拓展了上述的換電站指派模型至更實際的連續(xù)時域在線調度場景中。我們假設電動汽車在其電量較低時會向系統(tǒng)發(fā)送換電請求，系統(tǒng)根據(jù)請求車輛的實時位置以及換電站的滿充電池供應情況即時做出換電站指派的回復，目標同樣是爭取最小化電動汽車總行駛成本和換電站總擁堵程度的權重和。在該實際場景下，我們基于上述的雙邊匹配方法設計了一個簡單高效的在線換電站指派算法，并

8、證明該算法能夠在溫和條件下實現(xiàn)理論上的最優(yōu)競爭比。
　　4.研究了考慮電網(wǎng)運行的換電調度問題。我們希望通過協(xié)調換電使電動汽車盡可能高效地利用系統(tǒng)內目前已有的滿充電池，并且同時協(xié)同優(yōu)化配電網(wǎng)的運行。由于換電站指派不僅決定了電動汽車的行駛距離，還同時會對配電網(wǎng)的潮流產(chǎn)生重大影響，因此我們旨在同時調度換電站指派和優(yōu)化潮流變量以最小化電動汽車行駛成本（行駛距離）和配電網(wǎng)發(fā)電成本的權重和，同時滿足電動汽車可行駛里程約束、電網(wǎng)的運行約束和交流

9、(Alternating Current，AC)潮流方程。該聯(lián)合換電調度和最優(yōu)潮流(Optimal Power Flow，OPF)問題計算求解上存在兩個難點:交流潮流方程的非線性和換電站指派的離散性。我們基于最優(yōu)潮流問題的二階錐松弛(Second-Order Cone Programming，SOCP)和廣義Benders分解算法設計了一種高效的集中式解法，該解法能夠直接求取全局最優(yōu)解，適用于配電網(wǎng)、換電站和電動汽車統(tǒng)一管理的情況。

10、r>　　5.拓展了上述的聯(lián)合換電調度和最優(yōu)潮流問題至更一般化的分布式場景中。集中式解法并不適用于未來去中心化的商業(yè)模式:配電網(wǎng)歸電力公司所有，換電站由專員運營，電動汽車可能歸個體司機或者集體（如出租車公司）所有。因此我們提出兩種分別基于交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers，ADMM)和對偶分解設計的分布式框架，在這兩種框架下不同的個體獨立做決策且通過不涉及隱私的信息交互來