電動(dòng)汽車換電調(diào)度.pdf

1、時(shí)下傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)正處于歷史性轉(zhuǎn)變的關(guān)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(chǔ)上融入先進(jìn)的感知、通信、計(jì)算和控制技術(shù)，從而:(a)接納更多分布式能源，如新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等;(b)激發(fā)和調(diào)動(dòng)負(fù)荷側(cè)參與電網(wǎng)運(yùn)行管理的能力;(c)實(shí)現(xiàn)分布式控制框架強(qiáng)化電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行;(d)具備故障情況下的自適應(yīng)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(xué)術(shù)界和工業(yè)界高度重視的研究對(duì)象。
　　電動(dòng)汽車(Electric Vehicle，EV)作為智能電網(wǎng)的核心內(nèi)容之一，不僅在交通層面實(shí)現(xiàn)零污染零排放，還兼具負(fù)荷和儲(chǔ)能的特性，可以對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行起到重要輔助作用，如消納新能源發(fā)電、需求側(cè)響應(yīng)、調(diào)頻控制等。此外，電動(dòng)汽車也是溝通另一個(gè)常見信息物理系統(tǒng)——交通網(wǎng)絡(luò)的紐帶橋梁，利用其可移動(dòng)、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(guān)于電動(dòng)汽車的研究主要圍繞在發(fā)掘其充電靈活性上，基于電動(dòng)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(duì)寬裕的充電時(shí)間開展充電調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)體/系統(tǒng)效用的提升。然而，里程焦慮和長(zhǎng)時(shí)間的充電等待依舊掣肘著電動(dòng)汽車的發(fā)展，在電池技術(shù)取得突破性進(jìn)展之前，關(guān)于電動(dòng)汽車的新商業(yè)運(yùn)行模式探討也是時(shí)下關(guān)注的熱點(diǎn)。
　　更換電池模式，簡(jiǎn)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(dòng)汽車能量恢復(fù)方式，并已經(jīng)局部投入應(yīng)用。顧名思義

4、，換電模式是指用一個(gè)滿充電池替換電動(dòng)汽車中行將耗盡的電池，從而在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)電動(dòng)汽車的能量。這種方法實(shí)現(xiàn)了電池充電過(guò)程與電動(dòng)汽車運(yùn)行的解耦，理論上解決了里程焦慮的問(wèn)題。然而實(shí)際中諸多復(fù)雜因素給換電模式的應(yīng)用帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，例如電池插拔過(guò)程中的機(jī)械磨損、充電與換電的協(xié)同運(yùn)行以及換電站的電池儲(chǔ)備等問(wèn)題。其中時(shí)下一個(gè)亟待解決的困境是電動(dòng)汽車保有量爆炸式增長(zhǎng)和配套設(shè)施換電站建設(shè)緩慢之間的矛盾。換電模式固然高效，但是當(dāng)滿充電池?zé)o法及時(shí)供應(yīng)時(shí)反而

5、會(huì)造成電動(dòng)汽車在換電站的擁堵和長(zhǎng)時(shí)間等待，大大降低系統(tǒng)整體的效率。本文針對(duì)當(dāng)前換電站服務(wù)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(jié)合多個(gè)實(shí)際場(chǎng)景對(duì)電動(dòng)汽車換電調(diào)度進(jìn)行了理論研究，旨在解決目前換電模式實(shí)踐中最突出的兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題。本文的主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)可以概括為以下五個(gè)方面:
　　1.介紹了智能電網(wǎng)背景下電動(dòng)汽車的發(fā)展、研究現(xiàn)狀，以及換電模式的前景、實(shí)際應(yīng)用中所面臨的困難挑戰(zhàn)和優(yōu)化調(diào)度的必要性。
　　2.研究了考慮換電站

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

7、rtite Matching)問(wèn)題，從而能夠基于標(biāo)準(zhǔn)匈牙利算法在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求解。
　　3.拓展了上述的換電站指派模型至更實(shí)際的連續(xù)時(shí)域在線調(diào)度場(chǎng)景中。我們假設(shè)電動(dòng)汽車在其電量較低時(shí)會(huì)向系統(tǒng)發(fā)送換電請(qǐng)求，系統(tǒng)根據(jù)請(qǐng)求車輛的實(shí)時(shí)位置以及換電站的滿充電池供應(yīng)情況即時(shí)做出換電站指派的回復(fù)，目標(biāo)同樣是爭(zhēng)取最小化電動(dòng)汽車總行駛成本和換電站總擁堵程度的權(quán)重和。在該實(shí)際場(chǎng)景下，我們基于上述的雙邊匹配方法設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)理論上的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)比。
　　4.研究了考慮電網(wǎng)運(yùn)行的換電調(diào)度問(wèn)題。我們希望通過(guò)協(xié)調(diào)換電使電動(dòng)汽車盡可能高效地利用系統(tǒng)內(nèi)目前已有的滿充電池，并且同時(shí)協(xié)同優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行。由于換電站指派不僅決定了電動(dòng)汽車的行駛距離，還同時(shí)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的潮流產(chǎn)生重大影響，因此我們旨在同時(shí)調(diào)度換電站指派和優(yōu)化潮流變量以最小化電動(dòng)汽車行駛成本（行駛距離）和配電網(wǎng)發(fā)電成本的權(quán)重和，同時(shí)滿足電動(dòng)汽車可行駛里程約束、電網(wǎng)的運(yùn)行約束和交流

9、(Alternating Current，AC)潮流方程。該聯(lián)合換電調(diào)度和最優(yōu)潮流(Optimal Power Flow，OPF)問(wèn)題計(jì)算求解上存在兩個(gè)難點(diǎn):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(wèn)題的二階錐松弛(Second-Order Cone Programming，SOCP)和廣義Benders分解算法設(shè)計(jì)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(dòng)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(diào)度和最優(yōu)潮流問(wèn)題至更一般化的分布式場(chǎng)景中。集中式解法并不適用于未來(lái)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(yùn)營(yíng)，電動(dòng)汽車可能歸個(gè)體司機(jī)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(duì)偶分解設(shè)計(jì)的分布式框架，在這兩種框架下不同的個(gè)體獨(dú)立做決策且通過(guò)不涉及隱私的信息交互來(lái)