[論文レビュー] Communication-Censored-ADMM for Electric Vehicle Charging in Unbalanced Distribution Grids

Abhishek Bhardwaj, Wilhiam de Carvalho+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2022

Electric Vehicles and Infrastructure被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非平衡な配電グリッドにおける分散型電気自動車（EV）充電のための通信遮断付きADMM（CC-ADMM）を提案する。この手法により、通信を最大80%削減しながらも、電圧制御を維持し、時間別料金コストを最小限に抑えることができる。本手法は、無効電力制御と通信遮断を統合することで、疎通パターン下でも収束性と解の正確性を保証する。

ABSTRACT

We propose an alternating direction method of multipliers (ADMM)-based algorithm for coordinating the charge and discharge of electric vehicles (EVs) to manage grid voltages while minimizing EV time-of-use energy costs. We prove that by including a Communication-Censored strategy, the algorithm maintains its solution integrity, while reducing peer-to-peer communications. By means of a case study on a representative unbalanced two node circuit, we demonstrate that our proposed Communication-Censored-ADMM (CC-ADMM) EV charging strategy reduces peer-to-peer communications by up to 80%, compared to a benchmark ADMM approach.

研究の動機と目的

• ADMMに基づく分散型EV充電調整における増加する通信オーバーヘッド、特に大規模ネットワークにおける課題に対処すること。
• EVの充電・放電中において、非平衡な配電グリッドで電圧を安全な範囲（±5%）に維持すること。
• 最適な充電スケジューリングにより、EV利用者の時間別料金コストを最小限に抑えること。
• 解の正確性や収束性を損なわず、ピアツーピア通信コストを削減すること。
• 通信遮断付きADMMアルゴリズムの理論的収束性を証明すること。

提案手法

• 参考文献[17]のADMMベースのEV調整フレームワークを拡張し、インバーターに基づく無効電力制御を組み込んで、電圧制御を向上させる。
• 双対変数の変化がしきい値未満の場合にEVがブロードキャストをスキップできる通信遮断メカニズムを導入し、不要な送信を削減する。
• 参考文献[21]の通信遮断付きADMMフレームワークをEV充電問題に適用し、遮断があっても最適解への収束を保証する。
• 中央集権的EV（放電を含む）充電問題を、一貫性制約と双対分解に適合する形に再定式化する。
• 各EVが隣接するノードとのみ通信するピアツーピア通信モデルを採用し、双対変数の変化に基づく動的遮断ルールを実装する。
• リャプノフ安定性と部分勾配法を用いた収束証明を採用し、通信が減少してもCC-ADMMが最適解に収束することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信遮断をADMMベースのEV充電調整に適用しても、解の品質や収束性が劣化しないか？
• RQ2 分散型EV充電において、通信オーバーヘッドをどの程度削減できるか、電圧制御とコスト最小化を維持した状態で？
• RQ3 遮断戦略は、非平衡な配電ネットワークにおける電圧プロファイルとシステム安定性にどのように影響するか？
• RQ4 CC-ADMMアルゴリズムは、通信頻度が低下しても収束保証を維持できるか？
• RQ5 異なる通信トポロジー（完全接続型対疎通型）は、CC-ADMMの性能と通信節約効果にどのように影響するか？

主な発見

• 完全接続ネットワークにおいて、CC-ADMMはベンチマークADMMアルゴリズムと比較してピアツーピア通信量を79%（21%に）削減した。
• 1EVあたり70人の隣接ノードを持つ疎通ネットワークでは、CC-ADMMはベンチマークの通信量の17%まで削減した。
• ベンチマークとCC-ADMMの両方の解が、定格電圧の±5%の範囲内で電圧を維持しており、安全な運用を確保した。
• CC-ADMMの下では電圧プロファイルがより平坦で、1 p.u.に近づいており、電圧制御の向上を示している。
• 遮断は初期イテレーションで最も活発で、双対変数の変化が顕著に現れた場合にのみ通信が増加した。
• 理論的分析により、通信が減少してもCC-ADMMがEV（放電を含む）充電問題の最適解に収束することが確認された。