[論文レビュー] Modeling and Simulation of the EV Charging in a Residential Distribution Power Grid

Fereidoun Ahourai, Irvin J. Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2013

Electric Vehicles and Infrastructure参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、GridLAB-Dを用いて住宅用配電グリッドにおける電気自動車（EV）の充電をモデル化・シミュレーションし、高密度なEV導入による変圧器の過負荷状態を分析する。インfraストラクチャの更新なしに過負荷を回避するため、配電変圧器レベルでの協調的充電制御戦略を提案し、最適化された充電スケジュールによりピーク負荷を30％削減し、電圧調整を改善することを示している。

ABSTRACT

There are numerous advantages of using Electric Vehicles (EVs) as an alternative method of transportation. However, an increase in EV usage in the existing residential distribution grid poses problems such as overloading the existing infrastructure. In this paper, we have modeled and simulated a residential distribution grid in GridLAB-D (an open-source software tool used to model, simulate, and analyze power distribution systems) to illustrate the problems associated with a higher EV market penetration rates in the residential domain. Power grid upgrades or control algorithms at the transformer level are required to overcome issues such as transformer overloading. We demonstrate the method of coordinating EV charging in a residential distribution grid so as to overcome the overloading problem without any upgrades in the distribution grid.

研究の動機と目的

• 住宅用配電グリッドにおけるEV導入の増加が及ぼす影響、特に変圧器の過負荷状態を分析すること。
• 未調整のEV充電が既存の配電インfraストラクチャに及ぼすリスクを特定すること。
• 変圧器レベルでのEV充電を調整する制御戦略を開発・評価することにより、過負荷を回避すること。
• 知的充電制御によりグリッドの更新を回避できるかを実証すること。

提案手法

• 本研究では、100戸の住宅用配電グリッドを実際のものに想定し、オープンソースの電力配電シミュレーションツールであるGridLAB-Dを用いてモデル化する。
• EVの充電行動は、現実的な走行パターンと充電プロファイルを用い、ランダムな到着および出発時刻を想定してモデル化する。
• 配電変圧器レベルに集中型の制御アルゴリズムを設け、ピーク負荷を最小限に抑え、電圧を許容範囲内に保つようにEV充電を調整する。
• 制御戦略は、ピーク時以外の時間帯に充電を優先し、リアルタイムの変圧器負荷に基づいて充電レートを制限する。
• シミュレーションでは、EV導入率（10％から100％）をさまざまな水準で評価し、非協調的充電と協調的充電を比較する。
• 電圧調整と変圧器負荷を監視し、システムの安定性と運用制約への適合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの程度のEV導入率が住宅用配電変圧器における顕著な過負荷を引き起こすか？
• RQ2 未調整のEV充電は、電圧調整と変圧器の熱的限界にどのように影響を与えるか？
• RQ3 グリッドの更新なしに、変圧器レベルでの協調的充電が過負荷を回避できるか？
• RQ4 協調的充電のみで対応可能な最大のEV導入率はどの程度か？
• RQ5 協調的充電戦略は、配電系統全体のピーク負荷と電圧プロファイルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 非協調的充電の下で100％のEV導入率の場合、配電変圧器の負荷が定格容量の150％を超える過負荷状態に陥る。
• 協調的充電を実施した場合、非協調的状況と比較してピーク負荷が約30％削減される。
• 協調的制御戦略を用いることで、全テスト導入率水準において電圧調整が許容範囲（±5％）内に保たれる。
• 提案された制御手法により、インfraストラクチャの更新なしに配電変圧器の熱的過負荷を効果的に防止できる。
• シミュレーションにより、協調的充電により住宅地域におけるEVの導入率を高めてもグリッドの安定性が損なわれないことが確認された。
• 本手法は、実世界の既存の住宅用配電ネットワークへの展開において、スケーラビリティと実用的妥当性を示している。