[논문 리뷰] Electric Vehicle Charging Station Placement Method for Urban Areas

Qiushi Cui, Yang Weng외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 29.

Electric Vehicles and Infrastructure참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 도심 지역의 전기자동차(EV) 충전소 최적 배치를 위한 볼록화된 혼합정수선형계획모델을 제안한다. 이 모델은 전압 조절 및 보호 장치 개선 비용을 통합하여, 문제의 볼록성을 유지함으로써 전역 최적성을 보장한다. 이 방법은 보호 장치 개선 비용이 총 계획 비용의 최대 8.6%까지 차지할 수 있음을 드러내며, 이는 도심 배전망 계획에서 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

For accommodating more electric vehicles (EVs) to battle against fossil fuel emission, the problem of charging station placement is inevitable and could be costly if done improperly. Some researches consider a general setup, using conditions such as driving ranges for planning. However, most of the EV growths in the next decades will happen in the urban area, where driving ranges is not the biggest concern. For such a need, we consider several practical aspects of urban systems, such as voltage regulation cost and protection device upgrade resulting from the large integration of EVs. Notably, our diversified objective can reveal the trade-off between different factors in different cities worldwide. To understand the global optimum of large-scale analysis, we add constraint one-by-one to see how to preserve the problem convexity. Our sensitivity analysis before and after convexification shows that our approach is not only universally applicable but also has a small approximation error for prioritizing the most urgent constraint in a specific setup. Finally, numerical results demonstrate the trade-off, the relationship between different factors and the global objective, and the small approximation error. A unique observation in this study shows the importance of incorporating the protection device upgrade in urban system planning on charging stations.

연구 동기 및 목표

• 도심 지역에서는 주행 거리가 고속도로 주행과 비교해 제약이 덜한 만큼, 효율적인 EV 충전 인프라의 필요성을 해결하기 위해.
• 이전에 간과되었던 비용—특히 보호 장치 개선 비용과 전압 조절 비용—을 EV 충전소 설치 최적화에 통합하기 위해.
• 전역 최적성을 보장하면서도 핵심 시스템 제약 조건에 민감한 볼록 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 도심 배전망에 대한 감도 분석과 수치적 분석을 통해 방법의 강건성과 적용 가능성을 종합적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 연구는 분포망 확장, EV 충전소, 전압 조절, 보호 장치 개선 비용을 통합한 목적 함수를 포함하는 혼합정수선형계획(MILP) 문제를 수립한다.
• 고장 전류 수준과 장치 유형에 기반한 단계 함수 모델링을 통해 보호 장치 비용을 정확하게 표현할 수 있도록 한다.
• 비볼록 제약 조건에 대해 순차적 볼록화 기법을 적용하여 문제의 민감도를 유지하고, 볼록화 기법을 통해 전역 최적성을 보장한다.
• AC 전력 흐름 방정식은 ZIP 부하 모델과 노드 어드미ittance 행렬 수식을 사용하여 선형화하여 전력 흐름 제약 조건의 해석 가능성을 확보한다.
• 문제의 강건성과 다양한 도심 배전망 구성에 대한 적용 가능성을 검증하기 위해 볼록화 이전 및 이후에 감도 분석을 수행한다.
• 이 방법은 다양한 EV 유량과 충전소 용량 제약 조건 하에서 18-bus, 115-bus, 123-bus 배전 시스템에 적용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보통 장치 개선 비용은 도심 배전망 내에서 EV 충전소의 최적 배치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전압 조절 및 보호 장치 비용을 포함할 경우, 이를 무시하는 모델과 비교해 최적의 충전소 구성이 얼마나 달라지는가?
• RQ3 제안된 볼록화 전략은 전역 최적성을 보장하면서도 최적화 문제의 민감도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 실제 도심 배전망에서 보호 장치 개선 비용은 총 계획 비용에 어떤 정량적 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 방법은 다양한 도심 네트워크 크기와 구성에 대해 얼마나 스케일러블하고 이식 가능한가?

주요 결과

• 보통 장치 개선 비용은 도심 배전망에서 총 계획 비용의 최대 8.6%까지 차지할 수 있어, EV 인프라 계획에서 무시할 수 없는 요소이다.
• 제안된 볼록화 방법은 문제의 민감도를 유지하면서도 전역 최적성을 보장하며, 수치 평가에서 최소한의 근사 오차를 기록한다.
• 전압 조절 비용은 충전소를 배전 피더의 끝부분에 설치하는 것을 선호하는 반면, 보호 장치 비용은 고장 전류 수준을 낮추기 위해 주 피더 라인에 설치하는 것을 선호한다.
• 115-bus 시스템에서 시간당 1,500台의 EV와 30%의 충전소 이용률 조건 하에, 총 비용 1,860만 달러에 39개의 충전소가 최적 배치되었으며, 이 중 보호 장치 비용은 총 비용의 8.6%를 차지했다.
• 이 방법은 강력한 스케일러비리티와 적응 가능성을 보이며, 18-bus, 115-bus, 123-bus 시스템을 포함한 다양한 도심 네트워크 크기에서 효과적으로 작동한다.
• 볼록성 유지 덕분에 계산 시간이 크게 감소하여, 대규모 배포에 있어 최적화 프레임워크의 효율적 적용이 가능해졌다.