[论文解读] Modeling and Simulation of the EV Charging in a Residential Distribution Power Grid
本文使用 GridLAB-D 对住宅配电网中的电动汽车（EV）充电进行建模与仿真，分析高比例电动汽车接入导致的变压器过载问题。提出一种在配电网变压器层级的协调充电控制策略，可在不升级基础设施的前提下防止过载，通过优化充电计划实现峰值负荷降低30%并改善电压调节。
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.
研究动机与目标
- 分析电动汽车渗透率增加对住宅配电网的影响，特别是对变压器过载的影响。
- 识别非协调电动汽车充电对现有配电网基础设施带来的风险。
- 开发并评估一种在变压器层级协调电动汽车充电的控制策略，以防止过载。
- 证明通过智能充电控制可避免电网升级。
提出的方法
- 本研究使用 GridLAB-D（一款开源配电系统仿真工具）对一个包含100户家庭的真实住宅配电网进行建模。
- 电动汽车充电行为基于实际驾驶模式和充电特性进行建模，充电的到达和离开时间随机设定。
- 在配电网变压器层级部署集中式控制算法，协调电动汽车充电，以最小化峰值负荷并维持电压在可接受范围内。
- 该控制策略优先在负荷低谷时段进行充电，并根据变压器实时负载情况限制充电速率。
- 仿真评估了不同电动汽车渗透率（10%至100%）下的性能表现，并对比了非协调与协调充电的差异。
- 通过监测电压调节和变压器负载情况，评估系统稳定性及运行约束的符合程度。
实验结果
研究问题
- RQ1在何种电动汽车渗透率水平下，住宅配电网变压器会出现显著过载？
- RQ2非协调电动汽车充电对电压调节和变压器热极限有何影响？
- RQ3在变压器层级实施协调充电是否可避免过载而无需电网升级？
- RQ4在仅依靠协调充电的情况下，系统可支持的最大电动汽车渗透率是多少？
- RQ5协调充电策略对配电网馈线的峰值负荷和电压分布有何影响？
主要发现
- 在100%电动汽车渗透率且采用非协调充电的情况下，配电网变压器过载超过额定容量的150%。
- 采用协调充电后，与非协调场景相比，峰值负荷降低了约30%。
- 在采用协调控制策略时，所有测试渗透率水平下的电压调节均保持在可接受范围内（±5%）。
- 所提出的控制方法成功防止了配电网变压器的热过载，且无需进行基础设施升级。
- 仿真结果证实，通过协调充电可实现更高的电动汽车在住宅区域的接纳率，同时不损害电网稳定性。
- 该方法在实际住宅配电网中具备可扩展性和实际可行性。
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