[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种用于不平衡配电网中去中心化电动汽车（EV）充电的通信删减交替方向乘子法（CC-ADMM），通过最多减少80%的点对点通信，在保持电压调节和最小化分时电价成本的同时，实现了通信效率的显著提升。该方法结合无功功率控制与通信删减机制，在稀疏通信模式下仍能保持收敛性和解的准确性。

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.

研究动机与目标

• 为解决基于ADMM的分布式电动汽车充电协调中日益增长的通信开销，特别是在大规模网络中的问题。
• 在电动汽车充电和放电过程中，确保不平衡配电网中的电压调节维持在安全范围（±5%）内。
• 通过最优充电调度最小化分时电价下的能源成本。
• 在不牺牲解的准确性或收敛性的情况下，减少点对点通信成本。
• 证明通信删减ADMM算法理论上的收敛性，可收敛至最优解。

提出的方法

• 在文献[17]的基于ADMM的电动汽车协调框架基础上，引入基于逆变器的无功功率控制，以改善电压调节性能。
• 提出一种通信删减机制，允许电动汽车在对偶变量变化低于阈值时跳过广播，从而减少冗余传输。
• 将文献[21]中的通信删减ADMM框架应用于电动汽车充电问题，确保在删减条件下仍能收敛至最优解。
• 将集中式的电动汽车（放）充电问题重新表述为适用于ADMM的形式，引入一致性约束和对偶分解。
• 采用点对点通信模型，每个电动汽车仅与邻居通信，并基于对偶变量变化实现动态删减规则。
• 采用基于李雅普诺夫稳定性与次梯度方法的收敛性证明，表明尽管通信减少，CC-ADMM仍能收敛至最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 通信删减能否应用于基于ADMM的电动汽车充电协调，而不会降低解的质量或收敛性？
• RQ2 在去中心化电动汽车充电中，通信开销可被减少到何种程度，同时仍能维持电压调节和成本最小化？
• RQ3 删减策略对不平衡配电网中的电压分布和系统稳定性有何影响？
• RQ4 CC-ADMM算法在通信频率降低的情况下是否仍能保持收敛性保证？
• RQ5 不同的通信拓扑结构（全连接与稀疏）如何影响CC-ADMM方法的性能和通信节省效果？

主要发现

• 在全连接网络中，CC-ADMM相比基准ADMM算法将点对点通信量减少了79%（降至21%）。
• 在稀疏通信网络中（每辆电动汽车平均70个邻居），CC-ADMM将通信量减少至基准水平的17%。
• 基准算法与CC-ADMM的解均将电压维持在额定电压的±5%范围内，确保了安全运行。
• CC-ADMM下的电压分布更平坦，且更接近1 p.u.，表明电压调节性能得到改善。
• 删减机制在早期迭代中最为活跃，仅当对偶变量发生显著变化时通信才增加。
• 理论分析证实，尽管通信减少，CC-ADMM仍能收敛至电动汽车（放）充电问题的最优解。