مقاله کنترل بهینه شارژ و دشارژ خودروهای برقی در حضور عدم قطعیت با در نظرگرفتن محدودیت‌های سیستم قدرت و هزینه‌های بهره برداری

بخشی از مقاله

چکیده- امکان بهرهبرداری بهینه از خودروهای برقی - EV - در سطح شبکههای توزیع با پیشرفتهای اخیر در حوزههای شبکه هوشمند ایجاد شده است. یک سیستم هوشمندt میتواند زمان شارژینگ EV را به ساعات کم باری منتقل کند که به دنبال آن هموارتر شدن منحنی بار روزانه و به تعویق افتادن هزینههای آینده سرمایهگذاری برای تجهیزات رخ میدهد. فناوری تزریق توان از خودرو به شبکه - V2G - ، سیستم هوشمند EV را قادر میسازد تا انرژی ذخیرهشده در باتریهایشان را زمانی که سیستم قدرت بدان نیاز دارد به شبکه بازگردانده و سبب کاهش هزینه کلی سیستم شود.

در این مقاله، هدف اصلی ارائهی یک مدل ریاضی برای حداقل سازی هزینهی بهرهبرداری از شبکه هوشمند دارای زیرساخت های لازم مرتبط با EV درحضور سلولهای خورشیدی است. بدین منظور یک مسئلهی بهینهسازی خطی مقید به محدودیت های فنی و اقتصادی شبکه معرفی و نهایتاً کارآیی آن به کمک نرم افزار GAMS در شبکه 33 باس IEEE مورد تحلیل و بررسی قرار خواهد گرفت.

-1  مقدمه

در سالهای اخیر ظهور فناوریهای مختلف سبب شده چشمانداز صنعت برق در خصوص تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی تغییر یابد و به سمت هوشمندسازی شکبه حرکت کند. فناوریهایی نظیر تولیدات پراکنده انرژی، خودروهای الکتریکی - EV - از جمله عناصر حائز اهمیت در آینده هستند. هدف در شبکه هوشمند بهکارگیری بهینه و مطلوب از امکانات شبکه قدرت است که یک سیستم قدرت امنتر با بهرهوری انرژی بالاتر و اقتصادیتر به دست آید.

در یک شبکه هوشمند همه جنبههای انرژی اعم از تولید، انتقال و تحویل انرژی الکتریکی به متقاضیان مورد توجه است 1]؛.[3 به طور کلی از مزایای EV میتوان به راندمان بالای سیستم شارژ، کاهش وابستگی به منابع نفتی و کاهش گازهای گلخانهای اشاره کرد. علاوهبر این EV امکان تزریق توان از خودرو به شبکه - V2G - نیز دارند که موجب حضور فعالتر این تجهزات در شبکه برق میشود.

ایدهی V2G به ما کمک میکند تا بتوان به دید منابع ذخیره انرژی توزیع شده در شبکه به EV نگاه کرد. باتریهایی با کاربردهای متنوع و انواع مختلف با هدف فراهم سازی این امکان به بازار میآیند 4]؛.[7 برای اجرای فرآیند V2G به دو ارتباط اصلی نیازمندیم: - - 1 ارتباط دو طرفه توان بین EV و شبکه، - 2 - ارتباطات کنترلی و منطقی که به ما کمک میکند سیگنالهای فیدبک مناسب را برای برقراری توان و اینکه در کدام جهت باشد ایجاد کنیم.

کاربرد عملیات V2G به افزایش راندمان، قابلیت اطمینان و پایداری شبکه کمک میکند. همچنین EV میتواند به صورت یک منبع ذخیره انرژی در شبکه لحاظ شود. تزریق توان توسط EV در ساعات پیک مصرف میتواند قابلیت اطمینان شبکه را افزایش دهد8]؛.[10 مزایای متقابل شارژ EV با استفاده از انرژی خورشیدی در 8]و [9 ذکر شده است، مزایای پتانسیل شارژ EV حاصل از انرژی خورشیدی امکان نفوذ بیشتری در هر دو فناوری را فراهم میکند.

در [10] نشان داده شده که تأثیر منفی تولید بیش از حد برق خورشیدی با استفاده از PV در سطح ملی با بکارگیری آن برای شارژ EV کاهش یافته است. در [11] نشان داده شده که با بکارگیری یک ایستگاه شارژ خورشیدی در پارکینگ محل مورد مطالعه به تأثیر شارژ/ دشارژ مبتنی بر PV به صرفه اقتصادی اشاره دارد. در 12]و[13 برای شهر لسآنجلس آمریکا نشان داده شده که مشوق اقتصادی و کاهش میزان دی اکسید کربن بیشتر از شارژ EV با استفاده از شبکه برق است. مرجع [14] نشان داده که شارژ هوشمند همراه با V2G باعث افزایش خود مصرفی PV و کاهش تقاضای پیک شبکه میشود.

در [15] وضعیت شارژ EV با زمان تغییر کرده و در نتیجه حداکثر استفاده از PV رخ میدهد . در [16] استراتژیهای مختلف با نامهای مُد شارژ کنترل نشده و مُد شارژ کنترل شده و مُد شارژ هوشمند بیان شده است. در مد شارژ کنترل نشده، شارژ ماکزیمم بوده و هیچ کنترلی روی آن نداریم و فقط به صورت G2V - تزریق توان از شبکه به خودرو برقی - استفاده میشود.

در مد شارژ کنترل شده میتوانیم نرخ شارژ را میتوان تنظیم کرد که به صورت G2V است. در مد شارژ هوشمند علاوه بر شارژ، دشارژ EV نیز به صورت کنترل شده و قابل تنظیم است. در [17] هزینههای مربوط به ساخت و بهرهبرداری و شارژ/دشارژ با الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات کمینه شده است. در [18] نشان داده شده که با اتخاذ استراتژیهای هوشمند بهرهبرداری از EV هزینه سیستم قدرت کاهش مییابد. بعضی مدلهای ارائه شده برای مدیریت شارژ/دشارژ خودروهای برقی غیرخطی بوده که اجرای آن زمانبر است. از جمله مزایای روش پیشنهادی در این مقاله میتوان موارد زیر را بیان کرد:

·    لحاظ رفتار تصادفی ورود/ خروج خودروها و سطح شارژ آنها در لحظه رسیدن به ایستگاه

·    لحاظ رفاه مالکان خودروها در الگوریتم تنظیم شارژ/دشارژ

·    ارائه یک مدل خطی قابل پیادهسازی در اغلب نرم-افزارهای موجود با زمان اجرای اندک

-2 مدل ریاضی

1؛-2  تابع هدف

در این پژوهش هدف کمینهسازی هزینه بهرهبرداری و هزینه مشارکت EV در بازار برق و هزینه کاهش عمر باتری آنها میباشد. فرض شده که زیرساختهای لازم برای V2G نیز فراهم است. به طور کلی میتوان دو هزینه در عملیات مورد نظر تعریف کرد: هزینه خرید انرژی از شرکت برق: قیمت خرید از شبکه توزیع در ساعات مختلف متفاوت است. هزینه شارژ/دشارژ را میتوان به صورت رابطه - 1 - تعریف کرد که بخشی از تابع هدف میباشد. لازم به ذکر است به دلیل آنکه پیشامدهای شارژ/دشارژ خودروهای برقی در دو روز مختلف رخ میدهند افق مورد مطالعه را به 48 ساعت افزایش داده و سپس اطلاعات مطلوب را از این بازه استخراج شده است.

هزینه کاهش عمر باتری: فرآیند V2G عمر باتری EV را تحت تأثیر قرار میدهد. درواقع وضعیت دشارژ سبب کاهش عمر باتری میشود که خود هزینه بر است. مدلهای مختلفی برای در نظر گرفتن کاهش عمر باتری در نظر گرفته شده است. در این پژوهش از مدل ارائه شده در مرجع [18] استفاده شده است.  در تحلیل نتایج عددی دو مورد مطالعاتی متفاوت درنظر گرفته شده است: - الف - خودروهایی که قابلیت تزریق توان به شبکه را ندارند - ب - خودروهایی که قابلیت تزریق توان به شبکه را دارند. عبارت cd - i - EVN - i,t - که در تابع هدف - 4 - ملاحظه میشود، در خصوص مورد مطالعاتی - الف - برابر صفر است چون در هیچ ساعتی تزریق توان از خودرو به شبکه صورت نمیگیرد. ولی این عبارت در مورد مطالعاتی - ب - ، ممکن است مقادیر غیر صفر داشته باشد.

2؛-2  محدودیتها

توان شارژ /دشارژ EV عنوان متغیرهای حالت انتخاب میشوند. نباید توان شارژ/دشارژ EV از مقادیر تعریف شده - با توجه به ظرفیت باتری مورد استفاده در - EV بیشتر گردد. در رابطه - 5 - محدودیت شارژ و دشارژ EV با توجه به مقدار ماکسیمم توان شارژ و دشارژ - EVPi,max , EVNi,max - مدلسازی شده است. متغیر باینری ui,t تعیین کنندهی حالت شارژ/دشارژ است.

: SOCi,end شارژ نهایی باتری مورد انتظار توسط مالک EV هنگامی که توان اکتیو و راکتیو از خطی عبور کنند به دلیل مقاومت و راکتانس خط سبب افت ولتاژ خواهند شد. با توجه به شعاعی بودن سیستمتوزیع تقریباَ صفر بودن خاصیت خازنی، در باسها افزایش ولتاژ نداشته و تنها لازم است افت ولتاژ در بدترین نقاط سیستم که باسهای انتهایی هر شاخه میباشند مدل شود. اگر R و X به ترتیب مقاومت و راکتانس خط باشند افت ولتاژ به صورت رابطه - 8 - قابل مدل شدن میباشد. در این رابطه Vs بیانگر ولتاژ مبنا، P ,Q به ترتیب توان راکتیو و اکتیو عبوری از خط است. در این پژوهش از توان راکتیو EV صرف نظر شده است.

-3 نتایج شبیهسازی

1؛-3  اطلاعات ورودی

در شکل - 1 - قیمت خرید برق از شبکه و فروش انرژی V2G در ساعات مختلف مشاهده میشود. در شکلهای - 2 - و - 3 - به ترتیب زمان ورود/خروج و سطح شارژ اولیه EV ملاحظه میشود. این کمیتها به صورت تصادفی و با توزیع یکنواخت فرض شده-اند. به عبارت دقیقتر، زمان ورود و خروج خودروها از پارکینگ و همچنین سطح شارژ اولیه هر خودرو هنگام رسیدن به پارکینگ موجب عدم قطعیت در مسئله میشود که رفتار تصادفی EV به کمک نرم افزار متلب و با توزیع یکنواخت شبیه سازی شده است .[18] قابل ذکراست که شبکه مورد مطالعه در این مقاله، شبکه استاندارد شعاعی 33 باس IEEE میباشد ک در شکل - 4 - ملاحظه میگردد.