بهینه‌سازی چند‌هدفی استهلاک ترانسفورماتور توزیع و سود مصرف‌کننده با در نظر گرفتن خودروهای برقی

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقاله 9، دوره 15، شماره 58، شهریور 1403، صفحه 121-142   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

حمیدرضا علافیه؛ حسین محمدنژاد شورکائی^* ؛ سودابه سلیمانی مورچه خورتی

دانشکده‌ مکانیک، برق و کامپیوتر- واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده

ظهور خودروهای برقی منجر به افزایش توان انتقال یافته از طریق شبکه­های توزیع برق شده است. استفاده از این خودروها با میزان نفوذ بالا، تاثیرات زیان­باری بر دارایی­های شبکه­ توزیع خواهد داشت. یکی از مهم­ترین تاثیرات منفی، کاهش عمر سریع­تر در تجهیزات شبکه از جمله ترانسفورماتورهای توزیع است. این مقاله در راستای حفظ عمر ترانسفوراتور، یک استراتژی مدیریت شارژ و دشارژ متمرکز را معرفی می­کند. این استراتژی از طریق اپراتور سیستم توزیع و یا نهاد تجمیع­کننده­ مستقل، اجرا می­شود. مدل متمرکز در این مطالعه، کاهش عمر ترانسفورماتور و سود حاصل از مدیریت شارژ و دشارژ خودروهای برقی را به­صورت همزمان بهینه­سازی می­کند. این استراتژی در ازای کاهش مختصر از سود خرید و فروش انرژی (معامله­گری) مصرف­کننده­ها، عمر ترانسفورماتور را حفظ می­کند و سود کاهش یافته مصرف­کننده­­ها نیز توسط نهاد تجمیع­کننده جبران می­شود. مدل متمرکز در مقابل مدل غیرمتمرکز قرار می­گیرد. در مدل غیرمتمرکز مصرف­کننده­ها شارژ خودروهای برقی خود را بدون در نظر گرفتن آسیب­های وارد به ترانسفورماتور و صرفا برای سود خود بهینه­سازی می­کنند. در این مطالعه، هر دو مدل متمرکز و غیرمتمرکز در یک شبکه­ کوچک محلی با تعداد 6 خودروی برقی پیاده­سازی شده که خودروها متصل به یک ترانسفورماتور محلی هستند. مدل­های متمرکز و غیرمتمرکز با استفاده از نرم­افزار گمز (GAMS) اجرا و حل می­شوند. با مقایسه نتایج به­دست­ آمده در استراتژی­های متمرکز و غیرمتمرکز، مزایای استفاده از مدل متمرکز معرفی­ شده در متعادل­سازی دارایی­های شبکه­ دیده می­شود.

کلیدواژه‌ها

استراتژی متمرکز؛ استراتژی غیرمتمرکز؛ ترانسفورماتور؛ خودروهای برقی؛ سود مصرف‌کننده؛ معامله‌گری؛ نهاد تجمیع‌کننده

مراجع

[1] S. Gaikwad, H. Mehta, “Investigation of effects of increasing EV penetration on distribution transformers in modi ganpati area, Pune”, Peoceeding of the IEEE/EPEC, pp. 1-5, Edmonton, AB, Canada, Nov. 2020 (doi: 10.1109/EPEC48502.2020.9319915).

[2] A. Kriukov, M. Gavrilaş, O. Ivanov, G. Grigoraş, B,C. Neag, F. Scarlatache, “Novel decentralized voltage-centered EV charging control algorithm using DSRC system in low voltage distribution networks”, IEEE Access, vol. 9, pp. 164770-164800, Dec. 2021 (doi: 10.1109/ACCESS.2021.3132419).

[3] H. Cheng, H. Chen, Q. Wang, “An integrated drive power converter topology for plug-in hybrid electric vehicle with G2V, V2G and V2H functions”, Proceeding of the IEEE/ICEMS, pp. 1-6, Harbin, China, Aug. 2019 (doi: 10.1109/ICEMS.2019.8921828).

[4] V. Zdraveski, P. Krstevski, J. Vuletic, J. Angelov, A.K. Mateska, M. Todorovski, “Analyzing the impact of battery electric vehicles on distribution networks using nondeterministic model”, Proceeding of the IEEE/EUROCON, pp. 1-7, Novi Sad, Serbia, July 2019 (doi: 10.1109/EUROCON.2019.8861984).

[5] Y. Liu, X. Li, Y. Liang, S. Zeng, M. Li, “Assessment of impacts on integration of disorderly EV charging load to flexible distribution network”, Proceeding of the IEEE/CPEEE, pp. 139-142, Shiga, Japan, Feb. 2021 (doi: 10.1109/CPEEE51686.2021.9383357).

[6] M. Bunn, B.C. Seet, C. Baguley, D. Martin, “A thermally-based dynamic approach to the load management of distribution transformers”, IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 37, no. 6, pp. 5124–5132, Dec. 2022 (doi: 10.1109/TPWRD.2022.3171204).

[7] A. Abaspahic, M. Saric, J. Hivziefendic, T. Konjic, “Impact of complementary integration of electric vehicle charging stations and photovoltaics on voltage quality and voltage stability”, Proceeding of the IEEE/IN­FO­T­EH, pp. 1-6, East Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, Mar. 2021 (doi: 10.1109/INFOTEH510­37.20­21.94­00­695).

[8] K. Prakash, M. Ali, M.R. Islam, H. Mo, D. Dong, H. Pota, “Optimal coordination of photovoltaics and electric vehicles for ancillary services in low voltage distribution networks”, Proceeding of the IEEE/ICE­MS, pp. 1-6, Gyeongju, Korea, Nov. 2021 (doi: 10.23919/ICEMS52562.2021.9634429).

[9] J.E. Cardona, J.C. López, M.J. Rider, “Decentralized electric vehicles charging coordination using only local voltage magnitude measurements”, Electric Power System Research, vol. 161, pp. 139-151, Aug. 2018 (doi: 10.10­16/j.epsr.2018.04.003). 

[10] J.M. Sexauer, K.D. McBee, K.A. Bloch, “Applications of probability model to analyze the effects of electric vehicle chargers on distribution transformers”, IEEE Trans. on Power System, vol. 28, no. 2, pp. 847–854, May. 2013 (doi: 10.1109/EPEC.2011.6070213).

[11] H. Turker, S. Bacha, D. Chatroux, A. Hably, “Low-voltage transformer loss-of-life assessments for a high penetration of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs)”, IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 27, no. 3, pp. 1323–1331, July 2012 (doi: 10.1109/TPWRD.2012.2193423).

[12] A.D. Hilshey, P.D.H. Hines, P. Rezaei, J.R. Dowds, “Estimating the impact of electric vehicle smart charging on distribution transformer aging”, IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 4, no. 2, pp. 905–913, June 2013 (doi: 10.1109/TSG.2012.2217385).

[13] H. Turker, S. Bacha, A. Hably, “Rule-based charging of plugin electric vehicles (PEVs): Impacts on the aging rate of low-voltage transformers”, IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 29, no. 3, pp. 1012–1019, June 2014 (doi: 10.1109/TPWRD.2013.2292066).

[14] D. Kothona, A.S. Bouhouras, I. Skalidi, P. Gkaidatzis, N. Poulakis, G.C. Christoforidis, “EV flexibility contribution to distribution network operation”, Proceeding of the IET/MEDPOWER, pp. 348-353, Online Conference, Nov. 2020 (doi: 10.1049/icp.2021.1258).

[15] O. Sundstrom, C. Binding, “Flexible charging optimization for electric vehicles considering distribution grid constraints”, IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 3, no. 1, pp. 26–37, Mar. 2012 (doi: 10.1109/TSG.2­011.21­68431).

[16] H. Faria, H. Voos, “Heuristic procedure for the centralized control of EV charging in LV networks”, IEEE Latin America Trans., vol. 17, no. 3, pp. 453–461, Mar. 2019 (doi: 10.1109/TLA.2019.8863316).

[17] T. Rahman, Y. Xu, Z. Qu, “Continuous-domain real-time distributed ADMM algorithm for aggregator ccheduling and voltage stability in distribution network”, IEEE Trans. on Automation Science and Engineering, vol. 19, no. 1, pp. 60–69, Jan. 2022 (doi: 10.1109/TASE.2021.3072932).

[18] S. Cheng, C. Gu, S. Li, J. Li, R. Wei, Y. Zhu, “EV flexibility trading in the electricity market”, Proceeding of the IET/CIRED, Porto, Portugal, pp. 89-93, June 2022 (doi: 10.1049/icp.2022.0669).

[19] R.J. Bessa, M.A. Matos, F.J. Soares, J.A.P. Lopes, “Optimized bidding of an EV aggregation agent in the electricity market”, IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 3, no. 1, pp. 443–452, Mar. 2012 (doi: 10.1109/­TSG­.201­1.2159632).

[20] Q. Gong, S. Midlam-Mohler, V. Marano, G. Rizzoni, “Distribution of PEV charging resources to balance transformer life and customer satisfaction”, Proceeding of the IEEE/IEVC, Greenville, SC, USA, pp. 1–7, Mar. 2012 (doi: 10.1109/IEVC.2012.6183201).

[21] J. Jargstorf, K. Vanthournout, T. De Rybel, and D. Van Hertem, “Effect of demand response on transformer lifetime expectation”, Proceeding of the IEEE/ISGTE, pp. 1–8, Berlin, Germany, Oct. 2012 (doi: 10.110­9/ISG­TE­­urope.2012.6465805).

[22] M. Humayun, M.Z. Degefa, A. Safdarian, M. Lehtonen, “Utilization improvement of transformers using demand response,” IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 30, no. 1, pp. 202–210, Feb. 2015 (doi: 10.1109/T­PW­RD.2014.2325610).

[23] O. Sadeghian, A. Oshnoei, B. Mohammadi-ivatloo, V. Vahidinasab, A. Anvari-Moghaddam, “A compreh­ens­ive review on electric vehicles smart charging: Solutions, strategies, technologies, and challenges”, Journal of Energy Storage, vol. 54, Article Number: 105241, Oct. 2022 (doi: 10.1016/j.est.2022.105241).

[24] H.M. Abdullah, A. Gastli, L. Ben-Brahim, “Reinforcement learning based EV charging management systems– A review”, IEEE Access, vol. 9, pp. 41506–41531, Mar. 2021 (doi: 10.1109/ACCESS.­202­1.3­06­4354).

[25] M.R. Sarker, M.A. Ortega-Vazquez, D.S. Kirschen, "Optimal coordination and scheduling of demand response via monetary incentives", IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 6, no. 3, pp. 1341–1352, May 2015 (doi: 10.1109/TSG.2014.2375067).

[26] D. Arthur, S. Vassilvitskii, “k-means++: The advantages of careful seeding”, Proceeding of the ACM-SIAM, pp. 1027-1035, New Orleans, LA, USA, Jan. 2007.

[27] K. Sun, M.R. Sarker, M. A. Ortega-Vazquez, “Statistical characterization of electric vehicle charging in different locations of the grid”, Proceeding of the IEEE/PESGM, pp. 1–5, Denver, CO, USA, July 2015 (doi: 10.1109/PESGM.2015.7285794).

[28] M. Humayun, A. Safdarian, M.Z. Degefa, M. Lehtonen, “Demand response for operational life extension and efficient capacity utilization of power transformers during contingencies”, IEEE Trans. on Power System, vol. 30, no. 4, pp. 2160–2169, July 2015 (doi: 10.1109/TPWRS.2014.2358687).

[29] P.J. Balducci, L.A. Schienbein, T.B. Nguyen, D.R. Brown, E.M. Fatherlrahman, “An examination of the costs and critical characteristics of electric utility distribution system capacity enhancement projects”, Proceeding of the IEEE/PES, pp. 78-86, Dallas, TX, USA, Oct. 2004 (doi: 10.1109/TDC.2006.1668461).

[30] H.A. Gil, G. Joos, “On the quantification of the network capacity deferral value of distributed generation”, IEEE Trans. on Power System, vol. 21, no. 4, pp. 1592–1599, Nov. 2006 (doi: 10.1109/T­PW­RS­.2006.881158).