SUPERVISOR
Mohamadamin Latifi,Mohamad-Esmail Hamedani-Golshan
محمدامین لطیفی (استاد راهنما) محمداسماعیل همدانی گلشن (استاد مشاور)
STUDENT
Sayed vahid Saleh
سیدوحید صالح
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Electric Vehicles Charging Management for Imbalance Compensation of Secondary Distribution Networks in the Presence of Harmonic Pollutions
Preventing more environmental issues and relieving reliance on fossil fuels motivate the governments and policy-makers to encourage people to use more efficient and qualified electric vehicles (EVs), in comparison with conventional vehicles. As all or portion of EVs energy is supplied from secondary distribution system, uncontrolled and simultaneous charging of them would cause serious operational issues for secondary distribution systems. Some of the common issues in the secondary distribution system operation are the power, current and voltage imbalances. Increased losses, increased current in neutral wires and shift in neutral point are the results of the imbalance issue. This issue can be exacerbated by uncontrolled EVs charging. This challenge could change to a bottleneck in penetrating EVs into the distribution system and should be resolved. Therefore, an EVs charging coordination framework is required. Another common issue in secondary distribution system operation is the harmonic pollution. Although from the power quality point of view, the two mentioned issues are treated differently, resolving imbalance challenge cannot be achieved without considering harmonic pollution; since these two issues have the same impacts on losses, current in neutral wires and shift in neutral point. Therefore, the EVs charging coordination framework should be designed in such a way that the imbalance and harmonic issues are jointly addressed in. Interface between EV battery and secondary distribution system is battery charger that is a power electronic-based device. These devices can easily control active and reactive power flow of the charger as well as harmonics of injected current. In this research we consider single-phase and three-phase charging systems, simultaneously, equipped with mentioned control capabilities. Moreover, we assume that power transfer between phases in the three-phase charging systems are possible. To communicate with EV charging systems, we consider that a smart communication infrastructure is provided by the distribution system operator. Based on this assumptions, EVs charging coordination problem is modeled as an optimization problem with voltage imbalances and harmonic pollution minimization as the joint objective function. The model constraints consist of harmonic power flow equations, EVs constraints and distribution system operational constraints. In order to reduce solving time and achieve global optimum, nonlinear terms are linearized using some linearization techniques. Therefore, the optimization model is recast as a linear optimization problem. The proposed model is implemented in a 39-bus test system and the numerical results are provided and analyzed. As, in practice some of the input parameters are stochastic, the proposed deterministic optimization model is developed to a stochastic optimization model. Residential load profile, arrival and departure time of EVs, and the battery state of charge when the EVs are plugged into the distribution system are stochastic parameters that are considered. The proposed stochastic optimization model is implemented in the 39-bus test system and the numerical results are provided and analyzed. The numerical results show the efficiency and efficacy of the proposed models in improving the operational conditions of secondary distribution networks. Keywords: Electric vehicles, Charging coordination, Secondry distribution system, Imbalance, Harmonic pollution.
انگیزه سیاستگذاران و دولتهای مختلف برای گسترش استفاده از خودروهای الکتریکی شامل جلوگیری از تولید آلودگی، استقلال از مصرف سوخت فسیلی و بهرهمندی از بازده و کیفیت بالاتر این خودروها در مقابل خودروهای معمولی است. با توجه به اینکه تمام یا قسمتی از انرژی مصرفی خودروهای الکتریکی از شبکه توزیع ثانویه تأمین میشود، به علت توان نسبتاً بالای شارژرها و همچنین پدیده همزمانی فرایند شارژ آنها، شارژ کنترلنشده مشکلاتی جدی را برای بهرهبرداری شبکه توزیع ثانویه ایجاد میکند. عدم تعادل در کمیتهای بهرهبرداری شبکه (ولتاژ، جریان، توان) جزء ویژگیهای ذاتی شبکه توزیع ثانویه است. وجود عدم تعادل در کمیتهای بهرهبرداری مشکلاتی مانند افزایش تلفات، افزایش جریان سیم نوترال و شیفت نقطه نوترال را ایجاد میکند. شارژ کنترلنشده خودروهای الکتریکی میتواند این مشکل را تشدید کند. این موضوع میتواند مانعی در سر راه گسترش خودروهای الکتریکی باشد که برای گسترش نفوذ این خودروها باید برطرف شود. این امر میتواند به وسیله طراحی چارچوبی برای هماهنگی شارژ خودروهای الکتریکی محقق شود. پدیده شایع دیگر در شبکه توزیع ثانویه آلودگی هارمونیکی است. اگرچه از دید کیفیت توان دو شاخص عدم تعادل و آلودگی هارمونیکی کاملاً مجزا هستند؛ اما در عمل به علت آثار مشابه آنها در افزایش تلفات، افزایش جریان سیم نوترال و جابجایی نقطه نوترال، توجه به شاخص عدم تعادل بدون در نظر گرفتن شاخص آلودگی هارمونیکی باعث نیل به هدف نهایی یعنی کاهش آثار زیانبار عدم تعادل نمیشود. بنابراین لازم است چارچوبی برای هماهنگی شارژ خودورهای الکتریکی ارائه شود که هر دو شاخص را به صورت همزمان در نظر بگیرد. در سیستم شارژ باتری خودروهای الکتریکی، از ادوات الکترونیک قدرت به عنوان واسط استفاده میشود. این ادوات به راحتی قابلیت کنترل توان اکتیو و راکتیو مصرفی شارژر و همچنین تزریق جریان هارمونیکی کنترل شده را دارا هستند. در این تحقیق دو نوع سیستم شارژ تکفاز و سهفاز با قابلیتهای فوق برای شارژ خودروهای الکتریکی در نظر گرفته میشود که در سیستم شارژ سهفاز، امکان جابجایی توان بین فازهای مختلف نیز وجود دارد. فرض میکنیم بستر اطلاعاتی و ارتباطی هوشمند در شبکه توزیع ثانویه مستقر است که تبادل اطلاعات بهرهبردار شبکه توزیع با سیستم شارژ خودروهای الکتریکی را فراهم میکند. بر این اساس، مدلسازی مسأله مدیریت شارژ خودروهای الکتریکی به صورت یک مسأله بهینهسازی با هدف کاهش عدم تعادل و آلودگی هارمونیکی شبکه انجام میشود. قیدهای مدل شامل روابط پخش توان هارمونیکی، قیدهای خودروهای الکتریکی و محدودیتهای بهرهبرداری شبکه است. به منظور تسریع در زمان حل مسأله و همچنین دستیابی به جواب بهینه سراسری، جملههای غیرخطی در مدل به وسیله تکنیکهای خطیسازی، خطی شده و مدل نهایی به صورت یک مدل بهینهسازی خطی ارائه میشود. مدل پیشنهادی بر روی یک شبکه تست 39 باسه پیادهسازی شده و نتایج آن تحلیل میشود. در ادامه به علت وجود دادههای غیر قطعی در عمل، مدل ارائهشده به یک مدل بهینهسازی تصادفی ارتقاء داده میشود. پارامترهای تصادفی مدل شامل پروفیل بار مشترکین، زمان ورود و خروج خودروهای الکتریکی، و انرژی اولیه باتری هنگام اتصال خودروی الکتریکی به شبکه توزیع است. مدل بهینهسازی تصادفی ارائه شده بر روی شبکه تست 39 باسه اعمال شده و نتایج عددی ارائه میشود. نتایج عددی به دستآمده بیانگر توانمندی و کارایی مدل پیشنهادی در بهبود شرایط بهرهبرداری شبکه توزیع ثانویه هستند. کلمات کلیدی: خودروهای الکتریکی، مدیریت شارژ، شبکه توزیع ثانویه، عدم تعادل، آلودگی هارمونیکی.