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原文传递城市配电网与交通网协同运行机理及优化调度策略研究

论文题名：	城市配电网与交通网协同运行机理及优化调度策略研究
关键词：	电动汽车;配电网;动态交通流分配;动态最优潮流
摘要：	电力是支撑经济发展的能源核心，交通是拓展生存空间的城市命脉，电力与交通成为承载人类文明不可或缺的两大基石。在“碳达峰、碳中和”目标和能源-交通一体化发展的战略导向下，电动汽车在交通道路中的渗透率大幅增长，配电网中充电负荷所占比例也持续提升，城市配电网与交通网之间的联系日益紧密。此外，快速充电技术和5G通信技术的应用，打破了电动汽车需要在固定地点长时间充电的限制，使得通过差异化激励信号或交通拥堵信息引导电动汽车的路径选择和充电决策成为可能，进一步增强了配电网与交通网的互动潜力。　　然而，交通网上规模化电动汽车的集中充电将会对配网运行的可靠性、经济性和电能质量等方面造成负面影响;配电网故障影响电动汽车充电和出行导致交通拥堵的事故也时有发生，大规模电动汽车的无引导出行及其伴随的无序充电将同时威胁两网的安全高效运行，城市配电网与交通网之间相互联系相互制约的耦合态势愈发凸显。因此，为了解决配电网与交通网独立运行安全性和经济性难以保障的实际问题，消除高渗透率电动汽车接入对配电网和交通网造成的负面影响，并充分挖掘两网互动潜力带来的正面效益，有必要打破两网的信息壁垒，实现城市配电网与交通网的协同运行。在此背景下，本文着重研究城市配电网与交通网协同运行机理及调度策略，取得了以下4个方面的创新成果: 　　(1)揭示了城市配电网与交通网的协同运行机理。计及路、网、车、站等多元参与主体，设计了包含终端层、传感层、平台层、系统层的城市配电网与交通网协同运行架构;在交通网侧，建立了含电动汽车的静态用户均衡模型及其变分不等式描述，在配电网侧，建立了含快速充电站的静态最优潮流模型及其变分不等式描述;在此基础上，建立了城市配电网与交通网协同运行模型及两网均衡状态的变分不等式描述，并证明了配电-交通耦合网络均衡解的存在性和唯一性，从数学上阐释了城市配电网与交通网的协同运行机理。　　(2)构建了城市配电网与交通网协同运行动态均衡模型及分解协调算法。计及时变的交通需求及电动汽车交通流在时空网络上的动态演进过程，基于动态最优潮流分布与离散动态交通流分配，以两网的社会总成本最小为目标，构建了城市配电网与交通网协同运行动态均衡模型;考虑到所提模型的复杂性以及两网之间的通信压力和信息保密需求，提出了城市配电网与交通网分解协调原则，设计了两网动态均衡模型的分解协调框架，并提出了基于该框架的串行交替方向乘子法(AlternatingDirectionofMultipliersMethod，ADMM);最后，在Nguyen-Dupius配电-交通耦合网络上验证了所提模型和算法的有效性以及配电-交通耦合网络均衡状态的存在性。　　(3)提出了基于动态潮汐车道控制的城市配电网与交通网协同优化调度策略。针对基于动态潮汐车道控制的调度策略，设计了城市配电网与交通网协同优化调度框架;考虑动态潮汐车道控制导致的路段通行容量变化，构建了基于动态潮汐车道控制的两网协同优化调度模型;此外，考虑两网并行迭代方式提出了基于近似项修正的并行ADMM分布式算法;最后，基于SiouxFalls配电-交通耦合网络分析了动态潮汐车道控制对交通流和潮流分布的影响，验证了动态潮汐车道控制策略的有效性和优越性。　　(4)提出了基于氢燃料电池电动汽车(HydrogenFuelCellElectricVehicle，HFCEV)加氢服务费的城市配电网与交通网协同优化调度策略。设计了基于HFCEV加氢服务费的协同优化调度框架;在交通网侧考虑O-D交通需求的不确定性以及加氢站的动态制氢加氢过程，在配电网侧考虑可再生分布式电源出力的不确定性以及加氢站所在节点的碳排放强度，以交通出行成本、配网运行成本及两网环境成本之和最小为目标，构建了基于HFCEV加氢服务费的城市配电网与交通网协同优化调度模型，并根据分解协调框架对所提模型进行解耦继而采用串行ADMM算法求解;最后，在SiouxFalls配电-交通耦合网络上进行算例分析，结果表明基于加氢服务费的协同优化调度有助于促进可再生能源消纳、降低两网碳排放，可以有效缓解交通拥堵并提升配网节点电压运行水平。　　本文围绕“机理分析、模型构建、策略应用”这一主线开展城市配电网与交通网协同运行理论体系研究。研究成果表明协同运行模式及优化调度策略有助于改善交通流和潮流分布，提升配电-交通耦合网络运行效率、降低两网总体碳排放并促进可再生能源消纳，可为高渗透率电动汽车接入下城市配电网与交通网的清洁、安全、高效运行提供技术支撑。
作者：	孙广增
专业：	电气工程
导师：	李庚银
授予学位：	博士
授予学位单位：	华北电力大学(北京)
学位年度：	2022