設想如果智能電動汽車可以在街道上持續行駛而不用擔心電池耗盡。又或者，在炎熱的夏天空調需要很大耗電量的時候，電力公司可以快速地平衡供求，將電力調度支配，以便有效地提供給千家萬戶。前者是利用移動電池，後者是依賴智慧能源系統。可不可以把這兩者的優點結合起來呢？上述優點可以通過智能電網的技術來實現。在智能電網技術中，一個關鍵的挑戰就是控制和優化智能電網網絡。我們可以想見，一個包含數以百萬架電動汽車的分布式能源互連系統會對電力供求雙方、電壓和電源頻率，引入快速的、大規模的以及隨機的波動。這樣的網絡部署相比於目前的電網設置引入了更加強大的負載需求和高度可變的（時間和空間）運行條件。那麼通過使用能量存儲裝置，我們應當如何優化和控制電力潮流，以取得最大效率和最小能量消耗成本呢？



本項目致力於解決一些根本的挑戰，從而實現智能電網的願景。首先，電力潮流的物理性質使優化電力潮流問題極難解決（由於電力潮流非線性、非凸特性）。其次，電力潮流很難預測，因為網絡需要適應用戶（包括電動汽車），而非用戶適應網絡。我們使用精密的數學分析，在採用分布式方法克服非線性的瓶頸方面作出重要貢獻。換句話說，我們採用“凸函數化”和“分解”原非凸問題的方法，來找到確切的全局解決辦法。這涉及棘手的數學問題。眾所周知，凸鬆弛方法不能確保為原問題找出全局解決辦法。我們利用微分拓樸和凸鬆弛的數學技術大有可為，因為這種技術可以保證得到全局解決辦法，同時可以用來開發更快的分布式控制算法。

分布式能量存儲算法

除了解決非凸性的難題，我們的方法也強調網絡連通性對於能量存儲與電動汽車充電的重要性。我們發現聯合優化能量存儲和電力潮流具有顯著的好處。能源的產生和消耗可以動態地引起隨時間推移的新的均衡工作點。位於負載總線處的能量存儲裝置能夠對網絡負載重新平衡時產生的瞬態變化作出緩沖。當電價較低時，能量能夠被存儲在電池內；另一方面，當電價較高時，用戶可以先使用存儲在本地電池內的能量，然後才使用電網直接供給的能量，從而降低能量開支。插電式電動汽車中裝備的能量存儲電池扮演著越來越重要的雙重角色：一方面是一類需要管理的新負載需求，同時又是一種新的能量存儲資源（當能量由電動車流向電網時）用於穩定系統中的總負荷。通過我們的智能電網分布式控制算法和運行於無線通信網絡中的移動計算軟件，可以達到這種雙重作用。該研究創新在這個項目中有重要的科學價值，並已在頂尖期刊出版物發表（IEEE Transactions on Power Systems, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,及IEEE Journal on Selected Areas in Communications）.

這項聯合電力潮流和充電動態控制及優化的研究促成了世界各地的各種合作。我們與加州理工學院和一個加州的電力公司一起研究電力潮流優化和分布式控制算法，如何可以在美國卡特琳娜島上的微電網上進行實驗。由於社會對可持續能源的依賴將繼續大幅增長，該項目在應用上的影響力甚至會比現代電力智能電網更大。

陳志為博士與美國國家工程學院院長丹尼爾·莫特於二零一五年中美工程前沿研討會

陳志為博士
香港城市大學
電腦科學系
cheewtan@cityu.edu.hk