Συμβολή στη διαχείριση των ηλεκτρικών οχημάτων για την αποδοτικότερη ενσωμάτωσή τους στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

The electrification of the transport sector requires the interconnection of the Electric Vehicles (EV) with the electricity grids utilizing appropriate charging infrastructures. The EV energy needs should be served as domestic consumption in a non-discriminatory way. The difference between EV and domestic demands lies in the fact that the charging demand is not static due to EV mobility and it presents intense spatial and temporal volatility. From the grid perspective, the EV charging demand is an additional load which can significantly modify the system load curve and affect the way electricity networks are operated and managed, in respect to the EV deployment level and the charging policy. The present PhD thesis aims to analyse the impact of EV deployment on the operation of electricity grids and to propose EV management algorithms that enables their efficient integration in the electricity grids in respect to the outcome of the grid impact analysis. The objective of an EV management is network dependent and it is directly linked to the technical and operational characteristics of the respective network under study. Thus, a holistic grid impact analysis (generation system, transmission/distribution networks, non-interconnected systems) is necessary in order to identify the potential operational market/network issues that EV share will provoke examining different EV penetration scenarios and EV deployment strategies. The two main goals of the proposed EV management algorithms in the present PhD thesis are: the maximization of the EV hosting capacity of distribution networks considering the current grid infrastructure as well as distributed renewable energy and the integrated market participation of the aggregated EV batteries’ capacity, taking into consideration the bidirectional power flow between the electric vehicles and the electricity grid. The dynamic EV behavior due to their mobility requires the development of advanced smart charging solutions aiming to serve EV charging needs balancing EV users’ preferences, network operational constraints and electricity market parameters. The implementation of decentralized management algorithms is highly volatile environments can be more efficient compared to centralized ones. Thus, the present PhD thesis focuses on the design and development of decentralized EV control algorithms. The performance of the proposed decentralized EV control algorithms is compared to the one of the respective centralized methods concluding that distributed algorithms provide results of similar quality requiring shorter computation time under high EV share.Last but not least, a standard custom-made charging station and an interoperable back-office system for charging stations network has been developed enabling the performance of compatibility tests to e-mobility standards of different commercial e-mobility technologies and the implementation of innovative EV management algorithms in laboratory or real environment.

Ο εξηλεκτρισμός του τομέα των μεταφορών απαιτεί τη διασύνδεση των ηλεκτρικών οχημάτων με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας μέσω κατάλληλων υποδομών φόρτισης. Οι ενεργειακές ανάγκες των ηλεκτρικών οχημάτων θα πρέπει να εξυπηρετούνται όπως και η οικιακή κατανάλωση, χωρίς καμία διάκριση. Η διαφορετικότητα του φορτίου των ηλεκτρικών οχημάτων συγκριτικά με το οικιακό φορτίο έγκειται στο γεγονός ότι το φορτίο των ηλεκτρικών οχημάτων δεν είναι στατικό και μπορεί να μετατοπιστεί τόσο χωρικά όσο και χρονικά. Από την πλευρά των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, η ζήτηση των ηλεκτρικών οχημάτων για τη φόρτιση τους αποτελεί ένα επιπρόσθετο φορτίο που αναμένεται να μεταβάλλει την καμπύλη φορτίου του συστήματος και να επηρεάσει τη λειτουργία και διαχείριση των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, ανάλογα με το επίπεδο ενσωμάτωσης των ηλεκτρικών οχημάτων και τον τρόπο φόρτισης τους. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της ενσωμάτωσης των ηλεκτρικών οχημάτων στη λειτουργία των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και η ανάπτυξη αλγορίθμων διαχείρισης τους για την αποδοτικότερη ένταξη τους σε αυτά. O καθορισμός του αντικειμενικού στόχου διαχείρισης των ηλεκτρικών οχημάτων είναι άμεσα συνδεδεμένος με τα τεχνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του εκάστοτε δικτύου που μελετάται. Ως εκ τούτου, είναι αναγκαία η μελέτη της επίδρασης των ηλεκτρικών οχημάτων σε όλα τα επίπεδα ενός δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας (δηλαδή σύστημα παραγωγής, δίκτυο μεταφοράς, δίκτυο διανομής, διασυνδεδεμένα και μη δίκτυα) με σκοπό να προσδιοριστούν τα πιθανά προβλήματα που θα επιφέρει η ενσωμάτωση τους σε αυτά τα δίκτυα λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικά σενάρια διείσδυσης και πολιτικές ενσωμάτωσης. Δύο είναι οι βασικοί άξονες των προτεινόμενων αλγορίθμων διαχείρισης: η μεγιστοποίηση του αριθμού διασυνδεδεμένων ηλεκτρικών οχημάτων στις υφιστάμενες δικτυακές υποδομές χωρίς να παραβιάζονται οι λειτουργικοί περιορισμοί των δικτύων και η πλήρης ενσωμάτωση τους στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας, θεωρώντας αμφίδρομη ροή ισχύος μεταξύ ηλεκτρικών οχημάτων και δικτύου.Η δυναμική συμπεριφορά των ηλεκτρικών οχημάτων λόγω της κινητικότητας τους επιτάσσει την υιοθέτηση ευέλικτων μεθόδων διαχείρισης τους με σκοπό την εξυπηρέτηση των ενεργειακών αναγκών τους λαμβάνοντας υπόψη τις επιθυμίες των χρηστών των ηλεκτρικών οχημάτων, τους περιορισμούς των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας και τις παραμέτρους των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας. Η εφαρμογή αποκεντρωμένων αλγορίθμων διαχείρισης φορτίου σε έντονα μεταβαλλόμενα και σύνθετα περιβάλλοντα μπορεί να αποδειχθεί αποδοτικότερη συγκριτικά με την αντίστοιχη των κεντρικών αλγορίθμων. Για τον σκοπό αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στον σχεδιασμό και στην ανάπτυξη αποκεντρωμένων αλγορίθμων διαχείρισης της ζήτησης των ηλεκτρικών οχημάτων. Η απόδοση των προτεινόμενων αποκεντρωμένων αλγορίθμων συγκρίνεται με την αντίστοιχη των κεντρικών αλγορίθμων αποδεικνύοντας την ικανότητα τους να συγκλίνουν στην ίδια βέλτιστη λύση με τους κεντρικούς αλγορίθμους, για υψηλά ποσοστά διείσδυσης ηλεκτρικών οχημάτων, σε μικρότερο υπολογιστικό χρόνο. Τέλος, στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν μια πρότυπη υποδομή φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων και μια διαλειτουργική πλατφόρμα διαχείρισης σταθμών φόρτισης, που επιτρέπουν τις δοκιμές συμβατότητας των εμπορικών τεχνολογιών με τα διεθνή πρότυπα ηλεκτροκίνησης και την εφαρμογή καινοτόμων αλγορίθμων διαχείρισης σε ελεγχόμενο περιβάλλον.