Planning of PEVs Parking Lots in Conjunction With Renewable Energy Resources and Battery Energy Storage Systems

The last few decades have seen growing concerns about climate change caused by global warming, which is cause primarily by CO2 emissions. Thus, the reduction of these emissions has become critically important. One of the effective methods for achieving this goal is to shift towards green electricity energy resources and green vehicles in transportation. For these reasons, the goal of the work presented in this thesis was to address the challenges associated with the planning of plug-in electric vehicles (PEVs) parking lots in combination with renewable energy sources (RES) and battery energy storage systems (BESS) in power distribution networks. This thesis introduces a new planning technique that aims to minimize the overall capital and operational costs, taking into consideration the operational aspects of distribution networks, such as 1) coordinated PEV charging, 2) smart inverter control of renewable distributed generation (DG) units, and 3) smart scheduling of BESS. Moreover, a new model for the PEV coordinated charging demand is introduced in this work. Due to the complexity of the proposed planning approach, a combination between metaheuristic technique and deterministic optimization techniques have been utilized to manage both the planning and operational aspects respectively

Optimization and Integration of Electric Vehicle Charging System in Coupled Transportation and Distribution Networks

With the development of the EV market, the demand for charging facilities is growing rapidly. The rapid increase in Electric Vehicle and different market factors bring challenges to the prediction of the penetration rate of EV number. The estimates of the uptake rate of EVs for light passenger use vary widely with some scenarios gradual and others aggressive. And there have been many effects on EV penetration rate from incentives, tax breaks, and market price. Given this background, this research is devoted to addressing a stochastic joint planning framework for both EV charging system and distribution network where the EV behaviours in both transportation network and electrical system are considered. And the planning issue is formulated as a multi-objective model with both the capital investment cost and service convenience optimized. The optimal planning of EV charging system in the urban area is the target geographical planning area in this work where the service radius and driving distance is relatively limited. The mathematical modelling of EV driving and charging behaviour in the urban area is developed

Location analysis of electric vehicle charging stations for maximum capacity and coverage

Electric vehicle charging facility location is a critical component of long-term strategic planning. Integration of electric vehicles into mainstream adoption has unique characteristics as it requires a careful investigation of both electric and transportation networks. In this paper, we provide an overview of recent approaches in location analyses of electric vehicle charging infrastructures. We review approaches from classical operations research for fast and slow charging stations. Sample formulations along with case studies are presented to provide insights. We discuss that classical methods are appropriate to address the coverage of charging networks which is defined as average time or distance to reach a charging station when needed. On the other hand, calculating required capacity, defined as the individual charging resources at each node, is still an open research topic. In the final part, we present stochastic facility location theory that uses queuing and other probabilistic approaches

Decision Support for Smart Grid Planning and Operation Considering Reliability

[ES] Esta tesis aporta contribuciones a los temas de los sistemas de energía y la movilidad eléctrica. Por lo tanto, se proponen soluciones innovadoras para la planificación de la red de distribución radial tradicional sin o con pocas unidades de recursos energéticos distribuidos, y para la planificación, operación, reconfiguración, y gestión de recursos energéticos en redes de distribución en media tensión considerando una alta penetración de los recursos energéticos distribuidos en el contexto de las redes inteligentes. Las preocupaciones sobre la disponibilidad de combustibles fósiles y el aumento de los efectos climático causados por su uso generalizado en la generación de electricidad han llevado a varias políticas e incentivos para atenuar estos problemas. Estas medidas contribuyeron a inversiones considerables en fuentes de energía renovables y motivaron muchas iniciativas de redes inteligentes. Aunque el panorama futuro de los sistemas eléctricos modernos parece muy prometedor, la integración a gran escala de fuentes de energía renovables de naturaleza intermitente, como la eólica y la fotovoltaica, plantea nuevos desafíos y limitaciones en la industria eléctrica actual. Hoy en día, el diseño de la red de distribución no está correctamente preparado para alojar una gran cantidad de fuentes de energía renovables distribuidas. Por lo tanto, los operadores del sistema de distribución reconocen la necesidad de cambiar el diseño de la red mediante la planificación y el refuerzo. A medida que aumenta la penetración de las fuentes de energía renovable, un agregador de energía puede proporcionar una generación y demanda altamente flexibles según lo requiere el paradigma de red inteligente. Además, esta entidad puede permitir lograr una alta integración de la oferta de energía renovable y aumentar el valor para los pequeños productores y consumidores que no pueden negociar directamente en el mercado mayorista. Sin embargo, la entidad agregadora de energía necesita herramientas adecuadas de apoyo a la decisión para superar los desafíos complejos y hacer frente a un gran número de recursos energéticos. Por lo tanto, la gestión de recursos energéticos es crucial para que la entidad agregadora de energía reduzca los costos de operación, aumente de los beneficios, reduzca la huella de carbono y mejore la estabilidad del sistema. En la perspectiva mundial actual, muchas personas se están mudando a las ciudades en busca de una mejor calidad de vida, contribuyendo de esta manera a la continua expansión de las áreas urbanas. En consecuencia, el sector de transportes está jugando un papel crítico en las emisiones de dióxido de carbono. Teniendo en cuenta esto, muchas ventajas medioambientales y económicas pueden ser obtenidas del cambio de los motores de combustión interna a los vehículos eléctricos. Sin embargo, este cambio contribuirá a una carga en la red de distribución, dando lugar a la posibilidad de congestión de la red. Por lo tanto, para facilitar la integración de la carga de los vehículos eléctricos en la red de distribución, un modelo de predicción del comportamiento del usuario de un vehículo eléctrico pode ser una herramienta muy importante. Además, el paradigma de la red inteligente está desafiando la estructura de control y operación convencional diseñado para redes de distribución pasivas. De este modo, la reconfiguración de la red de distribución será una estrategia esencial y significativa para el operador del sistema de distribución. En el estado del arte actual se identificó una falta de modelos, estrategias y herramientas de apoyo a la toma de decisiones adecuadas para los dominios de problemas de planificación, operación y gestión de recursos energéticos de redes de distribución en media tensión con una alta penetración de fuentes de energía distribuidas. Por lo tanto, surgen varios desafíos de investigación que llevan a la necesidad de desarrollar modelos nuevos e innovadores que aborden: a) el impacto de las fuentes de energía renovable y la variabilidad de la demanda en la planificación de la expansión a largo plazo, b) el problema de la gestión de los recursos energéticos a gran escala, teniendo en cuenta la demanda, las fuentes de energía renovables, los vehículos eléctricos y la variabilidad de los precios del mercado, c) el análisis de impacto de los precios de carga dinámicos de los vehículos eléctricos en la operación de la red de distribución y en el comportamiento del usuario del vehículo eléctrico. Además, en el contexto de la red de distribución de media tensión radial tradicional, también se verificó la necesidad de modelos innovadores para mejorar la confiabilidad a través de la identificación de nuevas inversiones en los componentes de la red. Por lo tanto, esta tesis propone soluciones innovadoras para hacer frente a todos estos vacíos y problemas. Para ese propósito, las contribuciones de la tesis, resultan en un innovador sistema de apoyo a la decisión llamado Advanced Decision Support Tool for Smart Grid Planning and Operation (SupporGrid). El SupporGrid se compone de un conjunto de modelos diversificados que juntos contribuyen a manejar la complejidad de la planificación tradicional de las redes de distribución radial (PlanTGrid), y para la planificación (PlanSGrid), operación (OperSGrid), y los problemas de gestión de recursos energéticos (ERMGrid) en redes de distribución de media tensión en el paradigma de red inteligente. PlanTGrid incluye un modelo de planificación de expansión para redes de distribución radial tradicionales para identificar la posibilidad de nuevas inversiones al costo mínimo. La planificación de la expansión a largo plazo de las redes de distribución en un contexto de red inteligente con una alta penetración de fuentes de energía renovables distribuidas y que trata las fuentes de incertidumbre se resuelve mediante el uso PlanSGrid. OperSGrid contiene una herramienta de simulación de viajes de los usuarios de los vehículos eléctricos funcionando en conjunto con un modelo de operación y reconfiguración que utiliza descomposición de Benders y precios marginales para comprender el impacto del precio de carga de energía dinámica en ambos lados: la red de distribución y el usuario de vehículo eléctrico. Para hacer frente a la gestión de recursos energéticos a gran escala con problemas de respuesta a la demanda y sistemas de almacenamiento de energía, así como con la variabilidad de la demanda, las fuentes de energía renovable, los vehículos eléctricos y el precio de mercado, ERMGrid incluye un modelo estocástico de dos etapas. Las metodologías desarrolladas para el sistema de soporte de decisiones se han probado y validado en escenarios realistas. Los resultados prometedores logrados en condiciones realistas respaldan la hipótesis de que las metodologías son adecuadas e innovadoras para la planificación de la red de distribución radial tradicional, y para la planificación, operación, reconfiguración y gestión de recursos energéticos a largo plazo de la red de distribución considerando alta penetración de recursos energéticos distribuidos y de vehículos eléctricos en el contexto de red inteligente. Los resultados prometedores logrados en condiciones realistas respaldan la hipótesis de que las metodologías son adecuadas e innovadoras para la planificación de la red de distribución radial tradicional, y para la planificación, operación, reconfiguración y gestión de recursos energéticos a largo plazo de la red de distribución considerando la alta distribución de recursos energéticos y la penetración de vehículos eléctricos. De hecho, este sistema de apoyo a la decisión mejorará el funcionamiento de las redes de distribución de media tensión, permitiendo ahorros para las partes interesadas

Optimal behavior of a PEV parking lot in renewable-based power systems

There have been a lot of developments in terms of Plug-in Electric Vehicles (PEVs) regarding many different subjects, and with some variations between authors. On this basis, it is intended to sum up a lot of contents being approached, and help understanding them. Followed by the development and analysis of a model in order to better understand the functionality of these new developments. First a state of the art is presented where the new development are presented, these will include management of the PEV’s, uncontrolled or controlled (i.e. aggregated) and their capability of using V2G and G2V technologies are analyzed. Afterwards, electricity markets are approached where real world applications are shown and different market types are categorized in order to a better understanding of the subject. The interaction of the PEVs with some renewable energy resources (e.g. solar, wind and biomass) is presented. To finalize, models of PEVs are categorized and multiple types of modules, the related variables, applied methods, and the considered parameters are presented. For a case analysis, a model that includes a parking lot of PEVs will be studied, which includes renewable energy resources, wind and solar. The objective is to analyze the impact of these on the market participation of the parking lot and also on the distribution grid. These analyses will be made on size variations, grid placement and also constraint variations of the model.Tem havido muitos desenvolvimentos em relação a veículos elétricos com tecnologia Plug-in (PEVs), sendo um tema abrangente com bastantes tópicos a serem estudados, sendo que existem também diferentes abordagens do tema por diferentes autores. Tendo isto em consideração, o objetivo inicial será a recolha de informação relativo a esta área e a sua sumarização de modo a possibilitar uma maior compreensão sobre a área. De seguida, o modelo desenvolvido será efetuada a sua análise, tendo em consideração alguns destes desenvolvimentos mencionados previamente. Primeiramente um estado da arte será apresentado onde os recentes desenvolvimentos na área serão apresentados. Estes desenvolvimentos incluem a possibilidade de gestão e manuseamento dos veículos, controlados ou descontrolados (i.e. agregador), e a possibilidade da utilização das tecnologias veiculo para a rede (V2G) e rede para o veículo (G2V) é analisada. De seguida, são analisado os mercados de energia onde serão apresentados casos reais e diferentes tipos de Mercado serão descriminados. A interação dos PEVs com algumas energias renováveis (e.g. Solar, Vento e biomassa) é apresentada. Finalizando modelos de PEVs serão categorizados fazendo distinção entre eles, entre tipo de modelos, variáveis, métodos aplicados, e os parâmetros considerados por estes mesmos. Como caso de estudo é apresentada a análise de um modelo que conta com um parqueamento de PEV, inclui energias renováveis. O objetivo é o de analisar os efeitos das energias renováveis na participação do mercado do parqueamento e o impacte na rede de distribuição. Esta análise será feita pela variação na potência instalada das renováveis, localização na rede do parqueamento e variação nas limitações do modelo

Power System Steady-State Analysis with Large-Scale Electric Vehicle Integration

It is projected that the electric vehicle will become a dominant method of transportation within future road infrastructure. Moreover, the electric vehicle is expected to form an additional role in power systems in terms of electrical storage and load balancing. This paper considers the latter role of the electric vehicle and its impact on the steady-state stability of power systems, particularly in the context of large-scale electric vehicle integration. The paper establishes a model framework which examines four major issues: electric vehicle capacity forecasting; optimization of an object function; electric vehicle station siting and sizing; and steady-state stability. A numerical study has been included which uses projected United Kingdom 2020 power system data with results which indicate that the electric vehicle capacity forecasting model proposed in this paper is effective to describe electric vehicle charging and discharging profiles. The proposed model is used to establish criteria for electric vehicle station siting and sizing and to determine steady-state stability using a real model of a small-scale city power system

A Bi-Layer Multi-Objective Techno-Economical Optimization Model for Optimal Integration of Distributed Energy Resources into Smart/Micro Grids

The energy management system is executed in microgrids for optimal integration of distributed energy resources (DERs) into the power distribution grids. To this end, various strategies have been more focused on cost reduction, whereas effectively both economic and technical indices/factors have to be considered simultaneously. Therefore, in this paper, a two-layer optimization model is proposed to minimize the operation costs, voltage fluctuations, and power losses of smart microgrids. In the outer-layer, the size and capacity of DERs including renewable energy sources (RES), electric vehicles (EV) charging stations and energy storage systems (ESS), are obtained simultaneously. The inner-layer corresponds to the scheduled operation of EVs and ESSs using an integrated coordination model (ICM). The ICM is a fuzzy interface that has been adopted to address the multi-objectivity of the cost function developed based on hourly demand response, state of charges of EVs and ESS, and electricity price. Demand response is implemented in the ICM to investigate the effect of time-of-use electricity prices on optimal energy management. To solve the optimization problem and load-flow equations, hybrid genetic algorithm (GA)-particle swarm optimization (PSO) and backward-forward sweep algorithms are deployed, respectively. One-day simulation results confirm that the proposed model can reduce the power loss, voltage fluctuations and electricity supply cost by 51%, 40.77%, and 55.21%, respectively, which can considerably improve power system stability and energy efficiency.</jats:p

Electric Vehicle Charging Station Placement: Formulation, Complexity, and Solutions

To enhance environmental sustainability, many countries will electrify their transportation systems in their future smart city plans. So the number of electric vehicles (EVs) running in a city will grow significantly. There are many ways to re-charge EVs' batteries and charging stations will be considered as the main source of energy. The locations of charging stations are critical; they should not only be pervasive enough such that an EV anywhere can easily access a charging station within its driving range, but also widely spread so that EVs can cruise around the whole city upon being re-charged. Based on these new perspectives, we formulate the Electric Vehicle Charging Station Placement Problem (EVCSPP) in this paper. We prove that the problem is non-deterministic polynomial-time hard. We also propose four solution methods to tackle EVCSPP and evaluate their performance on various artificial and practical cases. As verified by the simulation results, the methods have their own characteristics and they are suitable for different situations depending on the requirements for solution quality, algorithmic efficiency, problem size, nature of the algorithm, and existence of system prerequisite.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Smart Grid, revise

Electric vehicles charging stations planning in transportation networks and their impact on power distribution systems

La introducción de vehículos eléctricos VEs representa una alternativa positiva y proactiva en la electrificación del sector de transporte. Desde el punto de vista de la reducción en la emisión de gases de efecto invernadero y el ruido, son notables los beneficios para el medio ambiente y la población en general. No obstante, la recarga masiva de VEs tendrá un impacto significativo en el sistema de distribución de energía eléctrica, creando inconvenientes en la calidad de la potencia, picos no deseados de demanda, perdidas de potencia en las líneas y problemas de caídas de tensión. Por otro lado, la batería es otro problema que afecta la adopción de VEs, específicamente para las compañías de transporte de mercancía, debido principalmente a la baja autonomía en distancia recorrida comparado con los vehículos de combustión interna