Unsplittable Load Balancing in a Network of Charging Stations Under QoS Guarantees

The operation of the power grid is becoming more stressed, due to the addition of new large loads represented by Electric Vehicles (EVs) and a more intermittent supply due to the incorporation of renewable sources. As a consequence, the coordination and control of projected EV demand in a network of fast charging stations becomes a critical and challenging problem. In this paper, we introduce a game theoretic based decentralized control mechanism to alleviate negative impacts from the EV demand. The proposed mechanism takes into consideration the non-uniform spatial distribution of EVs that induces uneven power demand at each charging facility, and aims to: (i) avoid straining grid resources by offering price incentives so that customers accept being routed to less busy stations, (ii) maximize total revenue by serving more customers with the same amount of grid resources, and (iii) provide charging service to customers with a certain level of Quality-of-Service (QoS), the latter defined as the long term customer blocking probability. We examine three scenarios of increased complexity that gradually approximate real world settings. The obtained results show that the proposed framework leads to substantial performance improvements in terms of the aforementioned goals, when compared to current state of affairs.Comment: Accepted for Publication in IEEE Transactions on Smart Gri

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

Towards Smarter Electric Vehicle Charging with Low Carbon Smart Grids: Pricing and Control.

Environmental and political directions indicate transition to a decarbonized transportation system is necessary as it is one of the most pollutant sectors regarding greenhouse gas emissions. Research in Demand Side Management suggests that its tools are the most cost-effective option for improving the performance of the grid without incurring into high infrastructure investments, hence reducing the payback for start-ups in the sector. This Thesis proposes solutions to tackle 5 objectives around this area of research: 1-2 are related to developing a demand response pricing and EV smart charging strategies, 3-4 are related to developing a multi-objective charging scheme in order to ensure fairness and reduction of CO2eq emissions, and 5 is related to testing parameters of EV charging to understand future improvements and limitations in the proposed models. Chapter 3, that tackles objectives 1-2, proposes a data-driven optimisation algorithm with pricing and control modules that communicate with each other to achieve a successful integration with the grid by charging at the right price and expected time. The results show customers can be positively engaged with pricing signals while providing support to the grid. Chapter 4, which tackles objectives 3-4, proposes a multi-objective EV charging formulation that include perspectives of EV users, a carbon regulator and a charging station operator. The multi-objective formulation is solved with a genetic algorithm in order to find the fairest and the greenest solution. Results which are evaluated using different scenarios show different weights to each objective function can differ based on the charging location and EV charging availability. Finally, Chapter 5 which tackles objective 5, shows a sensitivity analysis where improvements in revenues, reduction of carbon emissions and bidding capacity depend on the evaluation of EV users’ parameters, and the charging station control and sizing

Energy Management Systems for Smart Electric Railway Networks: A Methodological Review

Energy shortage is one of the major concerns in today’s world. As a consumer of electrical energy, the electric railway system (ERS), due to trains, stations, and commercial users, intakes an enormous amount of electricity. Increasing greenhouse gases (GHG) and CO2 emissions, in addition, have drawn the regard of world leaders as among the most dangerous threats at present; based on research in this field, the transportation sector contributes significantly to this pollution. Railway Energy Management Systems (REMS) are a modern green solution that not only tackle these problems but also, by implementing REMS, electricity can be sold to the grid market. Researchers have been trying to reduce the daily operational costs of smart railway stations, mitigating power quality issues, considering the traction uncertainties and stochastic behavior of Renewable Energy Resources (RERs) and Energy Storage Systems (ESSs), which has a significant impact on total operational cost. In this context, the first main objective of this article is to take a comprehensive review of the literature on REMS and examine closely all the works that have been carried out in this area, and also the REMS architecture and configurations are clarified as well. The secondary objective of this article is to analyze both traditional and modern methods utilized in REMS and conduct a thorough comparison of them. In order to provide a comprehensive analysis in this field, over 120 publications have been compiled, listed, and categorized. The study highlights the potential of leveraging RERs for cost reduction and sustainability. Evaluating factors including speed, simplicity, efficiency, accuracy, and ability to handle stochastic behavior and constraints, the strengths and limitations of each optimization method are elucidated

Revolutionizing Green Transport: An Extensive Review of Hybrid Electric Vehicle Charging Stations and Electric Microgrid Integration

Electric vehicles (EVs), recognized as a strategic approach to reducing oil consumption and greenhouse gas emissions, rely on electricity instead of traditional fuels like petrol or diesel for battery charging, positioning them as a significant player in future energy landscapes. The anticipated decline in oil demand aligns with the increasing prevalence of EVs, making attention to charging infrastructure crucial. This paper extensively explores charging infrastructure considerations, emphasizing their significance in both urban and rural contexts, especially in regions with unstable or absent power supplies. Examining off-grid, grid-connected, and hybrid charging modes, the research delves into various EV designs, including those utilizing fuel cells or batteries. A thorough understanding of energy-source-based charging techniques and diverse power-level charging stations is presented, catering to readers' interests. With a focus on enhancing the longevity and efficiency of electric vehicles, researchers are investigating innovative charging methods, including microgrid concepts within charging stations. Recognizing electric vehicles as multi-energy systems, the paper underscores the importance of effective power management and control for optimal energy utilization. Additionally, the review scrutinizes the impact of electric vehicles on utility grid infrastructure & maintenance, evaluating various power management and control systems. This comprehensive review serves as a valuable resource for electric vehicle operators and research engineers, offering insights into the current state of the field and potential avenues for future exploration