Marra, Francesco

I de kommende år forventes det, at skiftet fra køretøjer drevet af konventionelle energikilder (ICE – Internal Combustion Engine) til elektriske køretøjer (elbiler) øges med voksende hastighed svarende til den sete udvikling mod udnyttelse af vedvarende energikilder som solceller og vindenergi. Elsystemet i Europa vil under dette scenarie inkludere øgede mængder af fluktuerende energikilder samtidigt med en øget efterspørgsel på elektricitet til opladning af elbiler. Projektets tese er at der kan opnås flere fordele hvis opladningen af elbiler kan styres intelligent. Målet med denne afhandling er at undersøge hvor brugbar koordineret opladning af elbiler kan være i kombination med energikilder med en uforudsigelig produktion. To cases er undersøgt: • belastningskoordinering i det danske elsystem vha. elbiler med henblik på at udjævne fluktuationer opstået pga. vindenergi• koordinering for at udjævne fluktuationer opstået på grund af solceller i lavspændingsnettet.Forskningsarbejdet starter med definitionen af krav, der muliggør tovejs effektudveksling mellem elbiler og nettet. En række monitorerings- og kontrolforanstaltninger er defineret for at muliggøre en koordination vha. elbiler. Batteriets opladningstilstand (State of Charge - SOC) og effektudveksling med nettet skal monitoreres ved kontrolleret ladning af elbiler. Samtidigt er aktivering af opladnings- og afladningsmodes nødvendige kontrolforanstaltninger. Valideringen af de definerede foranstaltninger er udnyttet ved implementering af en fuldskala forsøgsopstilling som består af en lithium-ion batteripakke, et batteristyringssystem (BMS) og opladnings-/afladningsenheder.I den anden del af afhandlingen er koordinering af opladningen af elbiler udnyttet til at facilitere integration af vindenergi i det danske elsystem. Et proof-of-concept for levering af regulerkraftreserver er realiseret ved at anvende de gældende krav givet af den danske transmissionssystemoperatør (ENERGINET.DK). Koordineringen vha. elbiler er realiseret under kontrolrammen for et virtuelt kraftværk som tidligere blev introduceret i det danske EDISON projekt. Testopstillingen reagerede under dette eksperiment i henhold til tidsplanen og ydede den nødvendige regulerende effekt. Ved denne type af anvendelser bør der defineres et optimalt anvendelsesvindue til sikring af unødig brug af ekstra batterilevetid.I den tredje del af afhandlingen undersøges belastningskoordinering i form af elbiler som en energilagringsløsning for lavspændingsnet med en betydelig elproduktion fra solceller. I denne sammenhæng ses ladestationen som en energilagringslokation. To koncepter er undersøgt: Offentlige ladestationer til parallel opladning af elbiler i det offentlige rum, og Private ladestationer ved private hjem. Koordination af belastningen fra de elbiler tilsluttet offentlige og private ladningsstationer blev undersøgt for herved at levere spændingsstøtte. I begge tilfælde opnås gunstige resultater for lavspæningsnet. En metode baseret på spændingssensitivitetsanalyse er udviklet for at identificere effektiviteten af spændingsregulering med belastningskoordination vha. elbiler. Dynamiske simuleringer og et eksperimentelt proof-of-concept har vist effektiviteten ved at bruge elbiler som en lagringsløsning på lavspændingsradialer med solceller.Overordnet konkluderes, at koordination af belastning fra elektriske køretøjer kan være en effektiv løsning til at håndtere fluktuationer ved vedvarende energikilder på forskellige spændingsniveauer i elsystemet.The replacement of conventional fuelled vehicles with electric vehicles (EVs) is going to increase in the coming years, following the trend seen for renewable energy sources (RES), as photovoltaic (PV) and wind power. In this scenario, the electric power systems in Europe are going to accommodate increased levels of non-dispatchable and fluctuating energy sources, as well as additional power demand due to EV charging. If the charging of EVs can be intelligently managed, several advantages can be offered to the power system. How useful coordinated EV charging can be, in combination with RES, is answered in this research work. Two real cases are addressed: • the EV load coordination for power fluctuations due to wind power, in the Danish power system;• the EV load coordination for the power fluctuations due to Photovoltaic (PV) in low voltage grids, in several European countries.The research work starts with the definition of EV requirements for enabling a bidirectional power exchange with the grid. A set of monitoring and control requirements are defined to achieve EV coordination. The validation of the defined requirements is performed with a full-scale EV test bed made of real EV components such as a lithiumion battery pack, a battery management system and charging/discharging units. The second part of the research exploits the use of EV load coordination to facilitate the integration of wind power in the Danish power system. A proof of concept of regulating power reserves is realized, using the target power requests from the Danish Transmission System Operator (ENERGINET.DK), valid as the control signal for the EVs. The EV coordination is realized under the control framework of a Virtual Power Plant. The tests performed show that an EV can respond according to the time plan and the power levels needed. Furthermore, during EV coordination, a number of nonlinearities and battery ageing issues should be taken into account, to ensure a correct EV coordination and to preserve the EV battery lifetime.The third part of this research exploits the use of EV load coordination as an energy storage solution to facilitate PV integration in LV distribution grids. In this context, the storage capabilities of EV charging stations are analyzed. Two concepts of stations are investigated: public charging station, to accommodate the parallel charging of EVs at public locations, and private charging stations at private homes. The coordination of EV load of public or private charging stations creates benefits in feeders with PV. A method based on voltage sensitivity analysis is proposed to evaluate the influence of EV load coordination at different locations in the grid. Time-series simulations and a proof of concept prove the usefulness of coordinating the load from EV stations in LV feeders with PV. As a general conclusion, it is observed how important the role of EV load coordination can be, in coping with the fluctuations of renewable power sources at different power system levels

Online Research Database In Technology

Electric Vehicles Integration in the Electric Power System with Intermittent Energy Sources - The Charge/Discharge infrastructure

http://orbit.dtu.dk/ws/files/77584108/PhD_thesis_final_.PDF

Electric Vehicles Integration in the Electric Power System with Intermittent Energy Sources - The Charge/Discharge infrastructure

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology