Scheduling the charging (and possible discharging) events of Battery Electric Vehicles to avoid intolerable conditions in the electrical power grid

Abstract

A key factor in reaching the climate protection targets established by the German Federal Government for the transport sector is the shift to electromobility. However, in order to reach high electric vehicles (EVs) penetration levels and thereby help to improve air quality and safe energy, resilient and flexible low-voltage (LV) distribution networks are required that are capable of handling the increasing load demand without jeopardizing the grid’s stability, causing unacceptable operating states or shutting down grid branches. While the roll-out of EVs and consumers´ stochastic behavior might pose challenges mainly for the "last mile" (i.e., individual LV cables), they can also provide opportunities for LV grids. In this respect, this cumulative thesis, which is composed of three peer-reviewed publications, aims to evaluate the effects of both coordinated and uncoordinated battery electric vehicles (BEVs) charging/discharging on LV grid's bottlenecks in private areas. Paper #1 examines the resilience of a typical metropolitan urban grid in Germany given the simultaneous charging of BEVs under both worst-case and real-world scenarios. Afterwards, the main findings of an additional published, peer-reviewed paper (referred to as the supplementary insights) are incorporated into this work as a follow-up to paper #1; this study conducts a systematic evaluation on the performance of representative LV grids in German urban, suburban, and rural areas in relation to BEV charging at various BEV penetration levels. Simulation results of these two papers indicate that currently and in the short term, the charging of BEVs is not considered to pose any fundamental, large-scale obstacles to the grid. However, voltage band violations or overloads at local grid bottlenecks are to be expected with a high local penetration of BEVs and in particular with simultaneous operation of other consumers such as electric heat pumps (HPs). Following the analysis of possible drawbacks of BEV charging on LV grids, papers #2 and #3 explore the grid-friendly charging control and bidirectional Vehicle-to-Grid (V2G) technologies as solutions to improve grid functionality. Paper #2 introduces a novel V2G application to model EV charging and discharging under various scheduling strategies in order to simultaneously satisfy the needs of EV owners and the power grid. Afterwards, paper #3 expands the proposed approach from paper #2 by incorporating photovoltaic systems (PVs) into the V2G algorithm. Simulation results of these two papers demonstrate that the proposed V2G strategies significantly improve the grid performance due to the peak-shaving through the EVs discharging during peak hours and shifting EVs charging to the off-peak hours, hence delaying the need for grid upgrades. In summary, this thesis offers a thorough framework for comprehending the challenges associated with integrating BEVs into LV grids and reveals how V2G technologies can be used as an efficient approach of assisting in the transition to a more robust and sustainable energy system.

Ein wesentlicher Faktor zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung für den Verkehrssektor ist der Umstieg auf Elektromobilität. Um einen hohen Durchdringungsgrad von Elektrofahrzeugen zu erreichen und damit einen Beitrag zur Verbesserung der Luftqualität und zur sicheren Energieversorgung zu leisten, sind jedoch belastbare und flexible Niederspannungsnetze erforderlich, die in der Lage sind, den steigenden Lastbedarf zu bewältigen, ohne die Netzstabilität zu gefährden, unzulässige Betriebszustände zu verursachen oder Netzteile abzuschalten. Während die Einführung von Elektrofahrzeugen und das stochastische Verhalten der Verbraucher vor allem für die „letzte Meile“ (d.h. die einzelnen Niederspannungskabel) eine Herausforderung darstellen, können sie auch Chancen für die Niederspannungsnetze bieten. In dieser Hinsicht zielt diese kumulative Dissertation, die aus drei peer-reviewed Publikationen besteht, darauf ab, die Auswirkungen des koordinierten und unkoordinierten Ladens/Entladens von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEVs) auf die Engpässe des Niederspannungsnetzes im privaten Bereich zu bewerten. Papier #1 untersucht die Belastbarkeit eines typischen städtischen Stromnetzes in Deutschland bei gleichzeitigem Laden von BEVs sowohl unter Worst-Case- als auch unter realen Szenarien. Anschließend werden die wichtigsten Ergebnisse eines weiteren veröffentlichten, peer-reviewten Papiers (als „ergänzende Erkenntnisse“ bezeichnet) in diese Arbeit als Follow-up zu Papier #1 eingearbeitet; diese Studie führt eine systematische Bewertung der Leistung von repräsentativen Niederspannungsnetzen in deutschen städtischen, vorstädtischen und ländlichen Gebieten in Bezug auf das Laden von BEVs bei verschiedenen BEV-Durchdringungsgraden durch. Die Simulationsergebnisse dieser beiden Arbeiten zeigen, dass das Laden von BEVs derzeit und kurzfristig keine grundsätzlichen, massiven Hindernisse für das Netz darstellen dürfte. Allerdings sind Spannungsbandverletzungen oder Überlastungen an lokalen Netzengpässen bei einer hohen lokalen Durchdringung von BEVs und insbesondere bei gleichzeitigem Betrieb anderer Verbraucher wie Wärmepumpen zu erwarten. Nach der Analyse möglicher Nachteile des BEV-Ladens in Niederspannungsnetzen werden in den Papieren #2 und #3 die netzfreundliche Ladesteuerung und bidirektionale Vehicle-to-Grid (V2G)-Technologien als Lösungen zur Verbesserung der Netzfunktionsfähigkeit untersucht. In Papier #2 wird eine innovative V2G-Anwendung vorgestellt, die das Laden und Entladen von E-Fahrzeugen unter verschiedenen Zeitplanungsstrategien modelliert, um gleichzeitig die Bedürfnisse von E- Fahrzeugbesitzern und des Stromnetzes zu erfüllen. Anschließend wird in Papier #3 der vorgeschlagene Ansatz aus Papier #2 erweitert, indem Photovoltaikanlagen (PV) in den V2G- Algorithmus einbezogen werden. Die Simulationsergebnisse dieser beiden Beiträge zeigen, dass die vorgeschlagenen V2G-Strategien die Leistung des Stromnetzes erheblich verbessern, da die E-Fahrzeuge während der Spitzenlastzeiten entladen und die Ladung der E-Fahrzeuge in die Schwachlastzeiten verlagert wird, wodurch sich der Bedarf an Netzausbau verzögert. Zusammenfassend bietet diese Dissertation einen umfassenden Rahmen für das Verständnis der Herausforderungen, die mit der Integration von BEVs in Niederspannungsnetze verbunden sind, und zeigt, wie V2G-Technologien als effizienter Ansatz zur Unterstützung des Übergangs zu einem robusteren und nachhaltigeren Energiesystem genutzt werden können.