Βέλτιστη τοποθέτηση σταθμών ταχείας φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων με χρήση γενετικού αλγόριθμου και ροής φορτίου

Abstract

Στις μέρες μας ο πληθυσμός των ηλεκτρικών οχημάτων παρουσιάζει ραγδαία αύξηση παγκοσμίως, κυρίως λόγω της φιλικότητάς τους προς το περιβάλλον και του χαμηλότερου κόστους καθημερινής χρήσης σε σχέση με τα οχήματα που λειτουργούν με συμβατικά καύσιμα. Ωστόσο, υπάρχει η ανάγκη δημιουργίας των κατάλληλων υποδομών φόρτισης έτσι ώστε να επιτευχθεί η αυξανόμενη διείσδυση των ηλεκτρικών οχημάτων στην παγκόσμια αγορά. Επομένως, η κατάλληλη τοποθέτηση των Σταθμών Ταχείας Φόρτισης (ΣΤΦ) ηλεκτρικών οχημάτων και των Μονάδων Διεσπαρμένης Παραγωγής (ΜΔΠ) σε ένα δίκτυο διανομής, είναι υψίστης σημασίας προκειμένου να μεγιστοποιηθούν τα οφέλη που προκύπτουν από την ένταξή τους στο δίκτυο. Σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί αρχικά, η εύρεση της βέλτιστης θέσης εγκατάστασης των Μονάδων Διεσπαρμένης Παραγωγής και στη συνέχεια της βέλτιστης θέσης εγκατάστασης των Σταθμών Ταχείας Φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων σε ένα δίκτυο διανομής με βάση τεχνικά κριτήρια. Η εύρεση αυτών των βέλτιστων θέσεων, επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης του Γενετικού Αλγορίθμου (ΓΑ) σε συνδυασμό με τη Ροή Φορτίου (ΡΦ) και τη Βέλτιστη Ροή Φορτίου (ΒΡΦ). Πιο συγκεκριμένα, μέσω της βέλτιστης τοποθέτησης των Σταθμών Ταχείας Φόρτισης στο δίκτυο επιδιώκεται η ελαχιστοποίηση των απωλειών ενεργού ισχύος και η βελτίωση του προφίλ τάσης. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, υλοποιήθηκε αλγόριθμος σε περιβάλλον MATLAB, που επιλύει τα εν λόγω προβλήματα χρησιμοποιώντας και κάποια στοιχεία από το λογισμικό πακέτο MATPOWER το οποίο είναι λογισμικό σε MATLAB και υπολογίζει Ροές Φορτίου και Βέλτιστες Ροές Φορτίου. Στο Κεφάλαιο 1 αυτής της εργασίας γίνεται αναφορά στη Διεσπαρμένη Παραγωγή (ΔΠ), παρουσιάζοντας τα βασικότερα είδη διεσπαρμένων πηγών, τις χρήσεις, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Ακόμα, γίνεται μια εισαγωγή στα ηλεκτρικά οχήματα και τους σταθμούς φόρτισης, παρουσιάζονται οι τεχνολογίες των ηλεκτρικών οχημάτων, οι κατηγορίες και τα επίπεδα φόρτισής τους και παραθέτονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της διείσδυσής τους στην παγκόσμια αγορά. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται ο Γενετικός Αλγόριθμος και παρουσιάζονται τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται. Στο Κεφάλαιο 3 αναλύεται το πρόβλημα της Ροής Φορτίου και της Βέλτιστης Ροής Φορτίου και ακόμα παρουσιάζεται το λογισμικό MATPOWER που χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση αυτών των δύο ροών. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η διατύπωση των προβλημάτων, ενώ στο Κεφάλαιο 5 παραθέτονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που υλοποιήθηκαν για την βέλτιστη εγκατάσταση των Μονάδων Διεσπαρμένης Παραγωγής και των Σταθμών Ταχείας Φόρτισης. Ακόμα, στο ίδιο κεφάλαιο μελετάται και η ανάλυση ευαισθησίας του αλγορίθμου. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτή την ανάλυση.

Nowadays the population of electric vehicles has been increasing rapidly worldwide, mainly because of their friendliness to the environment and their lower cost of daily use compared to vehicles which use conventional fuels. However, there is a need to create the appropriate charging infrastructures in order to achieve increased penetration of electric vehicles. Therefore, the optimal placement of Fast Charging Stations (FCS) and of Distributed Generation Units (DGU) in a distribution grid, is crucial in order to maximize the benefits derived from their joining the grid. The aim of the present thesis is initially to find the optimal location of Distributed Generation Units and then the optimal location of Fast Charging Stations in a distribution grid, based on technical criteria. Finding these optimal locations, is being achieved by utilizing the Genetic Algorithm (GA) in conjunction with Power Flow (PF) and Optimal Power Flow (OPF). More precisely, this thesis through optimal placement of charging stations in the grid seeks to minimize the active power losses and improve the voltage profile. As part of this diploma thesis, an algorithm in MATLAB environment was implemented in order to solve these problems, by using some features of the MATPOWER suite which is a software in MATLAB and it calculates Power Flows and Optimal Power Flows. Chapter 1 of this thesis refers to Distributed Generation (DG), by presenting an overview of the main types of distributed resources, their use, their advantages and disadvantages. In addition, this chapter gives an introduction to electric vehicles and charging stations, presents the technologies of electric vehicles, the categories and levels of charging and lists the advantages and disadvantages of their penetration in the global market. Chapter 2 describes the Genetic Algorithm and presents the main parts of which it is composed. Chapter 3 analyzes the problem of Power Flow and Optimal Power Flow and even presents the MATPOWER suite which was used to perform these two flows. Chapter 4 presents the formulation of these problems, while Chapter 5 lists the results of simulations carried out for the optimal placement of Distributed Generation Units and Fast Charging Stations. Furthermore, the same chapter performs a sensitivity analysis of the algorithm. Finally, Chapter 6 summarizes the main conclusions drawn from this analysis.