Βέλτιστος προγραμματισμός της V2G λειτουργίας των ηλεκτρικών οχημάτων για την παροχή ενέργειας και επικουρικών υπηρεσιών στο δίκτυο

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, σε παγκόσμιο επίπεδο παρατηρείται μια συστηματική προσπάθεια για τον εξηλεκτρισμό του τομέα των μεταφορών, καθώς οι τιμές των καυσίμων παραμένουν υψηλές, ενώ οι ανησυχίες για τις επιπτώσεις των εκπεμπόμενων ρύπων στο περιβάλλον γίνονται εντονότερες. Ωστόσο, η επερχόμενη διείσδυση των ηλεκτρικών οχημάτων αποτελεί και μία πρόκληση για τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Η λειτουργία και ο προγραμματισμός τους θα πρέπει να αναπροσαρμοστούν για να διαχειριστούν το επιπρόσθετο φορτίο των ηλεκτρικών οχημάτων έτσι ώστε να αποφευχθούν πιθανές πρόωρες επενδύσεις. Η εξυπηρέτηση των ενεργειακών αναγκών των οχημάτων θα πρέπει να γίνεται με το βέλτιστο οικονομικό τρόπο, διασφαλίζοντας παράλληλα την ομαλή λειτουργία του δικτύου. Η αποθηκευτική χωρητικότητα των συσσωρευτών ενός στόλου ηλεκτρικών οχημάτων μπορεί να αξιοποιηθεί επιχειρηματικά από τους παρόχους ηλεκτρικής ενέργειας (με την υποστήριξη των εταιρειών τηλεπικοινωνιακών και πληροφοριακών συστημάτων). Η δυνατότητα αμφίδρομης ροής ισχύος από το δίκτυο προς το ηλεκτρικό όχημα (Grid-to-Vehicle - G2V) και ανάστροφα (Vehicle-to-Grid – V2G), επιτρέπει την ανάπτυξη νέων επιχειρηματικών μοντέλων για την παροχή ενέργειας και επικουρικών υπηρεσιών στους διαχειριστές του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαχείριση της ενεργειακής λειτουργίας (φόρτιση/εκφόρτιση) των συσσωρευτών των ηλεκτρικών οχημάτων στη διασυνδεδεμένη λειτουργία τους απαιτεί τη θεσμοθέτηση ενός νέου ενεργειακού παίχτη, ονόματι “Aggregator”. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου, ο οποίος θα αξιοποιηθεί από έναν κεντρικό διαχειριστή ενός στόλου ηλεκτρικών οχημάτων (Aggregator) με σκοπό να προγραμματίσει βέλτιστα την παροχή ενέργειας και επικουρικών υπηρεσιών (ρύθμιση συχνότητας και στρεφόμενη εφεδρεία) στο δίκτυο, κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτυγχάνεται μέγιστο οικονομικό κέρδος για το διαχειριστή αυτόν. Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος για τον καθορισμό της λειτουργίας (operational set-points) κάθε οχήματος, σε πραγματικό χρόνο, βάσει του αρχικού ενεργειακού προγραμματισμού. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια ιστορική αναδρομή στις τεχνολογίες ηλεκτρικών οχημάτων και περιγράφεται η λειτουργία των αγορών ενέργειας και επικουρικών υπηρεσιών. Στο κεφάλαιο 2, αναλύεται και στοιχειοθετείται η δυνατότητα συμμετοχής των ηλεκτρικών οχημάτων στις αγορές αυτές μέσω της V2G λειτουργίας. Στο κεφάλαιο 3, περιγράφεται η μοντελοποίηση του προβλήματος αφενός μέσω ενός συστήματος μεταβλητών και εξισώσεων, που απαρτίζουν τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης και αφετέρου μέσω διαγραμμάτων ροής, που απαρτίζουν τον αλγόριθμο της φάσης κατανομής. Στο κεφάλαιο 4, το παραπάνω πρόβλημα «μεταφράζεται» σε μορφή κατανοητή από το προγραμματιστικό περιβάλλον GAMS. Στο κεφάλαιο 5, αξιολογείται η αποδοτικότητα των αλγορίθμων αυτών μέσω προσομοιώσεων με πραγματικά δεδομένα αγορών ηλεκτρικής ενέργειας (ERCOT), ενώ στο κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα κυριότερα συμπεράσματα της ανάλυσης αυτής.

In the last few years, there has been a worldwide, systematic effort to electrify the sector of transportation as fuel prices remain high, and concerns about the impact of pollutants emitted into the environment become more pronounced. However, the upcoming penetration of electric vehicles is also a challenge for the electrical grids. Their operation and planning should be adjusted to handle the additional load of electric vehicles so as to avoid possible early investments. The satisfaction of the vehicles’ energy needs should be done with a cost effective way while ensuring the smooth operation of the electrical grid. The storage capacity of the batteries in a fleet of electric vehicles can be economically utilized by electricity providers (with the support of telecommunications and information technology companies). The bidirectional power flow from the grid to the electric vehicle (Grid-to-Vehicle, G2V) and reverse (Vehicle-to-Grid, V2G), allows the development of new business models for the provision of ancillary services to the system operators. The energy management (charging / discharging) of the batteries of the grid-connected electric vehicles requires the establishment of a new energy player named "Aggregator". The purpose of this thesis is to develop an algorithm, which will be used by a central administrator of a fleet of electric vehicles (Aggregator), in order to schedule optimally the provision of energy and ancillary services (frequency regulation and spinning reserve) in the electrical grid, in such a way as to achieve the maximization of the economic profit of the Aggregator. Additionally, an algorithm for determining the operational set-points of each vehicle in real time, based on the energy scheduling, was developed. Chapter 1 gives a historical overview of the electric vehicles’ technologies and describes the function of energy and ancillary services markets. In Chapter 2, the potential benefits of the participation of the electric vehicles in these markets are analysed. Chapter 3 describes the mathematical modeling of the problem through a system of equations and variables that make up the optimization algorithm and through flowcharts that make up the dispatch algorithm. In chapter 4, the above mathematical problem is being “translated” into GAMS language. Chapter 5 evaluates the efficacy of the developed algorithms through a simulation with real market data (ERCOT). Finally, Chapter 6 summarizes the main conclusions of this thesis.