Novel approaches to optimize and mitigate the impact of high penetration level of electric vehicles on the distribution network

El-Bayeh, Claude (2019). Novel approaches to optimize and mitigate the impact of high penetration level of electric vehicles on the distribution network. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In recent years, the integration of Electric Vehicles (EVs) into the distribution network is studied intensively. One of the major concerns is that EVs consume lots of energy during a short period when most of them are simultaneously connected to the grid (during the night or during working hours). Therefore, in case the consequence of simultaneous charging is not resolved, undesired peak loads may appear on the distribution network. This is the reason why research is actually focusing on optimization and control algorithms to be executed at different levels of the network. Since the number of EVs increases drastically, the power demand during specific periods of the day would cause severe issues on the network. As a matter of fact, high peak demand may exponentially reduce the lifetime of the transformers and may damage some elements on the network. Therefore, severe voltage drop and blackouts of some regions or on the complete network can be the consequences. To solve the problem, many studies were conducted to reduce the impact of integrating EVs on the network. Their main goal was to limit the peak demand created by the EVs in order to protect the distribution grid from any damages. To do so, many optimization techniques and control strategies were used to mitigate the impact of EVs on the network. The main goal of using optimization techniques is to schedule the charging and discharging of EVs during their connection period, in which their charging will be shifted to periods where the demand on the network is low. For this purpose, Demand Response Programs (DRP) are used to incite the end-users consuming during low electricity prices and reducing their consumptions during high prices. As its name indicates, the DRP uses the supply and demand models to price the electricity depending on the power consumption of the end-users and the available power generated by the power utility. The electricity price may vary in time, in which in periods when the consumption is high, the electricity price will be high in order to let the end-users shift their power consumption to other periods when the price and the consumption are low. This strategy will help the power utility to control the power demand of the end-users and reduce the burden in certain periods in a day.

Despite the advantages of using the DRP in controlling the total load demand on the distribution network, it is still limited by its long-time response (one day ahead pricing, hourahead pricing, etc.). Therefore, DRPs are useful when the speed of response to a certain unfavorable situation does not require an instant action or intervention, in other words, when losses are to be reduced, customer expenses are to be minimized, and operator benefits are to be maximized. DRPs can’t eliminate any sudden variation of the load which may produce a blackout or damage some components or even reduce their lifetime.

Researchers have indeed suggested multiple methods for finding fast response solutions in order to prevent any technical or economic undesired phenomena occurring on the network. Literature review shows that these existing studies offer a solution for a partial aspect of the problem. It is seen that published results show the improvement on either technical or economic or implementation issues, but to the best of our knowledge, existing approaches cannot find a global optimum, considering all the electrical distribution aspects (pricing, maintenance, customer satisfaction, technical losses, stability, availability, etc.). The suggested approach has a wider view of the problem since it considers EV penetration at different levels of the network, it considers if the network’s infrastructure is conventional or modernized, it considers the lifetime of the distribution transformers, it minimizes losses and it introduces a collaborative algorithm for finding the global optimum solution. Comparative studies show the advantages of the suggested approach compared to the existing ones. Major findings in this thesis can be summarized as follows (i) the total load demand on the transformer respects its limit, which will increase its lifetime, (ii) the voltage profile respects the limits on the network and the transformers, (iii) the energy losses on the network are reduced, (iv) the depreciation cost of the network is reduced, (v) the revenue of the power utility and distribution system operator is increased, (vi) and finally the end-users are satisfied because the proposed strategies help them to reduce their electricity cost. Therefore, both end-users and power utility are satisfied.

Titre traduit

Nouvelles approches pour optimiser et réduire l’impact des véhicules électriques avec une pénétration élevée sur le réseau de distribution

Résumé traduit

Ces dernières années, l'intégration des véhicules électriques (VEs) sur le réseau de distribution a fait l'objet de plusieurs études approfondies. L'une des principales préoccupations est que les VEs consomment beaucoup d'énergie pendant une courte période, lorsque la plupart d'entre eux sont connectés simultanément pour charger leurs batteries même s’ils ne sont pas utilisés (pendant la nuit ou pendant les heures de travail). Par conséquent, si les problèmes de la charge simultanée ne sont pas résolus, des charges de pointe indésirables peuvent apparaître sur le réseau de distribution. C’est la raison pour laquelle la recherche se concentre actuellement sur des algorithmes d’optimisation et de contrôle à exécuter à différents niveaux du réseau. Étant donné que le nombre de véhicules électriques augmente considérablement, la demande en énergie pendant des périodes spécifiques de la journée causerait de graves problèmes sur le réseau. En fait, une demande de pointe élevée peut réduire de manière exponentielle la durée de vie des transformateurs et endommager certains équipements du réseau. Les conséquences peuvent être une grave chute de tension et des coupures de courant dans certaines régions ou sur l’ensemble du réseau. Pour résoudre ce problème, de nombreuses études ont été menées dans le but de réduire l’impact de l’intégration des véhicules électriques sur le réseau. Leur principal objectif était de limiter la demande de pointe créée par les véhicules électriques afin de protéger le réseau de distribution de tout dommage. Pour ce faire, de nombreuses techniques et stratégies d'optimisation ont été utilisées. L'objectif principal de l'utilisation de ces techniques est de planifier la charge et la décharge des VEs pendant leur période de connexion, au cours de laquelle leur charge sera décalée vers des périodes où la demande sur le réseau est faible. À cette fin, les programmes de réponse à la demande (PRD) sont utilisés pour inciter les utilisateurs à consommer lorsque les prix sont bas et à réduire leurs consommations lorsque les prix de l’électricité sont élevés. Comme son nom l’indique, le PRD utilise des modèles d’offre et de demande pour établir le prix de l’électricité en fonction de la consommation électrique de l’utilisateur et de l’énergie disponible générée par le service public. Le prix de l’électricité peut varier dans le temps et, dans les périodes de consommation élevée, il sera élevé afin de permettre aux utilisateurs de transférer leur consommation à d’autres périodes où le prix de l’électricité est moins cher. Cette stratégie aidera le fournisseur d’électricité à mieux contrôler la demande des utilisateurs et à réduire la charge pendant certaines périodes de la journée.

Malgré les avantages d'utiliser le PRD pour contrôler la demande totale de charge sur le réseau de distribution, ce programme reste limité par sa réponse à long terme (tarification d'un jour à l'avance, paramètres de durée d'utilisation prédéfinis pendant une saison, etc.). Par conséquent, un PRD est utile lorsque le temps de réponse n’est pas un problème critique, c’est-à-dire lorsque les pertes doivent être réduites, les dépenses des clients doivent être minimisées ou les avantages pour l’opérateur doivent être maximisés. Un PRD ne peut éliminer aucune variation soudaine de la charge susceptible de provoquer une panne d'électricité, des dommages aux composants ou même une réduction de leur durée de vie.

Les recherches ont en effet suggéré plusieurs méthodes pour trouver des solutions rapides afin d'éviter tout phénomène technique ou économique indésirable sur le réseau. La revue de la littérature montre que les études existantes offrent une solution partielle du problème. On constate que les résultats publiés montrent une amélioration des problèmes techniques, économiques ou d’implémentation, mais à notre connaissance, les approches existantes ne peuvent pas trouver une solution optimale globale considérant tous les aspects de la distribution électrique (tarification, maintenance, satisfaction des clients, pertes techniques, stabilité, disponibilité, etc.). L’approche suggérée a une vision plus large du problème, car (a) elle considère la pénétration des VEs à différents niveaux du réseau, (b) elle considère aussi si l’infrastructure du réseau est classique ou modernisée, (c) elle prend en compte la durée de vie des transformateurs de distribution, (d) elle minimise les pertes et introduit un algorithme collaboratif pour trouver la solution optimale. Des études comparatives montrent les avantages de l’approche suggérée par rapport aux approches existantes. Les principales conclusions de cette thèse peuvent être résumées comme suit (i) la charge totale demandée au transformateur respecte sa limite, ce qui augmentera sa durée de vie, (ii) le profil de tension respecte les limites du réseau et la capacité des transformateurs, (iii) les pertes d’énergie sur le réseau sont réduites, (iv) le coût d’amortissement du réseau est réduit, (v) les revenus du gestionnaire de réseau et de distribution d'électricité sont augmentés, (vi) et enfin les utilisateurs sont satisfaits, car les stratégies proposées les aident à réduire leurs coûts en électricité. Par conséquent, les utilisateurs et le fournisseur d'électricité sont satisfaits.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 187-197).
Mots-clés libres:	programme de réponse à la demande (PRD), réseau de distribution, véhicules électriques, gestion de l'énergie, optimisation, réseau intelligent, transformateur de distribution
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Codirecteur:	Codirecteur Saad, Maarouf
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 sept. 2019 18:45
Dernière modification:	11 sept. 2019 18:45
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2362

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