New strategies for the massive introduction of electric vehicles in the operation and planning of Smart Power Systems

Abstract

En el contexto actual, donde el calentamiento climático es cada vez más importante, existe la necesidad de limitar el consumo de combustibles fósiles. De esta manera, el transporte es uno de los sectores en los que más se están generando cambios en cuanto a la sostenibilidad. El vehículo eléctrico aparece como una solución para este cambio paulatino ya que no contamina localmente y su balance energético es muy eficiente. Así, se han propuesto diferentes programas para el crecimiento del vehículo eléctrico en el parque automotor. Sin embargo, el cambio de vehículos de gasolina por vehículos eléctricos genera desafíos en varios aspectos, como el impacto que ocasiona en la red eléctrica una implantación masiva: caídas de tensión, pérdidas de potencia, problemas con la calidad de la electricidad, inversiones importantes, etc. Se han planteado algunas soluciones en la parte operativa, pero muchas de ellas no han tomado en cuenta la flexibilidad de los usuarios, lo cual es muy importante para la adopción de vehículos eléctricos. De igual manera, en muchas ocasiones, en la literatura se asumen valores para ciertas variables (estado de carga, recorrido, tipo de batería, etc) que pueden cambiar según el comportamiento de cada usuario, lo que modificaría las previsiones realizadas. Finalmente, pocos trabajos han estudiado el impacto de lo vehículos eléctricos en redes eléctricas cuya gestión energética es más complicada debido a su aislamiento de una macrored y con alta penetración de energías renovables, como lo son las microredes. En este marco, esta tesis propone un enfoque novedoso en cuanto a la participación de los usuarios de vehículos eléctricos en la operación y planificación de diferentes sistemas eléctricos de potencia. Esta trata de algunos aspectos principales: disminución de costos de carga, participación en servicios de regulación, aprovechamiento de energía renovable, así como la planificación de generación de una microred incorporando vehículos eléctricos. En una primera parte, se presenta un análisis del vehículo eléctrico y su interacción en sistemas de potencia. De igual manera, se presentan los trabajos de investigación relacionados sobre la temática. En base al análisis de dichos trabajos, esta tesis propone una nueva metodología para optimizar la carga de los vehículos eléctricos. Se propone la participación de un nuevo agente del mercado eléctrico, el Agregador de vehículos eléctricos. Tendrá que gestionar la carga de dichos vehículos en una importante zona, coordinar con el operador de la red para evitar fallos y minimizar los costos de carga. De igual manera, se considera la diferente flexibilidad de los usuarios ya qu podrán escoger una tarifa que se adapte a su disponibilidad en espera y pagar el precio por aquello. La metodología ha sido aplicada a un caso de estudio a la red de Quito, Ecuador. Se propone también la participación en servicios de regulación, necesitando esta vez de usuarios que sean más flexibles al dejar su vehículo conectado a la red. Se considera las tarifas de la parte anterior para realizar dicho estudio. De igual manera, se aplicó al caso de estudio de la red de Quito, Ecuador. Con el crecimiento de las energías renovables, como solar y eólica, la gestión de la electricidad se vuelve más compleja. Con vistas a utilizar el exceso de energía renovable, se propone una tarifa de electricidad que permita al agregador de cargar los diferentes vehículos, tomando en cuenta precios bajos en periodos en donde la energía renovable esté en exceso. Finalmente, se plantea a planificación de generación de una microred que incluya la introducción masiva de vehículos eléctricos. Se aplicó al caso de las islas de Santa Cruz y Baltra, Galápagos, Ecuador, estudiando el impacto en los costos y en el medio ambiente de nueva generación y considerando la variación del precio del diésel debido a su incertidumbre.

In the current context, where global warming is growing progressively, it is fundamental to limit fossil fuels consumption. Hence, transportation is one of the sectors in which several changes are occurring considering the sustainability. The Electric Vehicle appears as a new solution for this gradual change; it does not pollute locally and its energy's balance is very efficient. So, different programs have been proposed for the growth of electric vehicles in the automotive market. Nevertheless, the change from internal combustion vehicles to electric vehicles generates challenges in several aspects, such as the impact in the electric grid of a massive introduction of electric vehicles: voltage drops, power losses, quality of electricity issues, important investments, among others. Several solutions in operation have been formulated, but most of them do not consider the flexibility of users, which is a significant criterion for the electric vehicle acquisition. Moreover, in several works of the literature, many variables are assumed (stateof- charge, routes, type of battery, etc), which can vary significantly depending on the user, so also the results. Finally, few works have studied the impact of electric vehicles in very complex power systems, as the ones that are isolated from a macrogrid and because of significant penetration of renewable energy sources, such as microgrids. In this context, this thesis proposes a novel approach to the participation of the electric vehicle users in operation and planning of different electric power systems. This thesis is intended to cover various topics: charging costs decrease, regulation services participation, use of an excess of renewable energy, and the power generation planning of a microgrid considering the introduction of electric vehicles. In a first part, an analysis of the electric vehicle and its interaction with power systems is presented. Additionally, the principal works on the topic are summarized. Based on the analysis of these works, this thesis proposes a new methodology for optimizing the charge of electric vehicles. The participation of a new agent of the electricity market, the electric vehicle aggregator, is proposed. It has the ability to manage the charge of the electric vehicles in a zone with significant size, to coordinate with the grid operator in order to avoid troubles and to minimize charging costs. Furthermore, the different flexibility of electric vehicle users is considered because they will choose an EV customer choice product (CCP) that is adapted to their waiting needs and to the cost they can pay. The methodology has been applied to a case study in the grid of Quito, Ecuador. The participation in regulation services has been also considered to discuss this participation in Ancillary services. The CCPs from the part before are considered for performing such study but assuming more involvement from the electric vehicle users. The case study of Quito, Ecuador, was also studied. With the growth of renewable energies, such as solar and wind, the electricity management becomes more complicated. In order to use the excess of renewable energy, an EV charging mechanism for the aggregator is proposed, based on low prices when the renewable energy is in excess. Finally, a power generation planning for a microgrid is proposed, considering the massive introduction of electric vehicles. The case of the Santa Cruz and Baltra islands, Galapagos, Ecuador are studied to determine its costs and environmental impacts, based on diesel costs sensitivity studies to account for its uncertainty.

En el context actual, on l'escalfament climàtic és cada vegada més important, hi ha la necessitat de limitar el consum de combustibles fòssils. El transport és un dels sectors en els quals més s'estan generant canvis pel que fa a la sostenibilitat. El vehicle elèctric apareix com una solució per a aquest canvi gradual ja que no contamina localment i el seu balanç energètic és molt eficient. Així, s'han proposat diferents programes per al creixement del vehicle elèctric al parc automotor. No obstant això, el canvi de vehicles de gasolina per vehicles elèctrics generen desafiaments en diversos aspectes, com son l'impacte que ocasiona a la xarxa elèctrica una implantació massiva: caigudes de tensió, pèrdues de potència, problemes amb la qualitat de l'electricitat, inversions importants, disminució de la vida útil dels transformadors, etc. S'han plantejat algunes solucions a la part operativa, però moltes d'elles no han tingut en compte la flexibilitat dels usuaris, la qual cosa és molt important per a l'adopció de vehicles elèctrics. De la mateixa manera, en moltes ocasions, en la literatura s'assumeixen valors per certes variables (estat de càrrega, recorregut, tipus de bateria, etc.) que poden canviar segons el comportament de cada usuari, el que modificaria les previsions realitzades. Finalment indicar que pocs treballs han estudiat l'impacte del que vehicles elèctrics en xarxes elèctriques on la gestió energètica és més complicada a causa del seu aïllament d'una macroxarxa i amb alta penetració d'energies renovables, com ho són les microxarxes. En aquest marc, aquesta tesi proposa un enfocament nou pel que fa a la participació dels usuaris de vehicles elèctrics en l'operació i planificació de diferents sistemes elèctrics de potència. Aquesta tracta alguns aspectes principals: disminució de costos de càrrega, participació en serveis de regulació, aprofitament d'energia renovable, així com la planificació de generació d'una microxarxa incorporant vehicles elèctrics. En una primera part, es presenta una anàlisi del vehicle elèctric i la seva interacció en sistemes de potència. De la mateixa manera, es presenten els treballs de recerca relacionats sobre la temàtica. En base a l'anàlisi d'aquests treballs, aquesta tesi proposa una nova metodologia per optimitzar la càrrega dels vehicles elèctrics. Es proposa la participació d'un nou agent del mercat elèctric, el Agregador de vehicles elèctrics. Haurà de gestionar la càrrega d'aquests vehicles en una important zona, coordinar amb l'operador de la xarxa per evitar fallades i minimitzar els costos de càrrega. De la mateixa manera es considera la diferent flexibilitat dels usuaris ja que podran escollir una tarifa que s'adapti a la seva disponibilitat en espera i pagar el preu per allò. La metodologia ha estat aplicat a un cas d'estudi a la xarxa de Quito, Equador. Es proposa també la participació en serveis de regulació, necessitant aquest cop d'usuaris que siguin més flexibles en deixar el seu vehicle connectat a la xarxa. Es consideren les tarifes de la part anterior per a realitzar dit estudi. De la mateixa manera, es va aplicar al cas d'estudi de la xarxa de Quito, Equador. Amb el creixement de les energies renovables, com solar i eòlica, la gestió de l'electricitat es torna més complexa. Amb vista a utilitzar l'excés d'energia renovable, es proposa un tarifa d'electricitat que permeti a l'agregador de carregar els diferents vehicles, especialment en períodes on l'energia renovable estigui en excés. Finalment, es planteja la planificació de generació d'una microxarxa que inclogui la introducció massiva de vehicles elèctrics. En concret, es va aplicar al cas de la illes de Santa Cruz i Baltra, Galápagos, Equador, estudiant l'impacte de la nova generació en els costos i en el medi ambient i considerant la variació del preu del dièsel, causa de la seva incertesa.