Coordinated integration of battery electric vehicles to a power system and its effect on the load curve

Abstract

The proliferation of electric vehicles poses new challenges to the safe and economic operation of electric power systems. If electric vehicles are integrated without proper control strategies, load demand peaks will increase, and the grid may be overloaded. Coordinated methods are expected to introduce potential solutions to mitigate these negative impacts. To that end, this thesis presents a conceptual framework to effectively integrate plug-in electric vehicles into the grid. The proposed method is based on a two-stage optimization process that aims to reduce the overall load variance considering a discrete charge/discharge rate, which is largely unexplored. The first stage consists on solving a quadratic programming (QP) optimization problem, while the second stage aims at solving a mixed-integer quadratic programming (MIQP) optimization problem that uses binary variables to schedule the on/off states of the charging/discharging process. With this formulation, two approaches, vehicle-to-grid (V2G) and charging methods, were considered to evaluate the impact on the demand curve and generating costs due to the integration of electric vehicles within the system. Case studies for a typical islanded power system and the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 10-unit system were conducted to demonstrate that the proposed algorithms perform as expected. Traditional unit commitment problem was used to address the variations of generating costs with and without the addition of plug-in electric vehicles. Numerical results reported for the different case studies and scenarios showed that V2G and charging operations can help flatten the overall load curves and reduce generating costs by performing appropriate schedules of the charge and discharge process of electric vehicles.

La proliferación de vehículos eléctricos presenta nuevos desafíos para la operación segura y económica de los sistemas de potencia eléctrica. Si los vehículos eléctricos se integran sin las estrategias de control adecuadas, los picos en la curva de carga aumentarán y la red se sobrecargará. Se espera que la utilización de métodos coordinados introduzca soluciones potenciales para mitigar estos impactos negativos. Con ese fin, esta tesis presenta una estrategia conceptual para integrar efectivamente los vehículos eléctricos con la red. El método propuesto está basado en un proceso de optimización de dos etapas que tiene como objetivo reducir la variación de la curva global de carga, considerando una razón de carga/descarga discreta, lo que ha sido investigado muy poco. La primera etapa consiste en resolver un problema de programación cuadrática, mientras que la segunda etapa tiene como objetivo resolver un problema de programación cuadrática entera-mixta que utiliza variables binarias para definir los estados de encendido/apagado del proceso de carga y descarga. Con esta formulación, se consideraron dos métodos, vehículo a red (“V2G”) y carga, para evaluar el impacto en la curva de demanda y los costos de generación debido a la integración de los vehículos eléctricos con el sistema. Para demostrar que los algoritmos propuestos funcionan según esperado se realizaron estudios utilizando un típico sistema de potencia tipo isla y el sistema de 10 unidades del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE por sus siglas en inglés). El problema tradicional de comisión de unidades se utilizó para evaluar la variación de los costos de generación con y sin la adición de los vehículos eléctricos. Los resultados numéricos obtenidos para los diferentes casos de estudio y escenarios mostraron que las operaciones de “V2G” y carga de los vehículos pueden ayudar a nivelar las curvas globales de consumo y reducir los costos de generación mediante la implementación adecuadamente de los procesos de carga y descarga de los vehículos eléctricos.