Integration of electric vehicles into microgrids and distribution grid

This thesis reports the results of the three-years activities carried out during the XXXVI cycle of the Ph.D. course in Industry 4.0 of Politecnico di Bari. The main goal of this work regards the integration of electric vehicles into microgrids and distribution networks by means of technological solutions and operation programming methodologies covering different approaches of the involved actors. Charging infrastructures in DC microgrid architectures that involve renewable energy resources, electrochemical storage systems are considered promising for numerous fields of implementation. In addition, vehicle-to-grid technology allows electric vehicles to be exploited as additional storage systems further to smart charge regulation. The potential of these systems lies in the possibility of coordinating all resources by means of optimization algorithms for operation planning, to achieve economic and technical objectives, and to enable the microgrid to perform various functions by means of its resources including electric vehicles, such as reserve provision, supporting active power for electricity grids, controlling peak shaving and load shifting, and regulating voltage and frequency. The control of the microgrid is entrusted to the energy management system, which is able to set the optimal level of power exchange between components, depending on certain objectives by means of manifold procedures accounting for specific issues related to electric vehicles and relevant charging stations, energy storage and renewable sources. Analogously, the integration of electric vehicles in wider frameworks such as energy communities and distribution networks requires proper energy management functions dealing with technical and economic challenges while interacting with microgrid-level energy management system or smart charging stations. A first analysis deals with day-ahead planning procedure for microgrids supplying electric vehicles, based on assumptions and forecasts, with a focus on the possibility of internal reserve provision and the integration of fast-charge stations. Monitoring and measurement systems play a central role in a microgrid, as they provide data from the field to the management system. Within this framework, another research topic focuses on the analysis of a monitoring architecture for data acquisition and control command communication between the energy management system and field devices. Furthermore, the possibility of aggregating microgrids into energy communities is addressed through a day-ahead scheduling strategy for managing the resources of DC microgrids within community with the aim of respecting the power exchange in a first level procedure, while ensuring internal reserve levels to cope with forecast errors in photovoltaic generation as well. In addition, the effects of integrating electric vehicles on distribution networks is assessed by defining methodologies and simulation tools for managing vehicle charging. In particular, the economic and environmental impact of operating electric vehicles in parking lots, and the role of integrated stationary storage systems in achieving economic and environmental benefits is evaluated through optimization strategies with technical and economic objectives. Finally, the development of multi-objective strategies, based on microgrid and distribution network planning methodology, allows to assess the effects of these systems on distribution network operation, laying the basis for studying the role of energy communities integrated into distribution networks. The thesis work is framed in the activities developed by power system group at Politecnico di Bari within EU H2020 projects (CONNECT and PROGRESSUS) culminated with the realization of a DC microgrid for supplying electric vehicles as project use case.

Questo lavoro di tesi riporta i risultati di tre anni di attività svolte durante il XXXVI ciclo del corso di dottorato in Industria 4.0 del Politecnico di Bari. L'obiettivo principale del lavoro è incentrato sull'integrazione dei veicoli elettrici nelle microreti e nelle reti di distribuzione mediante soluzioni tecnologiche e metodologie di programmazione con diversi approcci dei soggetti coinvolti nella loro gestione. Le infrastrutture di ricarica in architetture di microreti in corrente continua che coinvolgono anche risorse energetiche rinnovabili, e sistemi di accumulo elettrochimico sono tra le più promettenti per i numerosi campi di implementazione. Inoltre, la tecnologia vehicle-to-grid permette di utilizzare i veicoli elettrici come sistemi di accumulo aggiuntivi oltre a controllare i processi di carica. Il potenziale di questi sistemi risiede nella possibilità di coordinare tutte le risorse mediante algoritmi di ottimizzazione, al fine di raggiungere obiettivi economici e tecnici, e di abilitare la microrete a diverse funzioni, come la fornitura di riserve, il supporto di potenza attiva per le reti elettriche, il controllo dei picchi di carico, la regolazione della tensione e della frequenza. Il controllo della microrete è affidato al sistema di gestione dell'energia, in grado di impostare il livello ottimale di scambi di potenza tra i componenti, in funzione di determinati obiettivi, attraverso molteplici procedure che portano in conto di condizioni specifiche legate ai veicoli elettrici e alle relative stazioni di ricarica, all'accumulo di energia e alle fonti rinnovabili. Analogamente, l'integrazione dei veicoli elettrici in contesti più ampi, come le comunità energetiche e le reti di distribuzione, richiede adeguate funzioni di gestione dell'energia che affrontino le sfide tecniche ed economiche durante l'interazione con i sistemi di gestione dell'energia a livello di microrete o con le stazioni di ricarica. In questo contesto, l'obiettivo del presente lavoro è quello di sviluppare strategie di gestione dell'energia, basate su procedure di ottimizzazione, per gestire le problematiche di integrazione dei veicoli elettrici a diversi livelli. In particolare, una prima analisi riguarda la procedura di pianificazione day-ahead per le microreti che integrano stazioni di ricarica per veicoli elettrici, basata su ipotesi e previsioni, con focus sulla possibilità di fornitura di riserva interna e sull’integrazione delle stazioni di ricarica fast-charge. I sistemi di monitoraggio e misurazione svolgono un ruolo centrale in una microrete, poiché forniscono dati dal campo al sistema di gestione. In questo quadro, un altro tema di ricerca è l'analisi di un’architettura di monitoraggio per l'acquisizione dei dati e la comunicazione dei comandi di controllo tra il sistema di gestione dell'energia e i dispositivi di campo. La possibilità di aggregazione di microreti in comunità energetiche è affrontata attraverso una strategia di programmazione day-ahead per la gestione delle risorse di una comunità energetica che comprende microreti in corrente continua, al fine di garantire la coerenza degli scambi di potenza delle microreti rispetto a una pianificazione a più livelli, garantendo anche livelli di riserva interna per tener conto di errori di previsione di produzione fotovoltaica. Inoltre, gli effetti dell'integrazione delle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici sulle reti di distribuzione sono valutati definendo metodologie e strumenti di simulazione per la gestione della ricarica dei veicoli elettrici. In particolare, l’impatto economico e ambientale dell’operatività dei veicoli elettrici nelle stazioni di ricarica, anche installate in modalità aggregata sui singoli nodi, e il ruolo dell’integrazione dei sistemi di accumulo stazionario nel raggiungimento di benefici economici ed ambientali è valutato attraverso strategie di ottimizzazione con obiettivi tecnici ed economici. Infine, lo sviluppo di strategie multi-obiettivo, sulla base delle metodologie di programmazione delle microreti e delle reti di distribuzione, permette di valutare gli effetti dell'integrazione di questi sistemi all'interno delle reti di distribuzione, ponendo le basi per lo studio del ruolo delle comunità energetiche all'interno di esse. Il lavoro di tesi è inquadrato nelle attività sviluppate dal gruppo di Sistemi Elettrici del Politecnico di Bari nell'ambito dei progetti europei H2020 (CONNECT e PROGRESSUS) culminati con la realizzazione di una microrete in corrente continua per l'alimentazione di veicoli elettrici come caso d'uso dei progetti.