Efficient operation of recharging infrastructure for the accommodation of electric vehicles: a demand driven approach

Abstract

Large deployment and adoption of electric vehicles in the forthcoming years can have significant environmental impact, like mitigation of climate change and reduction of traffic-induced air pollutants. At the same time, it can strain power network operations, demanding effective load management strategies to deal with induced charging demand. One of the biggest challenges is the complexity that electric vehicle (EV) recharging adds to the power system and the inability of the existing grid to cope with the extra burden. Charging coordination should provide individual EV drivers with their requested energy amount and at the same time, it should optimise the allocation of charging events in order to avoid disruptions at the electricity distribution level. This problem could be solved with the introduction of an intermediate agent, known as the aggregator or the charging service provider (CSP). Considering out-of-home charging infrastructure, an additional role for the CSP would be to maximise revenue for parking operators. This thesis contributes to the wider literature of electro-mobility and its effects on power networks with the introduction of a choice-based revenue management method. This approach explicitly treats charging demand since it allows the integration of a decentralised control method with a discrete choice model that captures the preferences of EV drivers. The sensitivities to the joint charging/parking attributes that characterise the demand side have been estimated with EV-PLACE, an online administered stated preference survey. The choice-modelling framework assesses simultaneously out-of-home charging behaviour with scheduling and parking decisions. Also, survey participants are presented with objective probabilities for fluctuations in future prices so that their response to dynamic pricing is investigated. Empirical estimates provide insights into the value that individuals place to the various attributes of the services that are offered by the CSP. The optimisation of operations for recharging infrastructure is evaluated with SOCSim, a micro-simulation framework that is based on activity patterns of London residents. Sensitivity analyses are performed to examine the structural properties of the model and its benefits compared to an uncontrolled scenario are highlighted. The application proposed in this research is practice-ready and recommendations are given to CSPs for its full-scale implementation.

Η μεγάλη ανάπτυξη και υιοθέτηση ηλεκτρικών οχημάτων τα επόμενα χρόνια μπορεί να έχει σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως τον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής και τη μείωση των ατμοσφαιρικών ρύπων που προκαλούνται από την κυκλοφορία. Ταυτόχρονα, μπορεί να επιβαρύνει τη λειτουργία του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, απαιτώντας αποτελεσματικές στρατηγικές διαχείρισης φορτίου για την κάλυψη της ζήτησης φόρτισης. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι η πολυπλοκότητα που προσθέτει η φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων (EV) στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και η αδυναμία του υπάρχοντος δικτύου να αντιμετωπίσει την επιπλέον επιβάρυνση. Ο συντονισμός φόρτισης θα πρέπει να παρέχει στους οδηγούς ηλεκτρικών οχημάτων την απαιτούμενη ποσότητα ενέργειας και, ταυτόχρονα, θα πρέπει να βελτιστοποιεί την κατανομή των φορτίσεων προκειμένου να αποφευχθούν διακοπές στο επίπεδο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να λυθεί με την εισαγωγή ενός ενδιάμεσου φορέα, γνωστού ως Φορέα Σωρευτικής εκπροσώπησης ή Παρόχου Υπηρεσιών Φόρτισης(CSP). Λαμβάνοντας υπόψη τις υποδομές φόρτισης εκτός σπιτιού, ένας πρόσθετος ρόλος του CSP θα ήταν να μεγιστοποιήσει τα έσοδα για τους φορείς εκμετάλλευσης στάθμευσης. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει στην ευρύτερη βιβλιογραφία της ηλεκτροκίνησης και των επιπτώσεών της στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας με την εισαγωγή μιας μεθόδου διαχείρισης εσόδων με βάση τις διακριτές επιλογές. Αυτή η προσέγγιση αντιμετωπίζει λεπτομερώς τη ζήτηση φόρτισης, καθώς επιτρέπει το συνδυασμό μιας μεθόδου αποκεντρωμένου ελέγχου με ένα μοντέλο διακριτής επιλογής που αποτυπώνει τις προτιμήσεις των οδηγών ηλεκτρικών οχημάτων. Οι ευαισθησίες στα συνδυαστικά χαρακτηριστικά φόρτισης και στάθμευσης που χαρακτηρίζουν τη ζήτηση έχουν εκτιμηθεί με το EV-PLACE, μια διαδικτυακή έρευνα δηλωμένων προτιμήσεων. Το πλαίσιο μοντελοποίησης με διακριτές επιλογές αξιολογεί ταυτόχρονα τη συμπεριφορά φόρτισης εκτός σπιτιού με αποφάσεις καθημερινόυ προγραμματισμού και στάθμευσης. Επίσης, οι συμμετέχοντες στην έρευνα λαμβάνουν πληροφορίες για τις αντικειμενικές πιθανότητες των διακυμάνσεων στις μελλοντικές τιμές ώστε να διερευνηθεί η αντίδραση τους στη δυναμική τιμολόγηση. Οι εμπειρικές εκτιμήσεις παρέχουν πληροφορίες για την αξία που δίνουν τα άτομα στα διάφορα χαρακτηριστικά των υπηρεσιών που προσφέρονται από τον CSP. Η βελτιστοποίηση της λειτουργίας υποδομών φόρτισης αξιολογείται με το SOCSim, ένα πλαίσιο μικροπροσομοίωσης που βασίζεται σε μοτίβα καθημερινής δραστηριότητας των κατοίκων του Λονδίνου. Οι δομικές ιδιότητες του μοντέλου αξιολογούνται με αναλύσεις ευαισθησίας και τα οφέλη του επισημαίνονται σε σύγκριση με ένα σενάριο χωρίς βελτιστοποίηση. Η μέθοδος που προτείνεται σε αυτή την έρευνα διατίθεται για πρακτικές εφαρμογές και η διατριβή παρέχει συστάσεις στους CSP προς αυτήν την κατεύθυνση.