Integrating Electric Vehicles into the Norwegian Power Grid: A Case Study

Abstract

Denne masteroppgaven utforsker innvirkningen av elbiler på det norske lavspenningsnettet. Med økt elektrifisering av transportsektoren øker belastningen på nettet betydelig, noe som krever smarte løsninger for å forhindre alvorlige problemer som overlaster og strømbrudd. Oppgaven fokuserer på hvordan ulike ladestrategier kan redusere belastningen på nettet for å legge til rette for økende elektrifisering av transportsektoren. Gjennom detaljert modellering og simulering av ulike scenarier for hjemmelading av elbiler, tar oppgaven sikte på å gi verdifull innsikt i implementeringen av smarte og toveis ladesystemer. Disse systemene er essensielle for å kunne tilby den etterspurte fleksibiliteten i det norske lavspenningsnettet. Oppgaven innleder med en oversikt over de sentrale aspektene ved nettinfrastrukturen, inkludert oppbygningen av det norske strømnettet, og relevante konsepter innen elektriske kraftsystemer. Deretter utforskes effektene av elektrisk transport på strømnettet, med vekt på utfordringer knyttet til integrering av elbiler, fremtidsprognoser og de spesifikke lastkarakteristikkene som oppstår ved lading av elbiler. Videre analyserer oppgaven fleksibilitet i kraftnettet, kategoriserer ulike typer fleksibilitet og undersøker hvordan elbiler kan bidra til et mer fleksibelt kraftnett gjennom ladestrategier som smart lading og vehicle-to-grid (V2G).

En Python-modell ble utviklet og brukt til å modellere og simulere ulike ladescenarier gjennom en casestudie. Ulike scenarier ble utviklet, hver med sin egen ladestrategi. Ladestrategiene som ble undersøkt var standard lading, konstant lading, smart lading og vehicle-to-home (V2H). Standard lading refererer til ujustert lading, der elbileiere starter ladingen med en gang de kommer hjem. Konstant lading er definert som kontinuerlig lading i et forhåndsdefinert intervall, med et effektuttak som er mye lavere sammenlignet med et standard effektuttak. I denne oppgavene baserer smart lading seg på lasten ved hver husholdning, der en satt lastgrense aktiverer smart lading når den overskrides. V2H en type toveis lading der elbilbatteriet blir utladet for å overføre energi til husholdningen dersom lastgrensen overskrides. Resultatene og diskusjonen sammenligner disse scenariene basert på lastprofiler, spenning og fleksibilitetspotensial, og gir en omfattende forståelse av innvirkning deres på kraftnettet.

Oppgaven understreker viktigheten av fleksible ladesstrategier for å håndtere det økende strømforbruket fra transportsektoren. Den konkluderer med at implementering av smart lading og toveis lading kan tilby betydelig fleksibilitetspotensial ved å redusere effekttoppene som typisk oppstår i perioder med høyt forbruk fra husholdningene.

This master’s thesis explores the impact of electric vehicles (EVs) on the Norwegian low-voltage distribution grid. As the electrification of transport increases, it significantly raises the stress on the grid, necessitating solutions to prevent serious problems such as overloads and power outages. The thesis focuses on how different charging strategies can alleviate the grid strain to facilitate the integration of electric transportation. Through detailed modeling and simulation of home charging scenarios for passenger EVs, the research aims to provide valuable insights into the deployment of coordinated and bidirectional charging systems. These systems are crucial for enhancing the much-needed flexibility in the Norwegian low-voltage (LV) grid. The thesis begins by providing an overview of the key aspects of grid infrastructure, such as the structure of the Norwegian power grid, and explaining relevant electrical concepts. It continues by exploring the effects of electric transport on the power grid, highlighting challenges related to EV integration, future projections, and the specific load characteristics of EVs. The analysis extends to the flexibility within the power grid, categorizing different types of flexibility and examining the potential of EVs to contribute through charging strategies such as smart charging and vehicle-to-grid (V2G).

A Python model was created and used to simulate various charging scenarios through a case study. Different scenarios were created, each with its own charging strategy. The charging strategies that were investigated include regular charging, constant charging, smart charging, and vehicle-to-home (V2H). Regular charging refers to unadjusted charging, where the EV owners start charging immediately when they return home. Constant charging is defined as continuous charging in a predefined interval, with a charging power much lower than the regular charging level. The smart charging used in this thesis is based on the demand for each residential load, where a set load threshold activates the smart charging whenever it is exceeded. Lastly, V2H is a type of bidirectional charging where the EV battery will be discharged to transfer energy to the household if the load threshold is exceeded. The results and discussion compare these scenarios based on load, voltage, and flexibility potential, providing a comprehensive understanding of their impact on the grid.

Ultimately, this research underscores the importance of flexible charging strategies to handle the growing electricity demand from the transport sector. It concludes that implementing smart charging and bidirectional charging can offer significant flexibility potential, alleviating the stress on the grid by shifting the loads away from hours with typically high residential load demand.