Operation of an EV parking lot subject to capacity-based grid tariffs offering grid services through demand response

Abstract

Selv om den raske økningen i bruken av elektriske biler (EVs) gir mange miljømessige og økonomiske fordeler, medfører det også nye utfordringer for kraftsystemet. For å gjøre EVs til en del av løsningen og ikke en del av problemet, undersøkes en fleksibel EV-parkeringsplass. Driften av EV parkeringsplassen optimaliseres for å redusere driftskostnadene og toppforbruket til det tilkoblede kontorbygget, samtidig som det tilbys nettjenester gjennom et incentivbasert etterspørsels-responsprogram (IBDRP). Data fra et eksisterende kontorbygg og EV-parkeringsplass brukes sammen med prisdata fra day-ahead markedet.

For å håndtere kortsiktig planlegging i driften av kontorbygget og den tilkoblede EV-parkeringsplassen, implementeres et Receding Horizon (RH)-rammeverk. RH-rammeverket kan håndtere IBDRP-aktiveringssignaler som er gitt med variende varslingstider før parkeringsplassen slår av ladingen. Dekomponeringsmetoden Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) brukes for å gi fremtidige kostnadskurver til RH-planleggingen. De fremtidige kostnadskurvene implementeres for å strategisk hensynta de langsiktige konsekvensene av å øke månedlig toppeffekt på grunn av effekttariffen. Den kombinerte modellen testes for varierende varslingstider, varierende grader av EV-struping ved IBDRP-aktivering, og en implementering av Vehicle-to-grid-teknologi (V2G) som kan levere strøm tilbake til kontorbygget og/eller nettet.

Modellen evalueres ved bruk av ulike varslingstider (0, 2 og 12 timer). Med 12 timers varsling håndterer systemet effektivt de uventede signalene med en 0,57% kostnadsøkning sammenlignet med modellen uten struping. Derimot så sliter modellen med de kortere varslingstidene. 2 timers varsling fører til en 35% økning i effekt-tariffkostnader, og 0 timers varsling resulterer i at bare 49% av den reduserte energien blir omfordelt. Implementering av V2G-funksjonalitet begrenser systemet ytterligere, med 12 timers varsling som det eneste vellykkede scenariet, som viser til en 3,2% total kostnadsøkning ved maksimal effektlevering til nettet. I tillegg testes et eksisterende IBDRP som tilbyr økonomiske incentiver gjennom reduksjon av effekt-tariffkostnadene. 12 timers varsling gir en 1,8% reduksjon i driftskostnader, mens kortere varslingstider ikke klarer å møte ladebehovene.

Hovedfunnene indikerer at et IBDRP kan være av stor verdi for eieren av kontorbygningen samt for DSOen. Med tilstrekkelig varslingsperiode kan kontorbygningen møte DSOens krav om reduksjon av forbruk, og potensielt redusere driftskostnadene samtidig som de dekker behovene for EV lading.

While the rapid increase in the adoption of Electric Vehicles (EVs) brings forth many environmental and economic benefits, it also presents new challenges for the power systems. To make the EVs a part of the solution and not a part of the problem, a flexible EV parking lot is investigated. The operation of the EV parking lot is optimized to reduce the cost of operation and peak consumption for the connected office building, while also offering grid-services through an incentive-based demand response program (IBDRP). Data from an existing office building and EV parking lot is used together with day-ahead spot price data.

To handle the short-term planning in the operation of the office building and connected EV parking lot, a Receding Horizon (RH) framework is implemented. The RH framework can handle the IBDRP activation signals which are given with varying notice time before the the parking lot shuts off the charging. The decomposition technique Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) is used to provide future cost curves to the RH planning. The future cost curves are implemented to strategically account for the long-term implications of raising the monthly peak demand due to the demand charge cost. The combined model is tested on varying notice times, varying degrees of EV charging reduction in the IBDRP activation, and an implementation of Vehicle-to-grid (V2G) technology which can provide power back to the office building and/or power grid.

The model performance is evaluated under various notice times (0, 2, and 12 hours). With a 12 hour notice, the system effectively manages the unexpected signals with only a 0.57% cost increase compared to the Base Case. However, it struggles with shorter notice times. The 2 hour notice time leads to a 35% peak cost increase, and the 0 hour notice time results in only 49% of throttled energy being reallocated. Implementing V2G functionality further constrains the system, with the 12 hour notice time being the only successful scenario, showing a 3.2% total cost increase at maximum power delivery to the grid. Additionally, an existing IBDRP offering economic incentives through demand charge cost reduction is tested. The 12 hour notice time scenario achieves a 1.8% reduction in operational costs, while the shorter notice times fail to meet charging demands.

The main findings indicate that an IBDRP can be of great value to the office building owner and the DSO. With sufficient notice time, the office building can meet the DSOs throttling demand, and potentially reduce operational costs while also covering the EV owners charging needs.