Future Electricity Network Management : Effects and Possibilities of Local Markets and Electric Vehicles

Abstract

This dissertation develops new potential solutions for the management of future electricity distribution networks, focusing in particular on the possibilities of large-scale electric vehicle integration, virtual power plants and local market. The work examines the interactions between distribution network agents and proposes the use of a Stackelberg game-based bilevel optimization framework for distribution system management. In this approach, the distribution system operator can indirectly regulate the operation of virtual power plants through active and reactive power pricing. In addition, the dissertation proposes a so-called virtual battery model for electric vehicle (EV) parking lot that reduces computational complexity of EV-related simulations and a cost-effective charger allocation method for electric vehicle parking areas.

The widespread use of EVs and its consequent charging demand may increasingly cause congestion in distribution networks in the future. This means that, at certain times, the existing transmission capacity of power lines and transformers may not be sufficient. The local active and reactive markets examined in this work can improve the overall efficiency of the electricity system and distribution networks. These markets enhance the ability of distribution networks to integrate more variable renewable energy resources and electric vehicles through efficient management and control strategies. Moreover, the proposed virtual battery model successfully represents the charging profile of EV parking lots, providing accurate results with reduced computational complexity. The charger-sharing approach optimizes the utilization of EV chargers, allowing parking lots to serve more vehicles with fewer charging stations, thereby reducing investment costs and promoting the expansion of EV infrastructure.

Väitöskirjassa kehitetään uusia mahdollisia ratkaisuja tulevaisuuden sähkönjakeluverkkojen hallintaan keskittyen erityisesti laajamittaisen sähköautojen integroinnin, virtuaalivoimalaitosten ja paikallisten markkinaratkaisuiden hyödyntämismahdollisuuksiin. Työssä tarkastellaan jakeluverkon toimijoiden välisiä vuorovaikutuksia ja ehdotetaan kaksitasoisen Stackelbergin peliteoriaan perustuvan optimointistrategian hyödyntämistä jakeluverkkojen hallinnassa. Kyseisessä strategiassa jakelu-verkonhaltijan on mahdollista epäsuorasti säädellä virtuaalivoimalaitosten toimintaa pätö- ja loistehon hinnoittelun avulla. Lisäksi väitöskirjassa ehdotetaan kompleksisuutta vähentävää ns. virtuaaliakkua sekä kustannustehokasta laturien jakamis-menetelmää sähköautojen pysäköintialueille.

Sähköautojen laajamittainen yleistyminen ja lataaminen saattaa aiheuttaa ns. pullonkaulatilanteita jakeluverkoissa kasvavissa määrin tulevaisuudessa. Tämä tarkoittaa sitä että tietyillä ajanhetkillä sähköjohtojen ja muuntajien olemassa oleva siirtokapasiteetti ei välttämättä riitä ilman joustoja. Työssä tarkasteltujen paikallisten pätö- ja loistehopohjaisten joustomarkkinoiden avulla onkin mahdollista parantaa sähköjärjestelmän ja jakeluverkkojen kokonaistehokkuutta sekä jakeluverkkojen kykyä integroida enemmän vaihtelevaa uusiutuvaa energiantuotantoa sekä sähköautoja esimerkiksi erilaisten hallinta- ja ohjausstrategioiden avulla. Väitöskirjassa ehdotetun virtuaaliakkumallin todettiin kuvaavan onnistuneesti sähköautojen pysäköintialueen kokonaislatausprofiilia samalla yksinkertaistaen ja nopeuttaen laskentaa. Lisäksi ehdotetun sähköautojen pysäköintialueiden latausasemien jakamismenetelmän avulla on mahdollista tehokkaammin palvella useampia sähköajoneuvoja pienemmällä latausasemien määrällä mikä taasen pienentää kokonaisinvestointikustannuksia.