Hardware-in-the-loop co-simulation environment for testing grid integration of electric mobility with precise charging models

Abstract

Die steigende Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen (EVs) stellt eine Herausforderung für elektrische Verteilnetze dar. Studien belegen, dass der hohe Leistungsbedarf gleichzeitig ladender Fahrzeuge zu Netzproblemen, beispielsweise Verletzungen des erlaubten Spannungsbandes oder Transformatorüberlastungen, führen kann. In der Literatur werden unterschiedliche intelligente Ladealgorithmen für EVs vorgeschlagen, welche das Ziel verfolgen, diese Probleme zu überwinden. Viele dieser Ansätze wurden jedoch nicht unter realen Bedingungen mittels standardisierter Ladeinfrastruktur evaluiert. In dieser Arbeit wurde eine Hardware in the Loop (HIL) Co-Simulationsumgebung entwickelt, um die Netzauswirkungen intelligenter Ladealgorithmen zu simulieren und die Realisierbarkeit dieser Ansätze an standardisierter Ladeinfrastruktur testen zu können. Um die entwickelte Umgebung zu prüfen, wurden mehrere exemplarische Ladealgorithmen implementiert und deren Netzauswirkungen in Simulationen verglichen. Weiters wurde die Emulation eines Fahrzeugladevorgangs mitentwickelt und die Kontrollierbarkeit der genutzten steuerbaren Last analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die HIL Co-Simulationsumgebung und die Implementierung eines präzisen EV Modells neuartige Untersuchungen der Realisierbarkeit von Ladealgorithmen ermöglichen. Außerdem können verschiedene "Devices under Test" auf deren Standardkonformität und Interoperabilität hin analysiert werden. Die Möglichkeit, diese und andere Tests ohne die Anwesenheit realer Fahrzeuge durchzuführen, erhöht die Effizienz zukünftiger Forschung im Bereich der Netzintegration von Elektromobilität.

The increasing market penetration of electric vehicles (EVs) is a challenge for electric distribution grids. Studies show that the high power demand of simultaneously charging vehicles can lead to grid issues, such as violations of the allowed voltage band or transformer overloads. In order to overcome these problems, various smart charging algorithms for EVs have been proposed in literature. However, many of these approaches have not been evaluated under real life conditions using standardised EV charging infrastructure. For this thesis, a hardware-in-the-loop (HIL) co-simulation environment has been developed to simulate the grid impacts of smart charging algorithms as well as to test the feasibility of these approaches on standardised charging equipment. In order to assess the developed environment, several exemplary charging algorithms have been implemented, and their grid impacts have been compared in simulations. Furthermore, the emulation of an EV charging process has been co-developed and analysed with respect to the controllability of the utilised programmable load. Results show that the HIL co-simulation environment and the implementation of a precise EV model enable novel investigations on the feasibility of smart charging approaches. Moreover, standard conformance and interoperability can be analysed on devices under test. The possibility of conducting these and other tests without the presence of real vehicles significantly enhances the efficiency of future research on the grid integration of electric mobility.