Analyse dezentraler netzorientierter Laderegelungen von Elektrofahrzeugen

Abstract

Aktuelle Umweltprobleme, Ressourcenknappheit und ineffiziente Technologien geben Anlass zum Umdenken. Vor allem unser Verständnis von Mobilität und deren Bereitstellung sollte neu überdacht werden. Möchte man zukünftig den Großteil der Fahrzeuge elektrisch betreiben, so müssen frühestmöglich netzschonende Ladestrategien entwickelt werden, welche zudem kostengünstig implementiert werden können. Diese Arbeit verfolgt den Ansatz, die Abstellzeiten von Fahrzeugen bestmöglich für Ladevorgänge auszunutzen. Durch leistungsbegrenzende Eingriffe werden Fahrzeugladungen zeitlich ausgedehnt. Diese Manipulationen finden so statt, dass die Ladeleistungen bei aktuell hoher Netzauslastung minimiert werden. Um Kommunikationssysteme zu vermeiden, finden die Ladestationen die Information über den lokalen Netzzustand in der Knotenspannung. Anhand einer fiktiven Modellsiedlung wurden zahlreiche Simulationen durchgeführt. Dieses Netz weist einen hohen Grad an regenerativer Energieerzeugung durch Photovoltaik und elektrischer Mobilität auf. Es wurde ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem verschiedenste Lastgänge und Fahrzeugprofile untersucht werden können. Im ersten Schritt wurden die Netzzustände aufgrund von Variationen aus Haushaltslasten, Photovoltaikeinspeisungen und ungesteuerten Fahrzeugladungen analysiert. Durch die Implementierung eines dezentralen, kennlinienbasierten Regelverfahrens kann das Ausmaß von Ladeeingriffen durch Parametervariationen gesteuert und optimiert werden. Unter anderem fanden Analysen mit äquivalenten Reglern an allen Gebäuden sowie Auswertungen mit an die örtliche Lage angepassten Ladeeingriffen statt. Kapazitive Blindleistung bei niedrigen Effektivwerten der Knotenspannungen soll eine zusätzliche Anhebung und somit Verbesserung der Spannungsverhältnisse liefern. Abschließend erfolgte die Bewertung der verschiedenen Ladestrategien anhand von Knotenspannungsniveaus über vierwöchige Zeiträume, welche zusammenfassend das hohe Potential des in dieser Arbeit vorgestellten Regelverfahrens aufzeigt. Bei optimal eingestellten Regelparametern ergibt sich eine bestmögliche Netzverbesserung, ohne Abstriche der Mobilität in Kauf nehmen zu müssen. Durch die dezentrale Laderegelungen werden nicht nur Schwankungen der Spannungs-Effektivwerte begrenzt. Zusätzlich werden vor allem beim Einsatz von dreiphasigen Ladesystemen die dreiphasigen Knotenspannungen in ihrem Zeitverlauf geglättet und "symmetrisiert".

Environmental problems, scarcity of resources and inefficient technologies require a reassessment of our understanding of mobility and its deployment. Gridfriendly charging strategies need to be developed as early as possible, if most of the vehicles should be powered by electricity in the future. Furthermore, these systems have to be cost-efficient in their implementation. This work follows the approach to take advantage of the standstills of vehicles in the best way possible for charging processes. Charging loads are extended in time by power limiting operations. Therefore, the charging loads will be minimized at high grid utilization. In order to avoid communication systems, the charging stations will find the information about the local grid condition in the node voltage. Various simulations were performed on a fictitious model settlement. This grid has a high level of regenerative energy supply of photovoltaik systems and electrical mobility. With the developed simulation model, a variety of load curves and vehicle charging profiles can be simulated. In the first step, the grid situation was analyzed on the basis of variations of household loads, photovoltaic supplies and uncontrolled vehicle chargings. By implementing a decentralized, curve-based control method, the amount of power limitation operations can be controlled and optimized by parameter variations. Evaluations with equivalent charging controls on all buildings were conducted. In a further step, the parameters were adapted to the local node voltage situation of the buildings. Capacitive reactive power at low values of the node voltages should additionally increase and improve the voltage levels. Finally, the assessment of the different charging strategies, based on node voltage levels over four-week periods, was performed. This valuation collectively demonstrates the high potential of the control method proposed in this work. The grid conditions can be improved best without limiting the mobility, if the control parameters are set optimally. The decentralized charging controls are not only limiting fluctuations of the rms voltage values. Especially with the use of three-phase charging systems, the three-phase node voltages are smoothed and "symmetrized" in addition.