Electric vehicle load impact on 400 V distribution system: Monte Carlo simulation

Abstract

The Icelandic government adopted the Paris Agreement pledge to undertake aggressive efforts to combat climate change and reduce greenhouse gas emissions. The energy transition of the transportation system has been identified as one of the primary methods to achieve the targets of the Paris Agreement. The transition from internal combustion engine vehicles to electric vehicles (EV) or plug-in hybrid vehicles has already started. The increase of EV sales in Iceland is expanding rapidly as the Icelandic government is incentivizing consumers to choose clean energy vehicles by offering subsidies.The impact of EV charging loads on electric distribution systems will escalate as the amount of EVs increases. In 2018, Samorka, the association of energy and utility companies, launched a research study to collect data and analyze the driving- and charging behavior of EVs in Iceland.One of the key purposes of the study for distribution utility companies was to determine whether the system in its current state could withstand increased stresses brought on by EV charging within the system. In this thesis, the impact of an added EV charging load on one specific distribution substation system within the greater capital area was simulated and analyzed. The objective was to pinpoint any weaknesses in the system and determine at which point the system became overloaded with respect to the line thermal limitations and the voltage regulation limits. This was achieved by analyzing data from the Samorka electric vehicle research study and subsequently modeling an EV charging load profile. A load profile for the residential households within the distribution substation system was also generated. The EV charging load profile was generated for each EV type and five specifically defined seasonal categories. Pandapower data analysis software and power flow solver was used to compute the power flow of the distribution substation system. The Monte Carlo simulation method was then used to predict the probability for variation of outcomes.The study concludes that this particular distribution substation system is sufficiently robust to handle the added EV load, performing above initial expectations. As increasing amounts of EVs were added to the system, critical limits of the system were breached and the most vulnerable branch of the system was identified. The voltage drop limit was breached most frequently and was therefore concluded to be the most likely limit to breached with increasing EV charging loads on the system.

Ísland er hluti af Parísar samkomulaginu og hefur verið eitt af áherslumálum ríkisstjórnarinnar. Árið 2018 skipaði umhverfis og auðlindaráðherra verkefnisstjórn til að útbúa aðgerðaáætlun í loftslagsmálum til að tryggja ákvæðin í Parísar sáttmálanum.Verkefnisstjórnin skilaði af sér aðgerðaáætlun sem innihélt tillögur um 34 aðgerðir til að stuðla að minnkun á losun gróðurhúsalofttegunda. Ein af helstu áhersluatriðum í aðgerðaáætluninni eru orkuskipti í samgöngum. Ríkistjórnin og alþingi samþykktu niðurfellingu á virðisaukaskatti til að liðka fyrir sölu á rafbílum og öðrum bílum sem nota endurnýjanlega orkugjafa. Skráðir rafbílar á Íslandi hefur fjölgað mikið síðustu ár.Orkuskiptin á samgöngum gera það að verkum að meira álag verður á rafmagnsdreifikerfið. Samorka, sem eru samtök orku og veitufyrirtækja á Íslandi stóð fyrir rannsókn um raf- og tengiltvinnbíla hleðslu til að sjá hvernig Íslenska raforkukerfið er í stakk búið fyrir aukið álag sem fylgir auknu rafbílahleðsluálagi.Til að herma þetta aukna hleðsluálag á 400 V dreifikerfi í Reykjavík, var sérstök dreifistöð sem þjónar íbúðarhverfi í Reykjavík notuð og búnir voru til álagsprófílar fyrir hverja íbúð. Rafbíla hleðsluálags prófílar voru búnir til úr gögnum frá Samorku.Báðir hleðsluprófílarnir voru flokkaðir í 5 flokka. Líkanagerð og hermun var gerð í Pandapower og Monte Carlo hermunaraðferð var notuð til að spá fyrir um líkurnar á útkomu niðurstaðanna. Dreifikerfið sem um ræðir, réð almennt vel við aukið rafbílaálag. Þegar bætt var við rafbílum í hermunina þá var veikleiki 400 V dreifikerfisins fundinn, ásamt yfirlestun strengs og brot á vikmörkum á afhendingarspennu. Brot á vikmörkum á afhendingarspennu kom upp við minni hermaðan rafbílaflota en yfirlestun á streng.