Optimiertes Lademanagement von E-Kfz zur Spannungsstabilisierung im Niederspannungsnetz

Abstract

In the context of climate-friendly energy generation and the reduction of the share of fossil fuels in the sectors of electricity, heat and transport, the integration of renewable energies continues. As a result of the long-term increase in energy prices, there is also a growing desire on the part of private individuals for energy independence as well as self-sufficiency with energy. This leads to a strong increase in single-phase and three-phase connected PV systems and battery storage systems as well as three-phase connected heat pumps, which in turn leads to new conditions due to the much higher rated power of the facilities. The transformation of the transportation sector and the push for electric mobility with 1,000,000 vehicles registered during 2021 will lead to a further increase in single-phase and three-phase loads. Low-voltage grids, in contrast to other grid levels, have the peculiarity that loads are largely connected in single-phase, as the operating equipment often has low loads. The much higher rated powers of PV systems, battery storage, heat pumps and electric vehicles have a direct impact on grid stability and are reflected by low and unbalanced grid voltages on the phases. This work deals with the balancing as well as the voltage stability of the three phases in the low-voltage grid using intelligent "Grid-to-Vehicle" (G2V) as well as "Vehicle-to- Grid" (V2G) applications of electric vehicles. Initially, the definition of unbalance and limit values as well as the calculation of unbalanced load flows is conducted. It is ana- lyzed how loads with both single-phase and three-phase grid connection generate unbalances. This is followed by the development of a G2V approach to balancing and a V2G approach to balancing and voltage stability. Based on existing measured values, given by the charging infrastructure, an optimization approach is applied to determine an optimal charging or discharging power to stabilize the grid state. Conceptually, no communication technology connection or stored network topologies in the electric vehicle are assumed. Within the framework of simulations for the defined scenarios 2020, 2025 as well as 2030, the function of the developed solution is demonstrated and the approaches without adaptation of the charging power are compared with G2V and V2G. The fundamental verification of the developed G2V approach is carried out within the framework of a hardware test. In a laboratory test, the G2V approach is implemented in an e-vehicle and the compensation of voltage unbalance is evaluated.

Im Rahmen einer CO2-neutralen Energiegewinnung und der Reduzierung des Anteils fossiler Energieträger in den Sektoren Strom, Wärme und Transport erfolgt die Integration von regenerativen Energien. Infolge der langfristig zunehmenden Energiepreise steigt der Wunsch von Privatpersonen nach energetischer Unabhängigkeit sowie der Eigenversorgung mit Energie. Die Folge ist ein starker Zubau an einphasig und dreiphasig angeschlossenen PV-Anlagen und Batteriespeichern sowie dreiphasig angeschlossenen Wärmepumpen, was zu neuen Herausforderungen durch die wesentlich höheren Bezugsleistungen der Anlagen führt. Die Umstellung des Verkehrssektors und die Forcierung der Elektromobilität mit einer Summe von 1.000.000 Fahrzeugen im Laufe des Jahres 2021 führt zu einem weiteren Anstieg von einphasigen und dreiphasigen Lasten. Niederspannungsnetze weisen im Gegensatz zu anderen Netzebenen die Besonderheit auf, dass Lasten großteils einphasig angeschlossen sind, da sie oft geringe Leistungen aufweisen. Die wesentlich höheren Bezugsleistungen von PV-Anlagen, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen wirken sich unmittelbar auf die Netzstabilität aus und spiegeln sich durch niedrige und unsymmetrische Netzspannungen auf den Phasen wieder. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Symmetrierung sowie der Spannungshaltung der drei Phasen im Niederspannungsnetz unter Verwendung von intelligenten „Grid-to-Vehicle“ (G2V) sowie „Vehicle-to-Grid“ (V2G) Anwendungen von Elektrofahrzeugen. Eingangs erfolgt die Definition von Unsymmetrie und Grenzwerten sowie die Berech- nung von unsymmetrischen Lastflüssen. Es wird analysiert, wie Lasten sowohl mit ein- phasigem als auch mit dreiphasigem Netzanschluss Unsymmetrien erzeugen. Im An- schluss wird auf die Entwicklung eines G2V-Ansatzes zur Symmetrierung und eines V2G-Ansatzes zur Symmetrierung und Spannungshaltung eingegangen. Auf Basis von vorhandenen Messwerten, gegeben durch die Ladeinfrastruktur, erfolgt mit Anwendung eines Optimierungsansatzes die Bestimmung einer optimalen Lade- bzw. Entladeleistung zur Stabilisierung des Netzzustandes. Dabei wird konzeptionell von keinerlei kommunikationstechnischer Anbindung oder hinterlegten Netztopologien im Elektrofahrzeug ausgegangen. Im Rahmen von Simulationen für die definierten Szenarien 2020, 2025 sowie 2030 wird die Funktion der entwickelten Lösung aufgezeigt und die Ansätze ohne Anpassung der Ladeleistung mit G2V und V2G verglichen.