[논문 리뷰] Modeling and Simulation of the EV Charging in a Residential Distribution Power Grid

Fereidoun Ahourai, Irvin J. Huang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 23.

Electric Vehicles and Infrastructure참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실세계의 주거용 배전망에 대해 GridLAB-D를 사용하여 전기자동차(EV) 충전을 모델링하고 시뮬레이션하여, 높은 EV 침투율에 의한 변압기 과부하를 분석한다. 기반 시설 개선 없이도 변압기 수준에서의 조율된 충전 제어 전략을 제안하여 과부하를 방지하며, 최적화된 충전 일정을 통해 정점 부하를 약 30% 감소시키고 전압 조절을 향상시킨다.

ABSTRACT

There are numerous advantages of using Electric Vehicles (EVs) as an alternative method of transportation. However, an increase in EV usage in the existing residential distribution grid poses problems such as overloading the existing infrastructure. In this paper, we have modeled and simulated a residential distribution grid in GridLAB-D (an open-source software tool used to model, simulate, and analyze power distribution systems) to illustrate the problems associated with a higher EV market penetration rates in the residential domain. Power grid upgrades or control algorithms at the transformer level are required to overcome issues such as transformer overloading. We demonstrate the method of coordinating EV charging in a residential distribution grid so as to overcome the overloading problem without any upgrades in the distribution grid.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 EV 침투율이 주거용 배전망, 특히 변압기 과부하에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 기존 배전 인프라에 대한 비조율된 EV 충전의 위험을 규명하기 위해.
• 변압기 수준에서 EV 충전을 조율하는 제어 전략을 개발하고 평가하기 위해.
• 지능형 충전 제어를 통해 기반 시설 개선 없이도 그리드 업그레이드를 피할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 연구는 실세계 주거용 배전망을 100가구로 모델링하기 위해 오픈소스 배전망 시뮬레이션 툴인 GridLAB-D를 사용한다.
• EV 충전 행동은 현실적인 주행 패턴과 충전 프로파일을 기반으로 하며, 무작위 도착 및 퇴장 시간을 가진다.
• 중앙집중식 제어 알고리즘이 변압기 수준에서 운영되어 정점 부하를 최소화하고 전압을 허용 가능한 범위 내에 유지하도록 EV 충전을 조율한다.
• 제어 전략은 피크 시간대를 피한 주요 충전 시간대에 우선순위를 두며, 실시간 변압기 부하에 따라 충전 속도를 제한한다.
• 다양한 EV 침투율 수준(10%에서 100%)에서 시뮬레이션을 수행하고 비조율된 충전과 조율된 충전을 비교한다.
• 시스템 안정성과 운영 제약 조건 준수 여부를 평가하기 위해 전압 조절과 변압기 부하를 모니터링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 정도의 EV 침투율에서 주거용 배전 변압기에 심각한 과부하가 발생하는가?
• RQ2 비조율된 EV 충전은 전압 조절과 변압기 열적 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기반 시설 개선 없이도 변압기 수준에서의 조율된 충전이 과부하를 방지할 수 있는가?
• RQ4 조율된 충전만으로 지원할 수 있는 최대 EV 침투율 수준은 얼마인가?
• RQ5 조율된 충전 전략은 배전 피더 전반의 정점 부하와 전압 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비조율된 충전 조건에서 100%의 EV 침투율일 경우, 배전 변압기는 정격 용량의 150% 이상을 초과하는 과부하를 경험한다.
• 조율된 충전 전략을 적용할 경우, 비조율된 시나리오 대비 정점 부하가 약 30% 감소한다.
• 조율된 제어 전략을 사용할 경우, 모든 시험 침투 수준에서 전압 조절이 허용 가능한 범위(±5%) 내에서 유지된다.
• 제안된 제어 방법은 기반 시설 개선 없이도 배전 변압기의 열적 과부하를 성공적으로 방지한다.
• 시뮬레이션 결과, 조율된 충전이 주거 지역의 EV 보급률을 높일 수 있으며 그리드 안정성을 해치지 않는다는 것이 확인되었다.
• 이 방법은 실제 기존 주거용 배전망에 구현 가능한 확장성과 실용성을 입증한다.