Electric vehicle charge scheduling for residential neighbourhoods and commercial buildings

The advent of electric vehicles (EVs) promises to be a game-changer for the world’s shift to sustainability. EV deployment has been accelerating in the past decade due to many factors, and it is expected to increase in the future at an exponential pace. However, the higher the EV penetration level, the higher power demand is imposed on the power system, which increases the risk of frequency unbalance at the grid. Moreover, the main challenge ahead lies in improving the range and reducing the cost of the currently available technologies, especially the charging costs. This thesis aims to provide a sort of solution to minimize the impact of EV charging on the power grid by providing smart charging models and proposing new smart charging technologies for two scenarios of namely, a residential neighbourhood scenario and a commercial building scenario. We formulate a cost minimization model that minimizes the electricity bill of a commercial facility by optimizing the charging schedule of its EVs based on the variable electricity prices and using a proposed technology of three-phase charging clusters. In addition, we formulate another model for a residential neighbourhood of two optimization stages; The first is based on the peak shaving concept of reducing the impact of high power demand due to enormous EV penetration from an energy supplier standpoint. The second subsequent stage aims to reduce the houses’ electricity bills obtained by the first stage in the entire neighbourhood. After performing extensive experiments of different scenarios for both models, we find that the commercial model proves the advantages of high power charging clusters having charging points up to 4 to replace the single-phase single-socket chargers. Similarly, the results of the residential scenario show the high feasibility level of the proposed model in reducing the peak power demand to its minimum values compared to using only cost minimization models. It also proves that the two-stage model can satisfy at least 90% of the houses in a particular neighbourhood with a cost reduction rate that could reach 20% in some cases.

L'avvento dei veicoli elettrici (EV) promette di essere un game-changer per il passaggio del mondo alla sostenibilità. La diffusione dei veicoli elettrici è stata accelerata nell'ultimo decennio a causa di molti fattori e si prevede che aumenterà in futuro ad un ritmo esponenziale. Tuttavia, più alto è il livello di penetrazione dei veicoli elettrici, più alta è la domanda di energia che viene imposta al sistema elettrico, il che aumenta il rischio di squilibrio di frequenza nella rete. Inoltre, la sfida principale è quella di migliorare l'autonomia e ridurre il costo delle tecnologie attualmente disponibili, specialmente i costi di ricarica. Questa tesi mira a fornire una sorta di soluzione per ridurre l'impatto della ricarica dei veicoli elettrici sulla rete elettrica, fornendo modelli di ricarica intelligente e proponendo nuove tecnologie di ricarica intelligente per due scenari, ovvero uno scenario di quartiere residenziale e uno scenario di edificio commerciale. Formuliamo un modello di minimizzazione dei costi che minimizza la bolletta elettrica di una struttura commerciale ottimizzando il programma di ricarica dei suoi veicoli elettrici basato sui prezzi variabili dell'elettricità e utilizzando una tecnologia proposta di cluster di ricarica trifase. Inoltre, formuliamo un altro modello per un quartiere residenziale di due livelli di ottimizzazione dove il primo è basato sul concetto di peak shaving per ridurre l'impatto dell'alta domanda di energia dovuta all'enorme penetrazione dei veicoli elettrici dal punto di vista del fornitore di energia. Mentre la seconda fase successiva mira a ridurre le bollette elettriche delle case ottenute dalla prima fase in tutto il quartiere. Dopo aver eseguito ampi esperimenti di diversi scenari per entrambi i modelli, troviamo che il modello commerciale dimostra i vantaggi dei cluster di ricarica ad alta potenza con punti di ricarica fino a 4 per sostituire i caricabatterie monofase a presa singola. Allo stesso modo, i risultati dello scenario residenziale mostrano l'alto livello di fattibilità del modello proposto nel ridurre la domanda di potenza di picco ai suoi valori minimi rispetto all'utilizzo di soli modelli di minimizzazione dei costi. Si dimostra anche che il modello a due fasi può soddisfare almeno il 90% delle case in un certo quartiere con un tasso di riduzione dei costi che potrebbe raggiungere il 20% in alcuni casi.