Analysis and testing of frequency services provided by electric vehicle clusters

In the last few years, the electrical grid has been undergoing radical changes. Renewable energy sources (RESs) have been progressively replacing traditional ones, thus contributing to the reduction of the power systems inertia, which was mainly granted by synchronous generators. RESs, on the contrary, do not own any rotating mass, and without additional control loops, it is not possible for them to contribute to the system’s inertia. This constitutes a problem, since low-inertia grids are much more susceptible to disturbances, leading to a high instability in terms of frequency. To address this issues, several solutions are possible, among which there is the use of grid connected inverters coupled with battery energy storage systems (BESSs), as well as clusters of electric vehicles (EVs). EVs can be connected to the grid by means of either unidirectional (i.e., G2V) or bidirectional (i.e., V2G) architectures. Despite being the V2G system more flexible in helping the grid, G2V is more prominent in the current EV market. For this reason, in this research the frequency services provided by aggregation of unidirectional charging EVs will be analyzed. More in detail, a review of frequency control services is carried out, including the corresponding requirements for response time and accuracy. Moreover, the capability of EVs clusters to provide different services is assessed, including the delays in the control/load management, and the response times of EVs. Finally, the effect of the different control architectures is investigated, through the comparison of the performance obtained with centralized control and with distributed control architectures.

Negli ultimi anni, la rete elettrica è stata oggetto di radicali traformazioni. Le fonti energetiche rinnovabili (RES) hanno progressivamente sostituito quelle tradizionali, contribuendo alla riduzione dell'inerzia del sistema elettrico, prima garantita dai generatori sincroni. Al contrario, le RES non possiedono alcuna massa rotante e di conseguenza, senza anelli di controllo aggiuntivi, non hanno possibilità di controlllare l'inerzia del sistema. Ciò costituisce un problema, dal momento che le reti caratterizzate da una bassa inerzia sono maggiormente soggette a perturbazioni e ad una maggiore instabilità in termini di frequenza. Per far fronte a questa situazione è possibile considerare diverse soluzioni, tra cui l'utilizzo di inverter accoppiati a sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS), oppure a gruppi di veicoli elettrici (EV). I veicoli elettrici possono essere connessi alla rete per mezzo di architetture unidirezionali (G2V) o bidirezionali (V2G). Nonostante la tipologia V2G garantisca maggiore flessibilità nel supportare la rete, la tipologia G2V risulta al momento più rilevante nel mercato attuale. Per questo motivo, in questa ricerca verrà analizzato il supporto della rete in termini di frequenza da parte di gruppi di veicoli elettrici con ricarica unidirezionale. Più in dettaglio, è stata effettuata una revisione dei servizi ausiliari di frequenza, includendo la richiesta in termini di tempi di risposta e accuratezza. Inoltre, è stata valutata l'efficacia da parte dei veicoli di fornire tali servizi, includendo valutazioni sui ritardi nella comunicazione, e sul tempo di risposta dei veicoli stessi. Infine, è stato investigato l'effetto delle diverse architetture di controllo, attraverso la comparazione delle prestazioni ottenute tramite controllo centralizzato e tramite controllo distribuito.