Elektrikli araç şarj istasyonlarının alçak gerilim dağıtım şebekesine bağlantısı ve etkilerinin incelenmesi
Examination of the connection and impacts of electric vehicle charging station on the low voltage distribution network
Yazar: EZGİ SOLAK ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dağıtım planlaması = Distribution planning ; Dağıtım sistemleri = Distribution systems ; Dağıtım şebekeleri = Distribution networks ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles

Özet:
Sürdürülebilirlik son zamanlarda yaşamın her alanında karşımıza çıkan bir kavram haline gelmiştir. Özellikle enerji sektörü düşünüldüğünde sürdürülebilirlik daha da kritik hale gelmektedir. Geçmiş yıllarda kömür, linyit, petrol gibi fosil yakıtların baz yükü karşıladıkları dikkate alındığında; hem fosil kaynakların dünyadaki varlığının azalması hem de enerji üretimi sırasında oluşturdukları CO2 ve bu gazın salınımı sürdürülebilir kavramının tam anlamıyla karşında bir konumda yer almaktadır. Bu noktadan yola çıkılarak son yıllarda rüzgâr, güneş, su gibi daha çevreci ve yenilebilir enerji kaynaklarına doğru yönelim başlamıştır. 
Üretim sektöründeki bu enerji dönüşümü sürdürülebilir bir enerji altyapısının temelini oluştururken tek başına yeterli değildir. Özellikle tüketim tarafında da belirli adımların atılması kaçınılmazdır. Tüketim tarafındaki adımlardan bir tanesi ve belki de en önemlisi çevre dostu ulaşım araçlarının kullanımdır. Çevre dostu ulaşım denildiğinde akla gelen ilk husus elektrikli araçlardır. İçten yanmalı motorların yerine tamamen elektrikli veya hibrit (hem içten yanmalı hem de elektrik motoru bulunan) elektrikli araçların geçmesiyle fosil yakıtların CO2 salınımında büyük bir düşüş olacaktır. Ancak bu durum sadece araçlardaki CO2 salınımının azalmasından dolayı olumlu olarak değerlendirilmemeli, farklı alanlarda yaptığı tüm etkiler bütüncül olarak incelenmelidir.
Elektrikli araçlar alçak gerilim dağıtım şebekelerine bağlanacak şarj istasyonları üzerinden gerekli enerjiyi bataryalarına depolamaktadır. Ancak alçak gerilim dağıtım şebekelerinin mevcut altyapısı düşünüldüğünde talep tahminlerinde öngörülmeyen bu ilave yük; havai hatlarda, yeraltı kablolarında, güç ve dağıtım transformatörlerinde kapasite yetersizliği, baralarda ise gerilim düşümü problemine neden olacaktır. Ayrıca elektrikli araçların şarj gücü, şarj süresi ve dağıtım şebekesinin hangi noktasından enerji alacağı vb. belirsizlikler hem işletmede hem de planlamada oldukça önemli sıkıntılar ortaya çıkarmaktadır.
Elektrikli araçların dağıtım şebekelerine etkilerinin doğru değerlendirilebilmesi için ilgili bileşenler detaylıca incelenmelidir. Bu bileşenlerden ilki elektrikli araç çeşitleri olup temelde tamamen, hibrit veya yakıt hücreli elektrikli araçlar olmak üzere üç çeşittir. Her bir araç tipinin farklı batarya kapasiteleri ve farklı ihtiyaçları bulunmaktadır. Bir diğer önemli bileşen ise elektrikli araç şarj istasyonu teknolojileri ve standartlarıdır. Kuzey Amerika'da, Avrupa'da ve Uzakdoğu'da geçerli birbirinden farklı şarj istasyonu standartları yer almaktadır. Bu standartlara bağlı olarak şarj istasyonu çeşitleri özellikle akım tipini, şarj süresini ve talep edilecek gücü belirledikleri için oldukça önemlidir.
Elektrikli araç şarj istasyonlarının dağıtım şebekelerine olan teknik etkileri temel anlamda yük profili değişimi ve ilave yüke bağlı olarak puant yük artışı, gerilim profili değişimi, mevcut dağıtım şebeke varlıklarının kapasite yetersizlikleri ve gerilim düşümü problemleridir. Özellikle dağıtım şebekelerindeki varlıklar bu ilave yükler dikkate alınmadan boyutlandırıldığı için yetersiz gelmektedir.
Yapılan bu çalışmada IEEE'nin yayınlamış olduğu Avrupa alçak gerilim test fideri kullanılarak PSS®SINCAL v19.5 güç sistemleri analizi yazılımı aracılığıyla elektrikli araç şarj istasyonlarının alçak gerilim dağıtım şebekesine etkisi incelenmiştir. Özellikle hat ve dağıtım transformatöründe kapasite yetersizliği, aşırı yüklenme ve gerilim düşümü ihlalleri dikkate alınarak elektrikli araç şarj istasyonlarının uygunluk kestirimi için bir metodoloji oluşturulmuştur. Bu metodolojiye uygun olarak farklı senaryolar belirlenmiş ve uygun kapasiteler hesaplanmıştır. Özellikle V2G teknolojinin maksimum uygunluğa etkisi senaryolar da ayrıca değerlendirilmiştir.

Abstract:
Sustainability has become a prevalent concept in every aspect of life in recent times. Particularly, when considering the energy sector, sustainability becomes even more crucial. In the past years, fossil fuels such as coal, lignite, and oil have been the primary sources meeting the base load of energy demand. However, when considering the diminishing presence of fossil resources worldwide and the carbon dioxide (CO2) emissions generated during energy production, the concept of sustainability stands prominently before us.
Starting from this point, there has been a growing transition towards more environmentally friendly and renewable energy sources like wind, solar, and hydropower. This energy transition is driven by the need to address both the depletion of fossil resources and the environmental impact of CO2 emissions during energy generation. Embracing renewable energy not only ensures a more sustainable energy future but also contributes to mitigating climate change by reducing greenhouse gas emissions. As we continue to navigate the path of sustainability, this transition to cleaner energy sources marks a significant step towards a more environmentally conscious and resilient future.
While the energy transformation in the power generation sector lays the foundation for a sustainable energy infrastructure, it is not sufficient on its own. Taking specific steps on the consumption side is inevitable, especially when it comes to environmental considerations. One crucial step on the consumption side, perhaps the most significant, is the adoption of eco-friendly transportation vehicles. When we talk about environmentally friendly transportation, electric vehicles immediately come to mind.
The transition from internal combustion engines to battery electric or hybrid (both internal combustion and electric motor-equipped) vehicles will result in a substantial reduction in CO2 emissions from fossil fuels. However, this situation should not be evaluated positively solely based on the decrease in CO2 emissions from vehicles; its holistic impact across various areas must be thoroughly examined.
The reduction in CO2 emissions from vehicles is just one aspect; the comprehensive evaluation should encompass its effects on air quality, noise pollution, and overall environmental sustainability. Embracing eco-friendly transportation is a multifaceted solution that extends beyond mitigating greenhouse gas emissions, contributing to creating more livable and sustainable urban environments. Therefore, to achieve true sustainability, a combination of energy transformation in production and conscious consumption choices, such as adopting environmentally friendly transportation, is essential.

Electric vehicles store the required energy in their batteries through charging stations connected to low-voltage distribution networks. However, considering the current infrastructure of low-voltage distribution networks, the additional load unpredicted in demand forecasts poses challenges. This additional load can lead to capacity inadequacies in overhead lines, underground cables, power and distribution transformers, and voltage drop issues along the feeders.
Moreover, uncertainties surrounding factors such as the charging power of electric vehicles, charging times, and the specific connection point in the distribution network from which energy will be drawn create significant challenges both in operation and planning. These uncertainties can result in operational inefficiencies and complicate strategic planning efforts. Addressing these issues requires a comprehensive approach that involves upgrading the existing infrastructure, implementing smart grid technologies, and developing robust predictive models for demand side management. By proactively addressing these challenges, we can ensure a seamless integration of electric vehicles into the power grid, fostering a sustainable and efficient electric transportation ecosystem.
In order to accurately assess the impact of electric vehicles on distribution networks, the relevant components must be thoroughly examined. The first of these components is the types of electric vehicles, which essentially fall into three categories: battery electric, hybrid, or fuel cell electric vehicles. Each type of vehicle has different battery capacities and distinct requirements. Understanding and accommodating these variations are crucial for proper integration into the distribution network.
Another significant component is the technology and standards associated with electric vehicle charging stations. Different charging station standards are prevalent in North America, Europe, and the Far East. The variety of charging station types, especially in terms of current type, charging duration, and the power demanded, plays a critical role in shaping the impact on the distribution network. Adherence to these standards is paramount as they influence the specifications of charging stations, influencing factors such as the type of current, charging time, and power demand.
A comprehensive evaluation of these components is necessary to develop a resilient and adaptive distribution network that can effectively handle the diverse requirements of electric vehicles. By addressing the nuances of vehicle types and charging station standards, it can be implemented tailored solutions that facilitate the seamless integration of electric vehicles into the existing infrastructure while ensuring efficiency, reliability, and sustainability.
The technical effects of electric vehicle charging stations on distribution networks primarily involve changes in load profiles and an increase in peak load due to additional demand. These effects result in alterations to voltage profiles, capacity inadequacies in existing distribution network assets, and voltage drop issues. The assets in distribution networks are often dimensioned without considering these additional loads, leading to insufficiencies, particularly as the demand for electric vehicle charging continues to grow.
The change in load profiles is a fundamental aspect of the technical impact. Electric vehicle charging introduces a dynamic load that varies throughout the day, affecting the overall load pattern on the distribution network. This fluctuation, coupled with the increase in peak load during charging periods, necessitates a reassessment of the distribution network's capacity and resilience.

Furthermore, the voltage profile changes as a consequence of the additional load, impacting the overall stability of the distribution network. Voltage drop issues may occur, affecting the quality and reliability of power supply to connected loads. Existing assets within the distribution network may experience capacity inadequacies as they were originally designed without accounting for the evolving demands introduced by electric vehicle charging stations.
To address these technical challenges, it is imperative to conduct thorough assessments of existing distribution network assets, considering the changing load profiles and additional peak loads associated with electric vehicle charging. Upgrading infrastructure, incorporating smart grid technologies, and implementing predictive modeling for load management are essential steps to ensure the seamless integration of electric vehicle charging stations into distribution networks while maintaining reliability and performance.
In this study, the impact of electric vehicle charging stations on low-voltage distribution networks was investigated using the European Low Voltage Test Feeder published by IEEE, and the power system analysis software PSS®SINCAL v19.5. Specifically, considering capacity inadequacies in lines and distribution transformers, overloading, and voltage drop violations, a methodology for assessing the suitability of electric vehicle charging stations was developed.
To assess the compliance of electric vehicle charging stations, a methodology was established, and the appropriate capacities for each charging station were calculated over time. This time-series analysis was crucial for understanding the varying demands imposed by electric vehicle charging, ensuring that the distribution network could effectively handle the load changes associated with each charging station.