Elektrikli araçların dağıtım şebekesine etkisinin maliyet analizi ve genetik algoritma ile en iyileştirilmesi
Effects of electric vehicles on distribution network, cost analysis and optimization with genetic algorithm
Yazar: HAZAL ÇİFTÇİ
Danışman: PROF. DR. BELGİN  EMRE TÜRKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde var olan enerji kaynaklarının hızla tükenmesi; bu tüketim hızının yanı sıra çevresel kirliliğin insan hayatını tehdit eder boyutlara ulaşması tüm dünyanın dikkatini çekmekte ve buna yönelik alternatif enerji kaynakları üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. 
Ulaşım sektörü çok eski zamanlardan beri var olup; günümüzde tüm dünyada ivmesini kaybetmeden büyümeye devam etmektedir. Gelişen teknolojilere bağlı olarak ulaşım sektörü oldukça dinamik bir hal almış; bu büyüme de birtakım problemleri beraberinde getirmiştir. Karayolu taşımacılığı sektörde en fazla problemin ortaya çıktığı ulaşım alt koludur zira gerek CO2 emisyonlarının neden olduğu hava kirliliği gerekse enerji tüketimindeki sürekli artış insanların günlük hayatını önemli ölçüde etkilemeye devam etmektedir. Belirli dönemlerde meydana gelen petrol krizleri, petrolün tükenebilir bir kaynak olması, çevre kirliliği açısından düşünüldüğünde verdiği zararlar, fosil yakıtlarla çalışmakta olan geleneksel araçları sürdürülebilir ve güvenilir bir yol olmaktan çıkartmıştır.
Bu nedenle birçok araç üreticisi yeni nesil alternatif enerji kaynaklarını kullanarak ulaşım sektörüne yeni bir yön vermek üzere çalışmalar yürütmektedir. Bu doğrultuda artık seri üretimine başlanan ve gün geçtikçe yaygınlaşan elektrikli araçların ise hem çevresel olarak hem de ekonomik olarak yeni bir dönem başlatacağı düşünülmektedir. Burada ise temel çekince; elektrikli araçların piyasada yaygınlaşmasıyla neden olacağı düşünülen bazı problemlerdir. Bu problemlerin çözülmesi ve gelecekte ortaya çıkması muhtemel birtakım engellerin ortadan kaldırılması amacıyla kapsamlı çalışmalar yapılması oldukça önemlidir.
Ulaştırma sektöründe elektrikli araç sayısının sürekli olarak artması; gün geçtikçe otopark kurulumunun önemini arttıracaktır. Alçak gerilim şebekesinden talep edilen gücün elektrikli araç sayısına paralel olarak artması da; dağıtım şebekesi dinamiklerinin zaman içerisinde oldukça değişeceği anlamına gelmektedir. Sürücü profilleri, davranışları, altyapıya bağlı parametreler ve analiz edilen bölgenin enerji fiyatlandırmasının doğru ve net bir şekilde bilinmesi çok önemlidir. Bu bakımdan her bir otopark kendine özgü farklı karakteristiklere sahip olacak şekilde kurulur. Bu yüzden de olası mevcut enerji kapasitesini belirlemek için detaylı çalışmalar yapılması gerekir.
Otomotiv endüstrisinin geleceği üzerine yayınlanan sektör raporları incelendiğinde; elektrikli araçların (EA) teknolojisi artık dünyanın dikkatini çeken birincil konulardan biri haline gelmiştir ve ülkeler bu araçların kullanımı ile ilgili ciddi adımlar atmaktadır. EA teknolojisi ile ayrılmaz bir bütün olarak incelenmesi gereken şarj istasyonu kurulumları ise gün geçtikçe daha çok bölgeye nüfuz etmekte ve günlük yaşamda sıkça rastlanan bir hale gelmiştir.
Türkiye'de 2009 yılı itibariyle Kyoto Protokolü'nün imzalanması ile çevresel bilinç artmış, bu kapsamda geleneksel içten yanmalı motorlar ile tahrik edilen otomobillerin çevreye yaymakta olduğu CO2 emisyonunu azaltacak birtakım önlemler alınması da gündeme gelmiştir. Ve EA teknolojisinin yaygınlaşması bu çevresel kirliliğin büyük ölçüde önüne geçecektir.
Elektrikli araç teknolojileri yaygınlaştıkça yapılan çalışmaların birçoğu batarya teknolojileri ve tahrik sistemleri ile ilgili iken; kullanım oranlarının artması ile şebeke için ek bir yük teşkil edeceği unutulmaması gereken önemli bir noktadır. Zira şebekenin birçok noktasına şarj istasyonu inşa edilmesi gündemde iken bu konumlar çoğu zaman erişilebilirlik ve alanın uygunluğuna göre belirlenmektedir. Fakat unutulmaması gereken bir husus elektrikli araçların hareketli yükler olmasıdır. Bu yükler; şebekeye bağlandıkları nokta, şebekeden çektikleri güç seviyesi, bataryalarına bağlı olarak şarj süreleri ve zamanlamaları değişken olduğundan; bu yüklenme tahminleri belirli varsayımlar dahilinde gerçekleştirilmeli; ve şebeke elemanlarının zorlanmayacağı konumlar seçilmelidir. Aynı zamanda akıllı bir şarj yönetimi ile şebekenin korunması da sağlanabilir. 
Tezin ilk kısmında konu ile ilgili literatür çalışmalarına yer verilmiş ve çalışmanın temel amacı belirtilmiştir.  İkinci kısımda EA şarj istasyonlarına dair bilinmesi gereken temel kavramlar, büyüklükler ve teknik detaylar açıklanmış; Türkiye ve Dünyada elektrikli araçların yeri, önemi ve geleceğine yer verilmiştir. Üçüncü bölümde şarj istasyonlarına dağıtım şebekesi çerçevesinden bakılarak şebekeye etkileri, talep güç içerisindeki yeri ve ekonomik bazda incelemesi verilmiştir. 
Kullanılacak yöntem, tezde ilgilenilen optimizasyon problemi ve modelleme dördüncü bölümde verilmiştir. Bu kısımda ayrıca optimizasyona ilişkin sonuçlar, sayısal değerler ve parametreler anlatılmıştır.  Benzer elektriksel optimizasyonlar için kullanılan sezgisel algoritmalar verilerek seçilen Genetik Algoritma yönteminin probleme uygulanışı açıklanmıştır. Örnek otopark senaryosu kurulmuş; izlenen yöntem tüm detaylarıyla anlatılmış ve sonuç değerleri verilmiştir.
Son bölümde sonuçlar değerlendirilmiş, çalışma özetlenmiş ve çalışmanın genel değerlendirilmesi yapılmıştır.

Abstract:
The rapid depletion of energy resources available today; In addition to this consumption rate, environmental pollution threatens human life and attracts the attention of the whole world and efforts are being made on alternative energy sources.
The transportation sector has existed since ancient times; today it continues to grow all over the world without losing acceleration. Due to the developing technologies, the transportation sector has become quite dynamic, this growth brought about some problems. Highway transportation is the sub-branch where the most problems arise; as both the air pollution caused by CO2 emissions and the continuous increase in energy consumption continue to affect people's daily lives significantly. Oil crises that occur in certain periods, the fact that oil is a consumable resource, and the damages it causes when it is considered in terms of environmental pollution, have made traditional vehicles working with fossil fuels an unsustainable and unreliable way.
The search for alternative solutions instead of the traditional vehicle technologies has attracted attention. In this direction, different concept vehicles such as hybrid, fully electric and hydrogen vehicles are being conducted in order to direct the transportation sector pointer from oil to renewable energy sources or minimum electrical energy sources.
For this reason, many of the vehicle manufacturers are using new generation alternative energy sources to carry out a new direction in the transportation sector. In line with this, it is though that electric vehicles, which have started to mass production and become widespread day by day, will start a new era both environmentally and economically. The main drawback here is the difficulties that electric vehicle drivers face with. It is very important to carry out comprehensice studies to solce these problems and to eliminate some obstacles that may arise in the future.
Continuous increase in the number of electric vehicles in the transportation; will increase the importance of the installation of the car park day by day. The increase in power demanded from the low woltage network in parallel with the number of electric vehicles; This means that the distribution network dynamics will change considerably over time. It is very important that driver profiles, behaviour, infrastructure-dependent parameters ang energy pricing of the analyzed region are accurately and clearly known. In this respect, each parking lot is set up with different characteristics. Therefore, detailed studies need to be carried out in order to determine the available energy capacity.
When the industry reports published on the future of the automotive sector are examined; The technology of electric vehicleshas now become one of the primary concerns of the world, and countries are taking serious steps towards their use. Charging station installations, which should be examined as an integral part of Electric Vehicle (EV) technology, have penetrated more regions and become common in daily life.
With the signing of the Kyoto Protocol in 2009, Turkey has increased environmental awareness. In this context, to reduce CO2 emissions, with cars driven bt conventional internal combustion engines to spread into the environment certain precautions are not taken has also come into question. And the spread of EV technology will largely prevent this environmental pollution.
Another issue that will gain importance with the spread of electric vehicles is charging stations. The charging stations, which will be installed over time, must be equipped to meet all needs. Existing electric vehicle charging stations in Turkey allows only draw power from the grid by charging the battery. Since this will also be a very large load to the network, if relatively small changes are made when designing the charging stations; power can also be transferred in the opposite direction. This reverse flow and the management of this flow with the help of smart networks is called as ' Vehicle to Grid (V2G) Operation" in the literature.
As EV technologies become widespread, most of the work is related to battery technologies and propulsion systems. It is important to note that the increase in the rates of use of electric vehicles will create an additional burden for the network. While charging stations are buit on many points of the network, these locations are often determined by accessibility and suitability of the area. But one thing to remember is that electric vehicles are moving loads. These loads; the point they are connected to the grid, the power level they draw from the grid, the charging times and timings are variable depending on their batteries;these overload estimates should be made within certain assumptions; and positions where the network elements are not to be forced. At the same time, network protection can be achieved with intelligent charge management.
When electric vehicles are in the parking lot, the vehicle batteries have a large energy storage system because vehicles are generally deployed in bulk. The reason for this is that electric vehicle users tend to charge their vehicles at parking points where fleet vehicles are parked in bulk, according to usage scenarios. Electric vehicles behave in a way as distributed energy sources and are therefore predicted to be an important player in the future electricity market.
In this context, the spread of electric vehicle technology; has paved the way for charging stations to gain a more permanent place in the distribution network. Charging is characterized by a high level of concurrency and power demand; electric vehicles are also weldable; the load prediction scenarios have changed considerably.
The lack of control of the charging of electric vehicles during critical hours of energy demand significantly increases the power demand from the distribution network. Electric vehicles are considered as active power in both directions of movement in the network. Therefore, the impact of these tools on the network should be evaluated in detail. Considering the high energy capacity of this effect and the widespread use of electric vehicles, it will be ensured that the charging stations to be built will be mass-deployed; expected to be significant. It is inevitable that these effects will determine the design, positioning and control of charging stations. Minimize the impact of the control strategy on the electric vehicle in the distribution network; it is even possible to design it to reset from time to time.
This new and increasing demand that the existing distribution network could not handle; If the power flow is unidirectional, it will make new infrastructure investments inevitable. Therefore, by establishing smart charging stations and developing a certain charge and discharge strategy, electric vehicles should be made available within the existing budgets of distribution companies without requiring new investments. Smart grids protect the protection of electric vehicle batteries; It also allows the charging and discharging to be slowed down, extending the useful life of the network and transformers by shifting to hours when the energy demand of these processes is lower, as well as shifting the loads.
The ability of electric vehicle batteries to be a source at the point of storing energy; it will be particularly beneficial for energy production, such as wind and solar energy, which varies according to the seasons, periods and even certain times of the day. Because the produced energy fluctuates to a great extent and when stored, it can give a constant output. In this case, when variable electricity pricing is applied in many countries according to demand; The extra wind energy produced at night will be transferred to the grid between the hours when the energy price is the highest and will increase the profitability of the users. In addition, car owners who have their vehicles in the parking lot during low demand times will charge their charging times in this range and reduce energy purchase costs. For all these situations, the biggest obstacle to smart grid applications is; As the circulation of vehicle usage in parking lots will change, these are the problems that will arise in determining the appropriate time for a vehicle to buy or sell electricity. For this reason, optimization algorithms developed on this subject have always been created through vehicle use scenarios and their performance has been checked. The optimal charge and discharge time must be determined within the limits of the parking space and the owner of the vehicle and therefore require an intelligent optimization algorithm that can handle nonlinear and discontinuous variables.
In the first part of this theses, literature review on the subject is given and the main purpose of the study is stated. In the second part; basic concepts, sizes and technical details of EV charging stations are explained; the importance of EVs are given for both Turkey and the other countries. In the third chapter, the effects of the charging stations on the distribution network, their place in the demand power and economic analysis are given.
The method that used in the thesis, the optimization problem and also the modelling that are interested are given in the fourth chapter. In this section, optimization results, numerical values and parameters are explained. By applying heuristic algorithms for similar electrical optimizations, the application of the selected Genetic Algorithm method to the problem is explained. An example parking scenario was established, the method followed is esplained in detail and the result values are given.
In the last section, the results are evaluated, the study is summarized and the general evaluation of the study is made.