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title: EV charging & PV curtailment
tags: [research]

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EV charging & PV curtailment
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###### tags: `research`

## Slides
https://docs.google.com/presentation/d/1DZtnlNfU50YusGu_q1Qs0jBrvH6qIfOX6gHnx19Nm74

## Reference
- [Electric Vehicle Charge–Discharge Management for Utilization of Photovoltaic by Coordination Between Home and Grid Energy Management Systems](https://ieeexplore.ieee.org/document/8326541)
    - 2019 IEEE Transactions on Smart Grid
    - 透過 HEMS 和 GEMS 的溝通，減少用電戶的成本及太陽能削減的量
- [Electric Vehicle Charging Management Using Auction Mechanism for Reducing PV Curtailment in Distribution Systems](https://ieeexplore.ieee.org/document/8770121)
    - 2019 IEEE Transactions on Sustainable Energy
    - [早稻田大學報導](https://www.waseda.jp/top/news/65881)
    - 以拍賣機制，使用電戶能調整電動車充電的時間，去獲取報酬，同時解決太陽能削減的問題
- [知乎：太阳能，风电被称为垃圾电，请从电网角度...](https://www.zhihu.com/question/52518196/answer/160063019)
    - 分析鴨子曲線問題、太陽能發電占比高對電網的影響
- [Energy Storage Requirements for Achieving 50% Solar Photovoltaic Energy Penetration in California](https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66595.pdf)
    - 美國 National Renewable Energy Laboratory (NREL) 的報告
    - 太陽能佔 50% 的目標下，電網需要做的改進，著重在儲能部分

## Electric Vehicle (EV)
電動車與家中電網有連接 (vehicle-to-home, V2H) ，就可以透過 Home Energy Management System (HEMS) 進行**充放電**的控制。
因此電動車的電池 (容量約16kWh~90kWh)，可儲存太陽能的發電，在需要時放電給家中使用，也減少太陽能被削減的量。

## Photovoltaic (PV)
再生能源最大的問題是發電不穩定，而太陽能在中午是發電高峰，如果供需不平衡，就會需要減少發電量，而關掉太陽能發電是較有效的方式（相較於關閉火力發電），這個太陽能的損耗稱為 **PV Curtailment**。

![](https://i.imgur.com/WMZhaQN.png)
上圖的 Duck Curve (鴨子曲線）畫出電網太陽能以外其他發電源（淨負荷，net load）在一天內的變化情況：
- 12pm的波谷，太陽能有 overgeneration 的可能
- 從8am到12pm 和 12pm到8pm，要根據太陽能的發電，減少其餘發電源的量
- 考驗電網的靈活性 (Grid Flexibility)

PV Curtailment 有兩個目的：
- 維持能源需求及供給的平衡
- 在 low-voltage distribution systems (LVDS) 下，避免電壓上升超過上限

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## Paper1
2019 IEEE Transactions on Smart Grid
[Electric Vehicle Charge–Discharge Management for Utilization of Photovoltaic by Coordination Between Home and Grid Energy Management Systems](https://ieeexplore.ieee.org/document/8326541)

提出管理電動車充放電的 framework，透過用電戶與電網之間交換訊息，使家庭能源系統 HEMS 控制電動車的充放電，以**減少用電戶的成本和 PV Curtailment**

### Method
![](https://i.imgur.com/PfykHHT.png)

1. 預測今日6am到明天6am的「住家電力消耗」及「太陽能輸出」
2. HEMS 依據上步驟預測出的電力結果，在最小化用電戶成本的前提下，決定出一個「暫時的電動車充放電計畫」
3. 將該計畫傳給 GEMS，可以預估出「每一用電戶的 PV Curtailment」，再回傳給每一個 HEMS
4. HEMS 依據這些用電資訊，決定電動車電池的「初始 SoC」(今日6am)
5. 監測**實際**「住家電力消耗」及 PV Curtailment，實時調整電動車充放電的量

### Simulation Result
- HEMS 決定充放電計畫，沒有跟 GEMS 交換資訊，和實時控制
![](https://i.imgur.com/qiZhUYq.png)
:::info
夜間電價便宜時充電，白天放電供給家庭用電，反而造成大量的 PV Curtailment
:::

- 依照本篇提出的方法
![](https://i.imgur.com/FARZlX8.png)
:::danger
與一般想像不同！在白天太陽能高峰時充電，無太陽能時放電供給家庭用電。用電戶成本 和 PV Curtailment 都最低
:::

## Paper2
2019 IEEE Transactions on Sustainable Energy
[Electric Vehicle Charging Management Using Auction Mechanism for Reducing PV Curtailment in Distribution Systems](https://ieeexplore.ieee.org/document/8770121)

根據拍賣機制 (second price sealed bid auction) ，讓用電戶能主動照電網的要求，移動電動車充電的時間，不要在清晨或晚上，而是在中午，以減少 PV Curtailment，並根據所有人投標的金額去決定報酬。

考慮到三個議題：
- Determination of appropriate amount of charging shift
    - 適當的充電移動量
- Assurance of autonomy
    - 用戶在比較**調整充電時間的收益**和**電動車的方便**後，自願參與投標
- Assurance of equity
    - 報酬要依據用戶的貢獻度，調整充電時間的用戶要獲得較多的錢


### Method
![](https://i.imgur.com/ZzNDGUJ.png)

...

![](https://i.imgur.com/N8uHqFX.png)

### Simulation Result
- Case1: 所有用戶在隨機時間充電
- Case2: 所有用戶在2am-4am充電
- Case3: 最佳解。依照本篇方法，但無預測誤差，及得標者為最佳，得標者在11am-1pm充電，其餘在2am-4am
- Case6: 依照本篇方法，有預測誤差，及得標者非最佳，得標者在11am-1pm充電，其餘在2am-4am


![](https://i.imgur.com/z1LZPcF.png)

## Paper3
2018 IEEE Transactions on Smart Grid
[Distributed Energy Management for Comprehensive Utilization of Residential Photovoltaic Outputs](https://ieeexplore.ieee.org/document/7494643)

[Paper1](#Paper1) 的前作，整體架構及流程都差不多，但在預測和最佳化有詳細說明，以 **KNN** 預測 PV 和用電。

### Method

#### 框架
分成 HEMS(demand) 及 GEMS(supply) 兩個系統
![](https://i.imgur.com/28u6SYq.png)

#### HEMS 的流程
![](https://i.imgur.com/CINRuKk.png)

#### GEMS 的流程
![](https://i.imgur.com/1fb6LDB.png)
