Investigation of the Effects of Electric Vehicle Charging Stations on the Distribution Network

Öz

Electric vehicle (EV) charging stations constitute a critical infrastructure component in facilitating the widespread adoption of sustainable and environmentally friendly transportation systems. Nevertheless, the integration of EV charging stations into distribution networks presents notable technical challenges, primarily due to their high-power demand characteristics. Fast-charging operations, in particular, can introduce voltage fluctuations, harmonic distortions, and thermal overloading within the system. Concurrent charging events in localized areas can result in abrupt load variations, thereby degrading power quality and potentially leading to increased system losses, protection malfunctions, and insufficient grid capacity. In regions with high EV charging station density, substantial infrastructure upgrades and capital expenditures may be req uired to maintain network reliability. This study investigates the grid-level impacts of EV charging stations through simulation-based analyses carried out using the DIgSILENT PowerFactory software environment. The medium-voltage single-line diagram of the Fırat University campus is adopted as the test network to assess the operational implications of integrating EV charging loads. The findings contribute to a more accurate assessment of the technical impacts of fast EV charging stations such as voltage drop, increased harmonic distortion, and transformer loading and support the development of more effective grid planning and operational strategies.

Anahtar Kelimeler

• Electric vehicles
• charging stations
• grid
• harmonic
• voltage drop

Elektrikli Araç Şarj İstasyonlarının Dağıtım Şebekesine Etkilerinin İncelenmesi

Öz

Elektrikli araç (EA) şarj istasyonları, sürdürülebilir ve çevre dostu ulaşım sistemlerinin yaygın olarak benimsenmesini kolaylaştıran kritik bir altyapı bileşenini oluşturmaktadır. Ancak, EA şarj istasyonlarının dağıtım şebekelerine entegrasyonu, yüksek güç talebi özelliklerinden dolayı önemli teknik zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Özellikle hızlı şarj işlemleri, sistemde gerilim dalgalanmaları, harmonik bozulmalar ve termal aşırı yüklenmelere yol açabilir. Yerel bölgelerde eşzamanlı şarj olayları, ani yük değişimlerine neden olarak güç kalitesinin düşmesine, sistem kayıplarının artmasına, koruma sistemlerinin düzgün çalışmamasına ve yetersiz şebeke kapasitesine sebebiyet verebilir. EA şarj istasyonu yoğunluğunun yüksek olduğu bölgelerde, şebeke güvenilirliğini sağlamak amacıyla önemli altyapı iyileştirmeleri ve sermaye yatırımları gerekebilir. Bu çalışma, DIgSILENT PowerFactory yazılım ortamı kullanılarak gerçekleştirilen simülasyon tabanlı analizler yoluyla EA şarj istasyonlarının şebeke düzeyindeki etkilerini incelemektedir. Test ağı olarak Fırat Üniversitesi kampüsüne ait orta gerilim tek hat diyagramı benimsenmiş ve EA şarj yüklerinin entegrasyonunun işletme üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, EA hızlı şarj istasyonlarının dağıtım şebekesinde oluşturabileceği gerilim düşümü, harmonik artışı ve ekipman yüklenmesi gibi teknik etkilerin daha doğru değerlendirilmesine katkı sağlayarak, şebeke planlama ve işletme stratejilerinin geliştirilmesine yardımcı olmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Elektrikli araçlar
• şarj istasyonları
• şebeke
• harmonik
• gerilim düşümü

Kaynakça

1. E. Mancini, M. Longo, W. Yaici, ve D. Zaninelli, “Assessment of the Impact of Electric Vehicles on the Design and Effectiveness of Electric Distribution Grid with Distributed Generation”, Applied Sciences, c. 10, sy 15, s. 5125, Tem. 2020, doi: 10.3390/app10155125.
2. M. R. Khalid, I. A. Khan, S. Hameed, M. S. J. Asghar, ve J.-S. Ro, “A Comprehensive Review on Structural Topologies, Power Levels, Energy Storage Systems, and Standards for Electric Vehicle Charging Stations and Their Impacts on Grid”, IEEE Access, c. 9, ss. 128069-128094, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3112189.
3. M. İ. Erce, B. B. Dönmez, Y. B. Sanlı, E. Güven, ve T. Eren, “Elektrikli Araçlar İçin Şarj İstasyonu Lokasyon Seçimi”, 2025.
4. M. Kumar, K. P. Panda, R. T. Naayagi, R. Thakur, ve G. Panda, “Comprehensive Review of Electric Vehicle Technology and Its Impacts: Detailed Investigation of Charging Infrastructure, Power Management, and Control Techniques”, Applied Sciences, c. 13, sy 15, s. 8919, Ağu. 2023, doi: 10.3390/app13158919.
5. M. Kumar, K. P. Panda, J. C. Rosas-Caro, A. Valderrabano-Gonzalez, ve G. Panda, “Comprehensive Review of Conventional and Emerging Maximum Power Point Tracking Algorithms for Uniformly and Partially Shaded Solar Photovoltaic Systems”, IEEE Access, c. 11, ss. 31778-31812, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3262502.
6. V. M. Macharia, V. K. Garg, ve D. Kumar, “A review of electric vehicle technology: Architectures, battery technology and its management system, relevant standards, application of artificial intelligence, cyber security, and interoperability challenges”, IET Electrical Syst in Trans, c. 13, sy 2, s. e12083, Haz. 2023, doi: 10.1049/els2.12083.
7. E. Özçekiç, “Electric Vehicle Charging Station Positioning Problem: Multi-Criteria Decision Making Analysis with Entropy, CoCoSo and EDAS Methods”, Biga İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi, c. 5, sy 3, ss. 187-202, Oca. 2025, doi: 10.70754/biibfd.1594279.
8. M. Ashfaq, O. Butt, J. Selvaraj, ve N. Rahim, “Assessment of electric vehicle charging infrastructure and its impact on the electric grid: A review”, International Journal of Green Energy, c. 18, sy 7, ss. 657-686, May. 2021, doi: 10.1080/15435075.2021.1875471.

9. P. Sivaraman, J. S. S. S. Raj, ve P. A. Kumar, “Power quality impact of electric vehicle charging station on utility grid”, içinde 2021 IEEE Madras Section Conference (MASCON), Ağu. 2021, ss. 1-4. doi: 10.1109/MASCON51689.2021.9563528.
10. J. Y. Yong, V. K. Ramachandaramurthy, K. M. Tan, ve J. Selvaraj, “Experimental Validation of a Three-Phase Off-Board Electric Vehicle Charger With New Power Grid Voltage Control”, IEEE Transactions on Smart Grid, c. 9, sy 4, ss. 2703-2713, Tem. 2018, doi: 10.1109/TSG.2016.2617400.
11. H. Altınkaya, “Elektrikli Araç Şarj İstasyonlarının Elektrik Şebekesine Entegrasyonu: OYF, LHÖ ve YSA ile Karabük Üniversitesi Yerleşkesi Durum Çalışması”, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 37, sy 1, ss. 15-36, Mar. 2025, doi: 10.35234/fumbd.1462820.
12. A. Kerem, N. Doğan, ve A. S. Yılmaz, “Scenario-based modeling of the effects of electric vehicle charging station on the grid”, içinde 2021 5th International Symposium on Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies (ISMSIT), Eki. 2021, ss. 31-36. doi: 10.1109/ISMSIT52890.2021.9604670.
13. S. Pankaj, M. R. Khalid, M. Saad Alam, M. S. Jamil Asghar, ve S. Hameed, “Electric Vehicle Charging Stations and their Impact on the Power Quality of Utility Grid”, içinde 2022 International Conference on Decision Aid Sciences and Applications (DASA), Mar. 2022, ss. 816-821. doi: 10.1109/DASA54658.2022.9765054.
14. International Energy Agency, Global EV Outlook 2023: Catching up with Climate Ambitions. içinde Global EV Outlook. OECD, 2023. doi: 10.1787/cbe724e8-en.
15. R. Coşkun, “Elektrikli Araç Şarj İstasyonlarının Dağıtım Şebekesine Etkilerinin İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, 2024.
16. H. S. Das, M. M. Rahman, S. Li, ve C. W. Tan, “Electric vehicles standards, charging infrastructure, and impact on grid integration: A technological review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, c. 120, s. 109618, Mar. 2020, doi: 10.1016/j.rser.2019.109618.
17. S. Habib, M. M. Khan, F. Abbas, L. Sang, M. U. Shahid, ve H. Tang, “A Comprehensive Study of Implemented International Standards, Technical Challenges, Impacts and Prospects for Electric Vehicles”, IEEE Access, c. 6, ss. 13866-13890, 2018, doi: 10.1109/ACCESS.2018.2812303.
18. X. Wang, H. He, F. Sun, X. Sun, ve H. Tang, “Comparative Study on Different Energy Management Strategies for Plug-In Hybrid Electric Vehicles”, Energies, c. 6, sy 11, Art. sy 11, Kas. 2013, doi: 10.3390/en6115656.
19. T. Kim, W. Song, D.-Y. Son, L. K. Ono, ve Y. Qi, “Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies”, J. Mater. Chem. A, c. 7, sy 7, ss. 2942-2964, Şub. 2019, doi: 10.1039/C8TA10513H.
20. M. S. Hossain Lipu vd., “Intelligent algorithms and control strategies for battery management system in electric vehicles: Progress, challenges and future outlook”, Journal of Cleaner Production, c. 292, s. 126044, Nis. 2021, doi: 10.1016/j.jclepro.2021.126044.
21. K. Liu, K. Li, Q. Peng, ve C. Zhang, “A brief review on key technologies in the battery management system of electric vehicles”, Front. Mech. Eng., c. 14, sy 1, ss. 47-64, Mar. 2019, doi: 10.1007/s11465-018-0516-8.
22. Y. Wang vd., “A comprehensive review of battery modeling and state estimation approaches for advanced battery management systems”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, c. 131, s. 110015, Eki. 2020, doi: 10.1016/j.rser.2020.110015.
23. M. Ntombela, K. Musasa, ve K. Moloi, “A Comprehensive Review of the Incorporation of Electric Vehicles and Renewable Energy Distributed Generation Regarding Smart Grids”, WEVJ, c. 14, sy 7, s. 176, Tem. 2023, doi: 10.3390/wevj14070176.
24. M. S. Mastoi vd., “An in-depth analysis of electric vehicle charging station infrastructure, policy implications, and future trends”, Energy Reports, c. 8, ss. 11504-11529, Kas. 2022, doi: 10.1016/j.egyr.2022.09.011.
25. Y. He, K. M. Kockelman, ve K. A. Perrine, “Optimal locations of U.S. fast charging stations for long-distance trip completion by battery electric vehicles”, Journal of Cleaner Production, c. 214, ss. 452-461, Mar. 2019, doi: 10.1016/j.jclepro.2018.12.188.
26. J. Lee ve S. Madanat, “Optimal design of electric vehicle public charging system in an urban network for Greenhouse Gas Emission and cost minimization”, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, c. 85, ss. 494-508, Ara. 2017, doi: 10.1016/j.trc.2017.10.008.
27. A. Hauser ve R. Kuhn, “High-voltage battery management systems (BMS) for electric vehicles”, içinde Advances in Battery Technologies for Electric Vehicles, B. Scrosati, J. Garche, ve W. Tillmetz, Ed., içinde Woodhead Publishing Series in Energy. , Woodhead Publishing, 2015, ss. 265-282. doi: 10.1016/B978-1-78242-377-5.00011-X.
28. B. E. Lebrouhi, Y. Khattari, B. Lamrani, M. Maaroufi, Y. Zeraouli, ve T. Kousksou, “Key challenges for a large-scale development of battery electric vehicles: A comprehensive review”, Journal of Energy Storage, c. 44, s. 103273, Ara. 2021, doi: 10.1016/j.est.2021.103273.
29. A. Ali vd., “Latest Energy Storage Trends in Multi-Energy Standalone Electric Vehicle Charging Stations: A Comprehensive Study”, Energies, c. 15, sy 13, Art. sy 13, Oca. 2022, doi: 10.3390/en15134727.