Management of electric vehicle systems with self-interested actors

par Wenjing Shuai

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Patrick Maillé.

Le président du jury était Bruno Tuffin.

Le jury était composé de Patrick Maillé, Dominique Barth, Alexander Pelov.

Les rapporteurs étaient Aline Carneiro Viana, Maurice Gagnaire.

  • Titre traduit

    Recharges de véhicules électriques : gestion de l'énergie et des incitations


  • Résumé

    L'arrivée des véhicules électriques (VEs) a un impact non négligeable sur le réseau électrique, à cause de la grande quantité d'énergie demandée. La stabilité du réseau est susceptible d'être menacée. Cependant, dans l'optique de la transition du réseau électrique vers le Smart Grid, les VEs peuvent aussi être vus comme offrant de nouvelles opportunités. Grâce à la flexibilité des VE demande, leur présence ouvre la voie à des optimisations via le processus de recharge ou même par l'utilisation de cette nouvelle capacité de stockage d'énergie distribuée. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux aspects économiques liés à la VE recharge, en prenant en compte le fait que l'écosystème associé aux VEs implique un grand nombre d'acteurs divers, aux objectifs rarement alignés et chaque acteur peut prendre des décisions stratégiques. Je présente d'abord un état de l'art structuré des modèles de la littérature introduits pour ces problèmes. Nous décrivons et comparons les principales approches, en mettant en évidence les besoins en communication des mécanismes correspondants, et les principales propriétés économiques afin de souligner les résultats les plus significatifs ainsi que les éventuels manques. Nous faisons ensuite une proposition consistant à utiliser le processus de VE recharge pour fournir un service de régulation au réseau électrique, en adaptant la puissance instantanée de charge. Nous conduisons une analyse économique des incitations en jeu. En particulier, nous analysons les valeurs des incitations à la régulation qui sont suffisantes pour qu'une offre de recharge-régulation soit bénéfique à la fois pour l'agrégateur et le réseau. Cette étude étant initialement conduite dans le cas d'un monopole qui peut offrir une recharge normale ou une recharge-régulation. Nous regardons ensuite l'impact de la compétition, entre un agrégateur n'offrant que des recharges à puissance fixe, et un autre n'offrant que de la recharge-régulation. La compétition semble préférable pour les utilisateurs et pour la société, puisque les prix sont alors plus bas qu'avec le monopole, et que la participation aux services de régulation est bien plus élevée. Enfin, nous proposons d'utiliser une autre propriété des VEs, à savoir leur capacité de stockage d'énergie. En effet, les VEs peuvent se charger pendant les heures de faible demande, donc à des prix réduits, et éventuellement revendre une partie pendant les pics de demande. Nous menons une étude économique des gains et coûts d'une telle approche. A partir de valeurs réalistes des marchés de l'électricité, nous déterminons numériquement les conditions pour qu'un tel scénario soit viable, et quantifions les économies qu'il peut apporter. Cette dissertation se conclut par une prise de recul sur les contributions et sur les extensions qui pourraient y être apportées.


  • Résumé

    Electric Vehicles (EVs), as their penetration increases, are not only challenging the sustainability of the power grid, but also stimulating and promoting its upgrading. Indeed, EVs can actively reinforce the development of the Smart Grid if their charging processes are properly coordinated through two-way communications, possibly benefiting all types of actors. Because grid systems involve a large number of actors with nonaligned objectives, we focus on the economic and incentive aspects, where each actor behaves in its own interest. We indeed believe that the market structure will directly impact the actors' behaviors, and as a result the total benefits that the presence of EVs can earn the society, hence the need for a careful design. The thesis first provides an overview of economic models considering unidirectional energy flows, but also bidirectional energy flows, i.e., with EVs temporarily providing energy to the grid. We describe and compare the main approaches, summarize the requirements on the supporting communication systems, and propose a classification to highlight the most important results and lacks. We propose to use the recharging processes of EVs to provide regulation to the grid by varying the instantaneous recharging power. We provide an economic analysis of the incentives at play, including the EV owners point of view (longer recharging durations and impact on battery lifetime versus cheaper energy) and the aggregator point of view (revenues from recharging versus regulation gains). In particular, we analyze the range of regulation rewards such that offering a regulation-oriented recharging benefits both EV owners and the aggregator. After that, we split the monopolistic aggregator into two competing entities. We model a non-cooperative game between them and examine the outcomes at the Nash equilibrium, in terms of user welfare, station revenue and electricity prices. As expected, competing stations offer users with lower prices than the monopolistic revenue-maximizing aggregator do. Furthermore, the amount of regulation service increases significantly than that in the monopolistic case. Considering the possibility of discharging, we propose an approach close to Vehicle-to-Grid, where EVs can give back some energy from their batteries during peak times. But we also use EVs as energy transporters, by taking their energy where it is consumed. A typical example is a shopping mall with energy needs, benefiting from customers coming and going to alleviate its grid-based consumption, while EV owners make profits by reselling energy bought at off-peak periods. Based on a simple model for EV mobility, energy storage, and electricity pricing, we quantify the reduction in energy costs for the EV-supported system, and investigate the conditions for this scenario to be viable.


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