车辆入智能电网系统充馈电资源管理机制研究

摘要

电动汽车作为一种低碳环保的交通工具，其推广和使用受到了相关业界的高度关注。能否为电动汽车提供高效便利的充电服务，成为制约电动汽车全面应用的关键。车辆入电网（Vehicle to Grid，V2G）系统可以在先进的信息技术和控制技术的支持下，使电动汽车根据其自身能量需求和电网负荷状态，实施电能在车辆与电网之间的动态双向流动，避免大规模电动汽车接入电网带来的电网重负载，并为电动汽车用户提供费用低廉、灵活便利的充电服务。因此，V2G系统成为维护智能电网供需动态平衡，以及提升电动车辆充电效率的关键。
　　在V2G系统中，电动汽车与电网实体在调度指令的控制下实施电能交换。信息传输处理资源与能量资源的协同机制将会深刻的影响车辆充馈电过程的效率，但是现有研究尚未对该机制进行深入探讨。本论文将在深入分析信息通信、数据处理和能量调度三者关系与作用机理的前提下，提出V2G信息传输与处理平台，为电网信息的高效传输和车辆的充馈电控制提供技术支撑。作为V2G信息传输系统的一种典型应用，电动车队可在调度指令的控制下从充电站获取电能补充。车队充电的整体达到性，为充电站的充电调度机制设计带来了新的挑战。如何在保证车队充电服务质量的前提下，提升充电效率是一个新的课题。不仅如此，在V2G信息系统的支持下，将传统充电站功能进行拓展，实现无电网电能供给环境中，利用车辆间的直接电能交互方式进行车辆充电，也是V2G系统中能量资源管理的重要研究问题。综上，本学位论文以V2G系统充馈电应用中的信息资源和能量资源为研究对象，研究了信息传输技术、计算与传输协同的信息处理策略、电动汽车车队充电控制机制和车辆间电能直接交互机制等关键问题。
　　本论文首先提出V2G信息无线传输系统架构，作为后续电动汽车充馈电控制信令的通信基础。该传输系统通过引入认知无线电技术，提升了频谱使用效率并增强了通信的抗干扰能力。针对行驶电动汽车利用V2G信息传输系统向充电站传输充电预约信息场景，本论文在分析车辆移动特征、信息正确传输率以及车辆充电收益等因素内在联系的基础上，提出了最大化车辆充电收益的多车辆协同频谱检测算法。极端恶劣的通信环境可能会对电网信息正确传输以及电网正常运营调度产生严重影响。本论文建立了不可靠通信与电网需求响应管理收益的关系模型，并提出了基于共享新能源电能存储的多区域电量协同调度机制，有效降低了不可靠通信对电网运营的不利影响。
　　本论文对V2G信息传输系统的功能进行了扩展，通过在其关键信息节点上增加计算服务器的方式，增强了系统的计算和信息处理能力，提出了V2G计算传输平台概念。为了解决大规模电网信息实时传输需求与有限的无线通信资源之间的矛盾，本论文将电动汽车作为信息的承载和传输实体，并利用V2G计算传输平台的信息处理能力对数据进行汇聚压缩。通过将车载传输和无线传输等异构通信方式与数据处理技术相结合，设计了最小化充电站信息投递开销的电网信息处理与投递优化算法。此外，本论文还将V2G计算传输平台的计算资源应用于对车辆应用任务的卸载和计算服务中，提出了最大化边缘计算服务提供者收益的车辆计算任务卸载策略。
　　在V2G信息传输系统的通信支持下，本论文针对电动汽车车队充电调度策略问题展开了研究。基于充电车队的批量达到特性，建立了充电站的车队充电服务排队模型。在区分车队充电需求特征类型的基础上，本论文采用合同理论，对不同类型车队设计了具有选择激励机制的充电功率分配方案。此外，本论文还将充电服务质量和新能源电能动态变化特性引入充电控制策略设计过程中，提出了在满足充电服务损失率约束条件下，最大化充电站收益的充电功率分配和车队准入控制联合优化机制。
　　针对无电网支持条件下的电动汽车充电需求，本论文对传统充电站功能进行了延伸，提出了一种由电能交换站、新能源发电装置及邻近区域馈电车辆共同组成的车-车能量云架构。基于该能量云，充电车辆可直接从馈电车辆获取所需电能。根据馈电车辆的不同特征，本论文定义了馈电需求度指标并对馈电车辆进行了分类。针对充馈电能供需关系的动态可变性特征，本论文求得了电能交换站最佳购电量，并在分析不同类型馈电车辆对交换站收益贡献度差异性的基础上，基于合同理论提出了区分馈电车辆类型优先级的最优馈电控制机制。

目录

声明

缩略词表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 智能电网与车辆入电网技术

1.3 移动边缘计算技术

1.4 国内外研究现状

1.5 研究意义与主要研究内容

1.6 论文结构与内容安排

第二章 V2G信息传输系统架构及通信可靠性研究

2.1 引言

2.2 V2G无线信息传输系统架构

2.3 认知无线电技术在电动汽车充电预约通信中的应用

2.4 不可靠通信对电网需求响应管理的影响及应对策略

2.5 本章小结

第三章 基于V2G计算传输平台的信息处理机制研究

3.1 引言

3.2 利用电动汽车的电网信息传输与处理机制

3.3 基于边缘计算的车辆应用任务优化卸载机制

3.4 本章小结

第四章 电动汽车车队充电调度策略研究

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 基于合同理论的充电功率分配和车队准入控制策略

4.4 性能分析

4.5 本章小结

第五章 基于车-车能量云的电能直接交互机制研究

5.1 引言

5.2 系统模型

5.3 基于合同理论的馈电控制机制

5.4 针对实际应用场景的馈电控制策略

5.5 性能分析

5.6 本章小结

第六章 全文总结

6.1 本文贡献

6.2 下一步工作的建议和未来研究方向

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果