Date of Award
4-2023
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Electrical Engineering
Department
Electrical and Communication Engineering
First Advisor
Hussain Shareef
Second Advisor
Addy Wahyudie
Abstract
With the growing concerns on the energy depletion and CO2 emissions, electric vehicles (EVs) have marked a new paradigm in the transport sector. Installation of publicly accessible charging stations (CS), namely fast CSs are crucial for the large-scale deployment of EVs. However, randomly placing CSs without prior research affect EV owners, CS operators and grid operators. For instance, the location and size of charging stations affect the accessibility and convenience of EV users since users prefer charging stations that are easier to access without much traffic congestion in road networks. At the same time station should offer good service quality as the waiting time at CSs is high compared to refueling at gasoline stations, which eventually annoys EV drivers. Thus, CSs should have appropriate chargers to satisfy the charging demand of users. However, increasing the station capacity by building a greater number of chargers to satisfy the charging demands will subsequently increase the station costs. Furthermore, establishment of new charging stations impair the power grid functioning owing to the unpredictable charging behavior of EVs. The issues associated with EV charging are demand-supply unbalance, voltage fluctuation, and power loss. The above-mentioned characteristics of charging stations makes choosing the location and size of charging stations both intriguing and challenging research topic. Furthermore, charging station placement is irreversible due to the high cost of construction. Therefore, the dissertation focuses on charging station location and capacity planning for EVs considering EV owners benefits, distribution network safety and station related economy.
The contributions of this project are in three-folds. Firstly, a location and capacity planning model for fast charging stations is proposed that addresses multiple aspects, such as the convenience of EV users, station operator economy, distribution networks impact and environmental impact simultaneously. Further a queuing algorithm to determine the CS capacity is developed which is beneficial for EV users as well as improving the efficiency of CSs, leading to minimum waiting time and maximum CS utilization. The conventional optimization methods have their limits in resolving the charging station location problem since the objective functions are inherently conflicting and competing. Hence the second contribution of this study is the development of a Pareto dominance based binary version of the atom search optimization (ASO) algorithm. The proposed method uses quantum operations to binarize the algorithm and achieve a higher convergence rate than the existing binary ASO algorithm. Additionally, a modified atom selection function is used to improve the searching capability of the ASO algorithm. It is expected that the modified function efficiently guides the atom particles to search the global optimum and thus enhances the global optimization capability of ASO. The efficiency of the proposed quantum atom search optimization algorithm is tested using both benchmark functions and by solving charging station location problem. Thirdly, a multi-level charging system that allows EV users to specify their charging needs and provide them charging at the best charging rate possible is developed. The proposed system allows the EV user to select the charging rate based on the user priority for battery lifetime and recharging time. Further, the proposed charging method is integrated to the location and capacity planning model in order to evaluate the benefits of combining charging characteristics with location planning. Finally, the proposed charging station location and capacity model is validated on a real UAE road network.
Arabic Abstract
تنسيق المواقع والتخطيط للقدرة الاستيعابية لمحطات الشحن السريع للسيارات الكهربائية بالستخدام منهجية متعددة الأهداف
مع تزايد القلق بشأن استنفاد الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، فإن المركبات الكهربائية قد أحدثت نموذجا جديدا في قطاع النقل. يعد تثبيت محطات الشحن العامة، وبالأخص محطات الشحن السريعة، أمرا حاسما لنثر المركبات الكهربائية على نطاق واسع. ومع ذلك، يوثر وضع محطات الشحن عشوائيا دون القيام بأبحاث مسبقة على أصحاب المركبات الكهربائية ومشغلي محطات الشحن ومشغلي الشبكة. على سبيل المثال، يؤثر موقع وحجم محطات الشحن على إمكانية الوصول والراحة لمستخدمي المركبات الكهربائية حيث يفضل المستخدمون محطات الشحن التي يسهل الوصول إليها دون ازدحام مروري كبير في شبكات الطرق. في الوقت نفسه، يجب أن تقدم المحطة جودة خدمة جيدة حيث أن وقت الانتظار في محطات الشحن عال مقارنة بالتزود بالوقود في محطات البنزين، مما يزعج فى النهاية سائقي المركبات الكهربائية. لذلك، يجب أن تحتوي محطات الشحن على شواحن مناسبة لتلبية الطلب على الشحن من المستخدمين. ومع ذلك، فإن زيادة سعة المحطة من خلال بناء عدد أكبر من الشواحن لتلبية الطلب على الشحن ستزيد فى النهاية من تكاليف المحطة. وعلاوة على ذلك، توثر إنشاء محطات الشحن الجديدة على وظيفة الشبكة الكهربائية نظرا للسلوك غير المتوقع للشحن من المركبات الكهربائية. المسائل المرتبطة بشحن المركبات الكهربائية هي عدم التوازن بين الطلب والعرض، تقلب الجهد، وفقدان الطاقة. تجعل الخصائص المذكورة أعلاه لمحطات الشحن اختيار موقع وحجم محطات الشحن موضوع بحث مثير للاهتمام وتحديا في الوقت نفسه. علاوة على ذلك، فإن وضع محطات الشحن غير قابل للعكس بسبب التكلفة العالية للبناء. ولذلك، يركز هذا البحث على موقع محطات الشحن وتخطيط السعة للمركبات الكهربائية مع الأخذ في الاعتبار فوائد أصحاب المركبات الكهربائية وسلامة شبكة التوزيع والاقتصاد المتعلق بالمحطة.
يتمثل مساهمات هذا المشروع في ثلاثة جوانب. أولأ، يتم اقتراح نموذج لتخطيط الموقع لسعة لمحطات الشحن السريعة يتناول جوانب متعددة، مثل راحة مستخدمي المركبات الكهربائية، واقتصاد مشغل المحطة، وتأثير شبكات التوزيع والتأثير البيني في وقت واحد. تم تطوير خوارزمية قوائم الانتظار لتحديد سعة محطات الشحن والتي تعود بالفائدة على مستخدمي المركبات الكهربائية بالإضافة إلى تحسين كفاءة محطات الشحن، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من وقت الانتظار وأقصى استخدام لمحطات الشحن. تحد من طرق التحسين التقليدية في حل مشكلة موقع محطات الشحن نظرا لتعارض الأهداف والمنافسة الجوهرية. لذلك، يعتبر المساهمة الثانية لهذه الدراسة هو تطوير نموذج قائم على السيادة باريتو القائمة على النسخ الثنائي لخوارزمية البحث الذري. تستخدم الطريقة المقترحة عمليات الكم لتثنين الخوارزمية وتحقيق معدل تقارب أعلى من النسخة الثنائية الحالية لخوارزمية ASO. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام وظيفة اختيار الذرة المعدلة لتحسين قدرة البحث لخوارزمية ASO. من المتوقع أن توجه الوظيفة المعدلة الجزيئات الذرية بكفاءة للبحث عن الأمثل العالمي وبالتالي تعزز القدرة العالمية للتحسين ASO. يتم اختبار كفاءة خوارزمية البحث الذري الكمي المقترحة باستخدام وظائف المعيار ومن خلال حل مشكلة موقع محطات الشحن. ثالثا، يتم تطوير نظام شحن متعدد المستويات يتيح لمستخدمي المركبات الكهربائية تحديد احتياجاتهم في الشحن وتوفيرها لهم بأفضل معدل شحن ممكن. يسمح النظام المقترح لستخدم EV بتحديد معدل الشحن بناء على أولوية المستخدم لعمر البطارية ووقت إعادة الشحن. بالإضافة إلى ذلك، يتم دمج طريقة الشحن المقترحة في نموذج تخطيط الموقع والسعة من أجل تقييم فوائد الجمع بين خصائص الشحن مع التخطيط للموقع. أخيرا، يتم التحقق من صحة نموذج موقع محطات الشحن والسعة المقترح على شبكة طرق حقيقية في الإمارات العربية المتحدة.
Recommended Citation
Madathodika, Asna, "COORDINATED LOCATION AND CAPACITY PLANNING OF FAST CHARGING STATIONS FOR ELECTRIC VEHICLES USING MULTI OBJECTIVE APPROACH" (2023). Dissertations. 275.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/275
