شواحن السيارات الكهربائية وجودة الطاقة السكنية – دراسة ميدانية لمدة أسبوعين
| موقع | مجمع سكني – بانكوك, تايلاند |
| مدة القياس | أسبوعين من القياس الميداني المستمر |
| نوع شاحن السيارة الكهربائية | مستوى مرحلة واحدة 2 شواحن التيار المتردد (نمط الاستخدام السائد) |
| عدم توازن الجهد | متوسط 0.535% · قمة 2.18% أثناء الشحن النشط |
| THD الحالي أثناء الشحن | 15-20% - زيادة كبيرة عن خط الأساس |
| تيار محايد | كبير - مدفوع بهيمنة التحميل أحادي الطور |
| حالة البنية التحتية | تم تحديثه - لم يتم تصميمه في الأصل لأحمال شحن المركبات الكهربائية |
| النتيجة الرئيسية | يؤدي شحن السيارة الكهربائية أحادية الطور إلى اختلال توازن الطور والحقن التوافقي الذي لم يتم تصميم الأسلاك السكنية الحالية للتعامل معه |
01 السياق والخلفية
يتسارع اعتماد السيارات الكهربائية على مستوى العالم, ومعها تأتي مجموعة من تحديات جودة الطاقة التي لم يتم تصميم معظم البنية التحتية للتوزيع السكني للتعامل معها على الإطلاق. هذه الدراسة الميدانية التي أجراها Ngaopitakkul (2025) في جامعة تشولالونجكورن يدرس تأثير PQ لنشر شاحن EV في مجمع سكني حقيقي في بانكوك, تايلاند - المدينة التي يفوق فيها الاعتماد السريع على السيارات الكهربائية عمليات ترقيات البنية التحتية الكهربائية.[1]
تعتبر الدراسة ذات أهمية خاصة لأنها تتناول السيناريو الأكثر شيوعًا في العالم الحقيقي: البنية التحتية السكنية المحدثة بمستوى أحادي المرحلة 2 يتم تركيب أجهزة شحن التيار المتردد في أماكن وقوف السيارات الفردية أو المرائب, دون إدارة الحمل المنسقة. هذه ليست منشأة EV مصممة لهذا الغرض مع شحن متوازن ثلاثي الطور وتحكم ذكي في الحمل - إنها النظام الكهربائي الحالي لمبنى سكني متعدد الوحدات يواجه جيلًا جديدًا من الأحمال غير الخطية عالية الطاقة التي لم تكن متوقعة في التصميم الأصلي.
يختلف التحدي الذي تمثله أجهزة شحن السيارات الكهربائية لشبكات التوزيع في طبيعته عن المشكلات التوافقية الصناعية التي تهيمن على معظم أدبيات PQ. تتركز المصادر التوافقية الصناعية, يمكن التنبؤ به, وغالبًا ما تخضع لدراسات توصيل المرافق. يتم توزيع شواحن السيارات الكهربائية السكنية, العشوائية, ومتصلة بشبكة الجهد المنخفض في نقاط لم يتم تصميمها أبدًا لاستيعاب الأحمال التوافقية أو غير المتوازنة الكبيرة. يحتاج مهندس المرافق الذي يخطط لترقيات التوزيع إلى بيانات ميدانية من هذا النوع من الإعداد بالضبط.
02 منهجية القياس
تم إجراء حملة قياس ميدانية مستمرة لمدة أسبوعين في لوحة التوزيع الكهربائية في المجمع السكني. مدة القياس مهمة: يختلف سلوك شحن السيارة الكهربائية باختلاف الوقت من اليوم, يوم من الأسبوع, وأنماط المقيمين الفردية. تلتقط مجموعة البيانات لمدة أسبوعين التباين الذي قد يفتقده قياس يوم واحد أو حدث واحد, ويوفر توصيفًا ذا معنى إحصائيًا لتأثير PQ في ظل ظروف الاستخدام الواقعية.[1]
تم قياس وتحليل المعلمات التالية:
- تحميل الملفات الشخصية - الطلب الحالي مقابل الوقت, الكشف عن أنماط الشحن
- الأشكال الموجية الحالية والجهد - قيم RMS ثلاثية الطور والتقاط الشكل الموجي أثناء أحداث الشحن
- تماثل المرحلة — distribution of charging load across the three phases
- التشوه التوافقي — current THD analysis during active charging and at baseline
- عدم توازن الجهد — quantified using the maximum deviation method (لا يوجد تعريف): maximum deviation of any phase voltage from the three-phase mean, مقسوما على المتوسط
- تيار محايد — magnitude and waveform during charging events
This study used the NEMA maximum deviation method for voltage unbalance, which requires only phase voltage magnitudes. The IEC symmetrical components method (ratio of negative-sequence to positive-sequence voltage) is more rigorous but requires phasor measurements. For small unbalances below approximately 3%, both methods give similar numerical results. The peak unbalance of 2.18% reported in this study would be close to the EN 50160 limit of 2% بموجب أي من التعريفين - مما يجعل النتيجة ذات صلة بممارسات أمريكا الشمالية واللجنة الانتخابية المستقلة.[2]
03 النتائج الرئيسية
معلمات PQ المقاسة
| المعلمة | خط الأساس (لا شحن) | أثناء الشحن النشط للمركبة الكهربائية | الحد القياسي | حالة |
|---|---|---|---|---|
| ثد الحالي | منخفض - خط الأساس السكني العادي | 15-20% | IEEE 519: 5-8% TDD وLV PCC | مرتفعة |
| عدم توازن الجهد (متوسط) | أقل 0.5% | 0.535% متوسط | في 50160: ≥ 2% (95% من الاسبوع) | ضمن الحد |
| عدم توازن الجهد (قمة) | أقل 0.5% | 2.18% قمة | في 50160: ≥ 2% (95% من الاسبوع) | في الحد |
| تيار محايد | قليل | مرتفعة بشكل ملحوظ | ليست محدودة بشكل مباشر - مخاطر التحجيم | شاشة |
| تماثل تحميل الطور | متوازن تقريبا | مرحلة واحدة المهيمنة | التحميل المتوازن المفترض في التصميم | غير متوازن |
| مصدر: نجاوبيتاكول (2025).[1] القياس الميداني لمدة أسبوعين, مجمع بانكوك. عدم توازن الجهد عن طريق طريقة الانحراف الأقصى NEMA. | ||||
يهيمن الشحن أحادي الطور – وهو أصل مشكلة عدم التوازن
وكان الاكتشاف السلوكي الأكثر أهمية هو أن الشحن أحادي الطور سيطر تمامًا على أنماط الاستخدام المرصودة. استخدم السكان مستوى مرحلة واحدة 2 شواحن التيار المتردد, متصلة بأي مرحلة يتم فيها خدمة أماكن وقوف السيارات الخاصة بهم - دون أي تنسيق عبر المراحل. والنتيجة هي حمل غير متوازن إلى حد كبير ويختلف باختلاف عدد السكان الذين يقومون بالشحن في وقت واحد والمرحلة التي يقومون بها.[1]
لا يمثل هذا قيودًا تقنية على شواحن السيارات الكهربائية - توجد شواحن ثلاثية الطور وستقوم بتوزيع الحمل بشكل متماثل. إنه نتيجة لكيفية نشر شحن المركبات الكهربائية السكنية في الممارسة العملية: الوحدات الفردية, أجهزة الشحن الفردية, لا يوجد تنسيق على مستوى النظام, متصل بأي فرع أحادي الطور متوفر في مستوى مواقف السيارات.
لم تكن البنية التحتية الكهربائية للمجمع السكني مصممة في الأصل لأحمال شحن المركبات الكهربائية. في المباني المعدلة, غالبًا ما تتفاقم تأثيرات شحن السيارات الكهربائية بسبب قيود التصميم: موصلات محايدة بحجم حمل ما قبل السيارة الكهربائية, لوحات التوزيع دون القدرة الاحتياطية, وتشغيل الأسلاك التي لم يتم تصميمها للجمع بين الحجم الحالي العالي والمحتوى التوافقي الكبير. إن المبنى المصمم اليوم مع وضع شحن المركبات الكهربائية في الاعتبار سيكون له بنية كهربائية مختلفة جذريًا - أجهزة شحن ثلاثية الطور, أنظمة الشحن المدارة, محايدة كبيرة الحجم, وتقييم قدرة التوزيع الذي يتضمن حمل المركبة الكهربائية منذ البداية.
04 التحليل الفني
شواحن EV كأحمال غير خطية
تستخدم أجهزة الشحن الموجودة على متن السيارة الكهربائية تحويل الطاقة في وضع التبديل - حيث يتم تصحيح مصدر التيار المتردد ومن ثم تنظيمه بواسطة محول تحويل عالي التردد لتوصيل تيار التيار المستمر المطلوب إلى البطارية. وهذا يجعل شاحن السيارة الكهربائية عبارة عن حمل غير خطي يسحب التيار على شكل نبضات بدلاً من الشكل الجيبي, حقن التيارات التوافقية في شبكة الإمداد. تعتمد الأوامر التوافقية السائدة على طوبولوجيا المحول, ولكن ثالثا, الخامس, والتوافقيات السابعة نموذجية لأجهزة الشحن أحادية الطور.[1]
تتوافق قيم THD الحالية البالغة 15-20% المقاسة أثناء الشحن مع البيانات المنشورة للمستوى السكني 2 شواحن التيار المتردد بدون تصحيح عامل الطاقة النشط. يمكن لأجهزة الشحن الحديثة المزودة بدوائر PFC الأمامية النشطة تحقيق THD أدناه 5%, ولكن لا يتم نشرها بشكل موحد في مجموعة شحن المركبات الكهربائية السكنية الحالية.
خلل المرحلة – النتيجة الحالية المحايدة
عندما تهيمن الأحمال أحادية الطور على مرحلة واحدة أو مرحلتين, يصبح النظام ثلاثي المراحل غير متوازن. في نظام أربعة أسلاك, يحمل الموصل المحايد المجموع المتجه للتيارات ثلاثية الطور - والذي يكون صفرًا في ظل الظروف الجيبية المتوازنة. في ظل ظروف شحن EV غير المتوازنة أحادية الطور التي لوحظت في هذه الدراسة, أصبح التيار المحايد مهمًا, إنشاء تحميل حراري على موصل بحجم تيار أصغر بكثير. هذه هي الآلية المماثلة للحمل الزائد التوافقي المحايد الثلاثي الذي تمت مناقشته في دراسات حالة PQ بالمستشفى - سبب جذري مختلف, نفس النتيجة بالنسبة للموصل المحايد.
عدم توازن الجهد - الذروة عند EN 50160 حد
متوسط الجهد غير المتوازن 0.535% جيد داخل EN 50160 limit of 2%. لكن, ذروة 2.18% أثناء أحداث الشحن المتزامنة في نفس المرحلة تقترب وتتجاوز الحد للحظات. لمهندس المرافق, هذا مهم: في 50160 يتم تقييم الامتثال باعتباره إحصائية بنسبة 95 في المائة خلال فترة مراقبة مدتها أسبوع واحد - ولا يشكل حدث ذروة واحد خلال إحدى الأمسيات في حد ذاته عدم امتثال. لكنه يشير إلى أنه مع زيادة انتشار المركبات الكهربائية في المبنى, ذروة عدم التوازن سوف تزيد بشكل متناسب, وسوف يتحول التوزيع الإحصائي نحو الحد الأقصى.
تنتج وحدة سكنية واحدة تحتوي على عشرات من أجهزة شحن المركبات الكهربائية ذروة عدم التوازن بالقرب من EN 50160 حد. يمكن لوحدة تغذية التوزيع التي تخدم عشرة مباني من هذا القبيل - وهو سيناريو واقعي على المدى القريب في أي منطقة حضرية تعتمد بشكل نشط على المركبات الكهربائية - أن تنتج اختلالًا مستدامًا يتجاوز الحد عند مستوى وحدة التغذية ذات الجهد المنخفض دون أن ينتهك أي مبنى فردي شروط الاتصال الخاصة به. هذه مشكلة تخطيط PQ على مستوى الشبكة وتتطلب المراقبة على مستوى وحدة التغذية, ليس فقط في اتصالات العملاء الفردية.
05 توصيات
تحدد الدراسة التدابير الهندسية التالية للأنظمة السكنية الجاهزة للمركبات الكهربائية:[1]
- شواحن EV ثلاثية الطور - توزيع تيار الشحن بشكل متماثل عبر المراحل الثلاث, القضاء على مشكلة عدم التوازن أحادي الطور من المصدر. مناسبة للمنشآت الجديدة والتعديلات التحديثية الرئيسية
- إدارة الأحمال المنسقة (الشحن الذكي) — التحكم في جداول الشحن لتجنب ذروة الطلب المتزامنة في نفس المرحلة, تقليل الذروة الحالية, والسماح بإدارة وقت الاستخدام. يتطلب نظامًا لإدارة الطاقة في المبنى وقدرة على الاتصال بالشاحن
- تخطيط المرحلة المهمة - لتركيبات الشاحن أحادية الطور, قم بتعيين أجهزة شحن بشكل متعمد لمراحل بديلة عبر المبنى لموازنة الحمل. يتطلب جرد مهام المرحلة في جميع أماكن وقوف السيارات
- تقييم موصل محايد - مراجعة وتكبير حجم الموصلات المحايدة حيث تتركز أحمال شحن المركبات الكهربائية أحادية الطور. تم تحديد حجم الموصل المحايد في مبنى ما قبل المركبات الكهربائية ليتناسب مع حالة الحمل المتوازن التي لم تعد ثابتة
- الترشيح التوافقي النشط — إذا لم يكن من الممكن استبدال مجموعة الشاحن بوحدات مجهزة بـ PFC, يمكن لمرشح توافقي مركزي نشط في لوحة التوزيع أن يقلل THD إلى مستويات مقبولة
- دراسة قدرة التوزيع قبل النشر — يجب على أي مبنى سكني يضيف شحنًا للمركبات الكهربائية إجراء دراسة لتدفق الأحمال وتأثير PQ قبل تركيب أجهزة الشحن, ليس بعد ظهور المشاكل
قبل أي نفقات رأسمالية, إن التخفيف الأكثر إلحاحًا وبدون تكلفة هو تخطيط مرحلة التعيين. إن تدقيق أماكن وقوف السيارات التي يتم خدمتها في أي مرحلة وتعيين اتصالات شاحن EV جديدة بشكل متعمد للمرحلة الأقل تحميلًا لا يكلف شيئًا ويقلل بشكل مباشر من ذروة عدم التوازن. لن يحل المشكلة التوافقية, ولكنه يعالج السبب السائد للحمل الزائد للتيار المحايد وعدم توازن الجهد دون أي تكلفة رأسمالية.
06 منظور جودة الطاقة
تمثل دراسة الحالة هذه فئة من مشاكل PQ التي ستزداد تكرارًا وشدةً خلال العقد القادم: التعديل التحديثي للأحمال غير الخطية الجديدة عالية الطاقة على البنية التحتية للتوزيع التي تم تصميمها لملف تعريف حمل مختلف تمامًا. الشحن EV, مضخات الحرارة, ويتم توصيل جميع أنظمة تخزين البطاريات بالمباني السكنية والتجارية التي تم تصميم أنظمتها الكهربائية للإضاءة المتوهجة, تسخين مقاوم, والأحمال الحركية الخطية.
من منظور تخطيط توزيع المرافق, النتيجة الأكثر أهمية في هذه الدراسة ليست أرقام المباني الفردية - 15-20٪ THD, 2.18% ذروة عدم التوازن. هذه يمكن التحكم فيها على نطاق مبنى واحد. قلق التخطيط هو المجموع: عندما يقوم جزء كبير من المنازل والوحدات السكنية الموجودة على نفس وحدة تغذية الجهد المنخفض بنشر شواحن EV أحادية الطور مع شحن غير منسق, يمكن أن يصل عدم التوازن على مستوى وحدة التغذية والتشوه التوافقي إلى مستويات تؤثر على جميع العملاء الموجودين على وحدة التغذية, ليس فقط مباني شحن السيارات الكهربائية.
إن مهندسي المرافق الذين أمضوا حياتهم المهنية في إدارة التوافقيات من الأحمال الصناعية والمكثفات التي تقوم بتبديل العابرين من مغذيات التوزيع يواجهون الآن مشكلة موزعة, إصدار على نطاق سكني لنفس المشكلة - يتم تضخيمه من خلال سرعة اعتماد السيارات الكهربائية وغياب القياس المرئي للمرافق على مستوى الشاحن الفردي. صندوق أدوات PQ التقليدي – قياسات PCC, IEEE 519 دراسات الامتثال, مواصفات المرشح التوافقي للعملاء الصناعيين الكبار - لم يتم تصميمها للملايين 7 كيلووات من الأحمال السكنية موزعة عبر شبكة الجهد المنخفض. استراتيجيات المراقبة الجديدة, أدوات التخطيط الجديدة, وشروط الاتصال الجديدة لشحن السيارات الكهربائية السكنية كلها قيد التطوير النشط. تمثل هذه الدراسة الميدانية من بانكوك نقطة بيانات واحدة في مجموعة بيانات تحتاج الصناعة إلى بنائها بشكل عاجل.
المراجع
- نجاوبيتاكول أ. “تقييم تأثيرات شواحن المركبات الكهربائية على البنية التحتية للطاقة السكنية.” العلوم التطبيقية, طيران. 15, لا. 11, ف. 5997, 2025. دوى: 10.3390/app15115997. الوصول المفتوح تحت CC BY 3.0.
- في 50160:2010+A3:2019. خصائص الجهد للكهرباء التي توفرها شبكات الكهرباء العامة. CENELEC, بروكسل.
- IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 519-2022. معيار IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية. IEEE, نيويورك, NY, 2022.
- رقم إم جي-1-2021. المحركات والمولدات – تعريف عدم توازن الجهد. الرابطة الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية, روسلين, فرجينيا.
نجاوبيتاكول أ. “تقييم تأثيرات شواحن المركبات الكهربائية على البنية التحتية للطاقة السكنية.” العلوم التطبيقية, 15(11), 5997, 2025.
دوى: 10.3390/app15115997 · اقرأ المقال الأصلي على MDPI →
تم نشر الوصول المفتوح تحت CC BY 3.0. يتم تقديم دراسة الحالة هذه في شكل ملخص وتعليق. قسم منظور PQ (قسم 6) هو التعليق التحريري الأصلي لـ IPQDF بقلم دينيس روست, ماجستير. (مُطبَّق), عين المهندس. (متقاعد.). لا تدعي IPQDF تأليف البحث الأصلي.