شحن المركبات الكهربائية وجودة الطاقة في الشبكات السكنية ذات الجهد المنخفض - من الشاحن الفردي إلى اختراق الأسطول
| نوع الشاحن على غرار | مستوى 2 شاحن على متن الطائرة- 7.2 كيلوواط, مرحلة واحدة, التثبيت المنزلي |
| المنهجية | النموذج الاحتمالي من الأطياف التوافقية المقاسة - نماذج الخليط الغوسي - تم التحقق من صحته مقابل قياسات الشاحن الحقيقية |
| أداة المحاكاة | OpenDSS — تتدفق الطاقة التوافقية للسلسلة الزمنية بدقة 10 دقائق |
| نمذجة عدم اليقين | محاكاة مونت كارلو - وقت بدء الشحن المتغير, حالة الاتصال بالشحن, موقع EV على وحدة التغذية |
| التوافقي السائد | 3التوافقي الثالث - الأكثر كثافة طوال دورة الشحن بغض النظر عن مستوى الاختراق |
| النتيجة الرئيسية | يزداد كل من عدم توازن الجهد وقابلية شحن الشبكة مع مستوى اختراق المركبات الكهربائية - التوافقي الثالث هو المحرك الأساسي |
| قضية فوق التوافقية | |
| عتبة حرجة | يمكن أن يؤدي الشحن السكني المتزامن غير المنضبط عند مستويات اختراق عالية إلى دفع VUF إلى ما هو أبعد من ذلك 2% في 50160 الحد في الحافلات نهاية التغذية |
01 السياق – حجم المشكلة
أصبحت كهربة النقل البري الآن التزامًا سياسيًا في معظم دول منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية, بأهداف تتراوح من 30% إلى 100% حصة سوق السيارات الكهربائية بحلول 2030-2040 في أوروبا, أمريكا الشمالية, وآسيا والمحيط الهادئ. الآثار المترتبة على PQ لهذا التحول – من حيث التوافقيات, الجهد عدم الاتزان, والانبعاثات فوق التوافقية على شبكات توزيع الجهد المنخفض السكنية - تمت دراستها على نطاق واسع بمعزل عن غيرها, ولكن الصورة المدمجة على مستوى التغذية, المحاسبة عن الطبيعة العشوائية لسلوك الشحن, كان من الصعب قياسها.
و 2021 دراسة بواسطة توريس وآخرون. في الطاقة التطبيقية يعالج هذه الفجوة مباشرة. بدءاً من الأطياف التوافقية المقاسة للمستوى الحقيقي 2 شاحن على متن الطائرة, قاموا ببناء نموذج احتمالي يلتقط السلوك غير الخطي للشاحن عبر دورة الشحن الكاملة - بدءًا من الاتصال الأولي عند حالة عجز عالية في الشحن وحتى الاكتمال - ثم نشروا هذا النموذج في عمليات محاكاة مونت كارلو على وحدة تغذية الجهد المنخفض السكنية OpenDSS لتقييم تأثيرات PQ عبر سيناريوهات متعددة لاختراق المركبات الكهربائية.
مستوى 1 الشحن (1.4-1.9 كيلو واط, منفذ منزلي قياسي) تنتج تيارات توافقية متواضعة يسهل على شبكة التوزيع امتصاصها. مستوى 2 الشحن عند 7.2 كيلووات - ما يقرب من 4 إلى 5 أضعاف الطاقة - تنتج تيارات توافقية أكبر نسبيًا يمكنها تشبع الموصل المحايد, يسبب تشوهًا كبيرًا في الجهد التوافقي الثالث على وحدة التغذية, وتساهم في عدم توازن الجهد عند توزيعه بشكل غير متساو عبر المراحل الثلاث. كمستوى 2 يصبح شحن المنزل هو الإجراء الافتراضي لأصحاب المركبات الكهربائية الذين يوقفون سياراتهم طوال الليل, الانتقال من المستوى 1 إلى المستوى 2 نظرًا لأن وضع الشحن السكني الأساسي يمثل تغييرًا تدريجيًا في تأثير PQ على شبكات توزيع الجهد المنخفض.
02 المستوى 2 الشاحن كحمل غير خطي
المستوى 2 شاحن السيارة الكهربائية هو محول إلكتروني للطاقة - على وجه التحديد مقوم تيار متردد/تيار مستمر أحادي الطور مع تصحيح عامل الطاقة (PFC) الدوائر - التي تسحب التيار من الشبكة بشكل متحكم فيه, نمط غير الجيبية. ملف التعريف التوافقي الحالي لشاحن EV ليس ثابتًا: يتغير طوال دورة الشحن مع ارتفاع جهد البطارية وتقوم خوارزمية التحكم في الشاحن بضبط السحب الحالي لإدارة حالة انتقال الشحن.
الأطياف التوافقية الاحتمالية
توريس وآخرون. تتميز الأطياف التوافقية للمستوى الحقيقي 2 الشاحن عبر دورة الشحن الكاملة باستخدام القياسات المعملية. وكانت النتيجة الرئيسية هي أن الأطياف التوافقية تظهر غير منتظمة, السلوك الاحتمالي — فهي ليست قيمًا حتمية يمكن تمثيلها بجدول واحد من الأوامر والمقادير التوافقية. حالة شحن البطارية, الشكل الموجي لجهد الشبكة عند لحظة الاتصال, وحالة التحكم الداخلية للشاحن كلها تؤثر على الطيف التوافقي. هذا هو السبب في تبسيطها, النماذج التوافقية الحتمية لشواحن المركبات الكهربائية - التي لا تزال تستخدم على نطاق واسع في أدوات التخطيط - تقلل بشكل منهجي من تأثير PQ الفعلي على مستوى وحدة التغذية.
وقد مثلت الدراسة هذا السلوك الاحتمالي باستخدام نماذج الخليط الغاوسي (غم) تم تركيبها على الأطياف المقاسة - حيث تلتقط كلاً من المحتوى التوافقي المتوسط وتقلبه عبر حالات الاتصال. تم بعد ذلك دمج نموذج GMM في إطار محاكاة مونت كارلو لنشر عدم اليقين التوافقي من خلال تقييم PQ على مستوى التغذية.
إحدى التفاصيل الدقيقة التي تم تحديدها في الأدبيات الأوسع لشاحن السيارة الكهربائية هي أن الانبعاث التوافقي لشاحن السيارة الكهربائية ليس مستقلاً عن جهد الشبكة المتصل به. عندما تحتوي وحدة التغذية ذات الجهد المنخفض بالفعل على تشويه الجهد التوافقي الثالث - فإن “الجيوب الأنفية المسطحة” وهذا نموذجي للشبكات السكنية التي تحتوي على مصادر طاقة متعددة في وضع التبديل - يغير هذا الجهد المشوه نقطة تشغيل الشاحن ويمكنه تعديل بعض المكونات التوافقية بنسبة 30-300٪ مقارنة بما يمكن قياسه على مصدر جيبي نظيف. يعني هذا الاقتران ثنائي الاتجاه أنه مع زيادة اختراق EV وتفاقم التشوه التوافقي الثالث, تتغير انبعاثات الشاحن نفسها - وهي حلقة ردود فعل إيجابية لا يتم التقاطها في نماذج التراكب التوافقي القياسية.
03 السيطرة التوافقية الثالثة – مشكلة الموصل المحايد
عبر جميع مستويات الاختراق وجميع حالات دورة الشحن التي تم فحصها في Torres et al. يذاكر, التوافقي الثالث (150 هرتز و 50 نظم هرتز) كان دائمًا العنصر التوافقي الأكثر كثافة في تيار شاحن السيارة الكهربائية. هذا لا يقتصر على شواحن السيارات الكهربائية - بل هو سمة من سمات جميع مصادر الطاقة في وضع التبديل أحادي الطور, بما في ذلك أجهزة شحن الكمبيوتر المحمول, برامج تشغيل LED, ومصادر الطاقة ذات الوضع المبدل المستخدمة في جميع الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية الحديثة. تضيف شواحن السيارات الكهربائية ببساطة مقدارًا أكبر بكثير من التيار التوافقي الثالث إلى شبكة تهيمن عليها بالفعل التوافقيات الثلاثية من هذه الأحمال الأصغر.
لماذا تعتبر التوافقيات الثلاثية خطيرة بشكل فريد
في نظام متوازن من ثلاث مراحل وأربعة أسلاك, تسلسل التيارات التوافقية الإيجابية والسلبية (5ال, 7ال, 11ال, 13ال…) قم بالإلغاء في الموصل المحايد - يحمل المحايد تيارًا قريبًا من الصفر. التوافقيات الثلاثية (3طريق, 9ال, 15ال…) هي تسلسل صفر - فهي في الطور على جميع موصلات الطور الثلاثة وبالتالي تضيف حسابيًا في المحايد. نظام ثلاثي الطور متوازن تمامًا مع ثلاثة شواحن EV أحادية الطور - واحد لكل مرحلة, شواحن متطابقة, حالة شحن متطابقة - تنتج تيارًا محايدًا بتسلسل إيجابي صفر، لكن تيارًا محايدًا عند التوافقي الثالث يساوي ثلاثة أضعاف تيار المرحلة التوافقية الثالثة.
والنتيجة العملية هي أن محولات التوزيع والموصلات المحايدة في شبكات الجهد المنخفض السكنية تم ضبط حجمها ليتناسب مع الطلب الحالي الأساسي للأحمال المتصلة, مع هامش حراري لعدم التوازن الطبيعي. يؤدي إدخال شحن EV عالي الكثافة أحادي الطور إلى إنشاء حمل زائد محايد منهجي من التوافقيات الثلاثية التي تقع تمامًا خارج افتراضات التصميم الخاصة بالبنية التحتية للجهد المنخفض الحالية.
04 مستويات الاختراق – تأثير نهاية التغذية
نتائج محاكاة مونت كارلو من توريس وآخرون. إظهار نمط مكاني ثابت عبر جميع سيناريوهات الاختراق: إن شحن السيارة الكهربائية له تأثير ضئيل على جودة الجهد عند بداية وحدة التغذية (بالقرب من محول التوزيع) ولكن يمكن أن يدفع عدم توازن الجهد إلى ما هو أبعد من ذلك 2% في 50160 الحد الأقصى عند حافلات نهاية التغذية حتى عند مستويات الاختراق المعتدلة. هذه هي وسيطة المعاوقة على نطاق واسع - كلما ابتعدنا عن المحول, كلما زادت مقاومة وحدة التغذية, وكلما زاد تيار توافقي معين يترجم إلى تشويه الجهد.
| مستوى اختراق EV | التأثير عند بدء وحدة التغذية | التأثير في نهاية وحدة التغذية | 3الجهد التوافقي الثالث | خطر VUF |
|---|---|---|---|---|
| قليل (<10%) | لا يكاد يذكر | زيادة طفيفة في VUF | ضمن الحدود | قليل |
| واسطة (10-30%) | لا يكاد يذكر | زيادة VUF قابلة للاكتشاف | تقترب من الحدود | معتدل |
| عالي (>30%) - غير المنضبط | تشويه طفيف | قد يتجاوز VUF 2% | من المحتمل أن يتجاوز الحدود | عالي |
| عالي (>30%) - الشحن الذكي | لا يكاد يذكر | يتم التحكم في VUF | ضمن الحدود | قليل |
عالية الاختراق, يمثل سيناريو الشحن غير المنضبط - حيث يقوم أصحاب المركبات الكهربائية بالتوصيل فور وصولهم إلى المنزل والشحن بأقصى معدل - أسوأ حالة PQ وهو أيضًا, في غياب تسعير وقت الاستخدام أو تفويضات الشحن الذكي, السلوك الطبيعي لمستخدمي المركبات الكهربائية. في 30%+ اختراق في وحدة التغذية السكنية, يؤدي الشحن المسائي المتزامن إلى إنشاء حدث ذروة الطلب أكبر من ذروة الحمل السكني الحالي, يحدث بالضبط في نفس الوقت الذي تحدث فيه الذروة الحالية, ويقدم المحتوى التوافقي الثالث الذي تترجمه مقاومة وحدة التغذية إلى تشويه الجهد في نهاية وحدة التغذية. ولا يشكل هذا خطرًا نظريًا على تخطيط الشبكة المستقبلية - فهو يحدث بالفعل في المناطق السكنية ذات الكثافة السكانية العالية للمركبات الكهربائية في النرويج, هولندا, وكاليفورنيا.
05 سوبرهارمونيكس - انبعاث شاحن السيارة الكهربائية المخفي
ما وراء النطاق التوافقي الكلاسيكي (تصل إلى 2 كيلوهرتز), تنتج شواحن السيارات الكهربائية انبعاثات فوق التوافقية في نطاق 2-150 كيلو هرتز من مراحل تبديل PWM عالية التردد. تختلف هذه الانبعاثات عن التوافقيات الكلاسيكية التي تتناولها اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC). 61000-3-2 ولا تخضع حاليًا لحدود انبعاثات محددة في سياق شبكة التوزيع.
التفاعل بين الانبعاثات فوق التوافقية لشاحن السيارة الكهربائية وشبكة الشبكة يخلق مشكلتين محددتين:
- تداخل الاتصالات PLC - القياس الذكي, استجابة الطلب, غالبًا ما تستخدم أنظمة إدارة شحن السيارات الكهربائية والمركبات الكهربائية ترددات حاملة لخطوط الطاقة في نطاق 9-95 كيلو هرتز (عصابات CENELEC). يمكن أن تقع ترددات تبديل شاحن السيارة الكهربائية مباشرة في هذه النطاقات, تعطيل إشارات الاتصال المخصصة لإدارة شحن السيارة الكهربائية نفسها - وهي مشكلة تداخل دائري
- التشكيل البيني مع الأجهزة الأخرى — عندما تكون أجهزة شحن المركبات الكهربائية المتعددة ذات ترددات تحويل مختلفة قليلاً متصلة بنفس وحدة التغذية, تظهر منتجات التشكيل البيني عند ترددات المجموع والاختلاف - كما هو موضح في دراسة حالة التوافقيات الفائقة CS06. يمكن أن تتداخل مكونات التردد الإضافية هذه مع المعدات غير المصممة لتحمل نطاق التردد هذا
- ردود فعل جهد الشبكة على الانبعاثات التوافقية - تشويه الجهد التوافقي الثالث الموجود على المغذيات السكنية (من مصادر الطاقة في وضع التبديل) يعدل نقطة تشغيل شاحن السيارة الكهربائية, وتغيير انبعاثاتها التوافقية بنسبة تصل إلى 30-300% مقارنة بالقياسات المخبرية على الإمدادات النظيفة. وهذا يعني أن القياسات الميدانية في تركيبات المركبات الكهربائية عالية الكثافة ستختلف بشكل كبير عن قياسات اختبار النوع على أجهزة الشحن الفردية
إن التخفيف الأكثر فعالية لمشاكل PQ المتعلقة بالمركبات الكهربائية على مستوى وحدة التغذية هو الشحن الذكي - تنسيق أوقات بدء الشحن, معدلات, وتخصيص المراحل عبر مركبات كهربائية متعددة لتجنب تزامن ذروة الطلب والتحميل غير المتساوي للمراحل. يمكن أن يؤدي الشحن الذكي المُحسّن إلى القضاء على تجاوزات VUF في نهاية وحدة التغذية والتي قد تحدث في حالة الشحن غير المتحكم فيه عند نفس مستوى الاختراق, دون الحاجة إلى أي تخفيف للأجهزة على مستوى الشاحن أو وحدة التغذية الفردية. تخصيص موازنة الطور - تعيين اتصالات شاحن جديدة أحادية الطور لأي مرحلة لديها أكبر سعة احتياطية - هو أبسط شكل من أشكال الشحن الذكي مع أعلى نسبة فائدة إلى التكلفة.
06 منظور جودة الطاقة
إن مشكلة PQ لشحن السيارات الكهربائية لها طابع محدد يميزها عن مشاكل PQ التاريخية: إنها مشكلة تخطيط بقدر ما هي مشكلة هندسية. يتم تركيب أفران القوس وVFDs بواسطة العملاء الصناعيين الذين يتفاعلون مع المرافق أثناء عملية الاتصال - هناك نقطة محددة يتم عندها إجراء تقييم PQ ويتم التفاوض على التخفيف. يتم تركيب أجهزة شحن المركبات الكهربائية السكنية بواسطة أصحاب المنازل الذين يتصلون بأي منفذ متاح, دون سابق إنذار لمشغل شبكة التوزيع, بمعدلات يمكن أن تتضاعف بين عشية وضحاها إذا تم إطلاق برنامج الحوافز.
تعتبر نتيجة الهيمنة التوافقية الثالثة مفيدة على الفور لمهندسي التوزيع الذين يقومون بتقييم البنية التحتية الحالية. تم تحديد حجم الموصلات المحايدة في شبكات الجهد المنخفض السكنية القديمة - خاصة تلك التي تم بناؤها في الستينيات والسبعينيات - بحيث تتناسب مع التيارات غير المتوازنة المتوقعة من الأحمال السكنية التقليدية أحادية الطور, ليس للتيارات التوافقية الثلاثية من شواحن السيارات الكهربائية. موصل محايد مناسب حرارياً 20% قد يكون عدم توازن الحمل السكني زائدًا بشكل كبير عن طريق التيار المحايد التوافقي الثلاثي من اختراق EV بنسبة 15-20٪ على ناقل نهاية التغذية.
إن الاستجابة العملية لشحن المركبات الكهربائية PQ لا تتمثل في التخفيف الفني في المقام الأول - بل هي جمع البيانات. المفتاح غير المعروف لأي شبكة توزيع هو الاختراق الفعلي للمركبات الكهربائية على كل وحدة تغذية للجهد المنخفض في الوقت الفعلي, والتوزيع المرحلي لتلك الشواحن. الأداة المساعدة التي تعرف العملاء الذين لديهم وحدات تغذية لديهم شواحن EV - وفي أي مرحلة يتم توصيل كل شاحن - لديها المعلومات اللازمة لتحديد مخاطر VUF في نهاية وحدة التغذية قبل أن تظهر كشكوى. بدون هذه البيانات, المنفعة تطير عمياء. بيانات العداد الذكي, جنبا إلى جنب مع منهجية النمذجة الاحتمالية التي أظهرها توريس وآخرون., يوفر الأساس التحليلي لإدارة PQ لوحدة تغذية الجهد المنخفض بشكل استباقي في عصر السيارات الكهربائية.
المراجع
- توريس س, دوران آي, مارولاندا أ, بافاس أ, كيروس تورتوس ج. “المركبات الكهربائية وجودة الطاقة في شبكات الجهد المنخفض: تحليل البيانات الحقيقية والنمذجة.” الطاقة التطبيقية, 2021. دوى: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- إقبال MN وآخرون. “الانبعاثات التوافقية وفوق التوافقية لشواحن السيارات الكهربائية.” المدن الذكية, طيران. 5, لا. 2, ص. 496-524, 2022. دوى: 10.3390/المدن الذكية5020027 - الوصول المفتوح CC BY 4.0.
- الحق A وآخرون. “تأثير شحن المركبات الكهربائية على عدم توازن الجهد في شبكة التوزيع الحضرية.” الأنظمة الصناعية الذكية, طيران. 1, ص. 51-60, 2015.
- في 50160:2010+A3:2019. خصائص الجهد للكهرباء التي توفرها شبكات الكهرباء العامة. CENELEC, بروكسل.
- IEC 61000-3-2:2018. التوافق الكهرومغناطيسي – الجزء 3-2: حدود للانبعاثات الحالية التوافقي. IEC, جنيف.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. التوافق الكهرومغناطيسي - مستويات التوافق للاضطرابات ذات التردد المنخفض في أنظمة إمداد الجهد المنخفض العامة. IEC, جنيف.
المصدر الأساسي: توريس س, دوران آي, مارولاندا أ, بافاس أ, كيروس تورتوس ج. “المركبات الكهربائية وجودة الطاقة في شبكات الجهد المنخفض: تحليل البيانات الحقيقية والنمذجة.” الطاقة التطبيقية, 2021. دوى: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. دعم المرجعية: إقبال MN وآخرون., “الانبعاثات التوافقية وفوق التوافقية لشواحن السيارات الكهربائية,” المدن الذكية, 2022, CC بواسطة 4.0.
يتم تقديم دراسة الحالة هذه في شكل ملخص وتعليق للأغراض التعليمية. مخططات SVG وقسم منظور PQ (قسم 6) هي المحتوى التحريري الأصلي لـ IPQDF بواسطة Denis Ruest, ماجستير. (مُطبَّق), عين المهندس. (متقاعد.). لا تدعي IPQDF تأليف البحث الأصلي.