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 |
| Uncertainty modelling | Monte Carlo simulation — variable start charge time, connection state-of-charge, EV location on feeder |
| Dominant harmonic | 3rd harmonic — most intense throughout the charge cycle regardless of penetration level |
| النتيجة الرئيسية | Voltage unbalance and network chargeability both increase with EV penetration level — the third harmonic is the primary driver |
| Supraharmonic issue | |
| Critical threshold | Uncontrolled simultaneous residential charging at high penetration levels can push VUF beyond the 2% في 50160 limit at feeder end buses |
01 Context — The Scale of the Problem
The electrification of road transport is now a policy commitment in most OECD countries, with targets ranging from 30% إلى 100% EV market share by 2030–2040 in Europe, أمريكا الشمالية, and Asia-Pacific. The PQ implications of this transition — in terms of harmonics, 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 EV charger is a power electronic converter — specifically a single-phase AC/DC rectifier with power factor correction (PFC) circuitry — that draws current from the grid in a controlled, non-sinusoidal pattern. The harmonic current profile of an EV charger is not constant: it changes throughout the charge cycle as the battery voltage rises and the charger’s control algorithm adjusts the current draw to manage the state of charge transition.
Probabilistic harmonic spectra
Torres et al. characterised the harmonic spectra of a real Level 2 charger across its full charge cycle using laboratory measurements. The key finding was that the harmonic spectra exhibit irregular, probabilistic behaviour — they are not deterministic values that can be represented by a single table of harmonic orders and magnitudes. The charge state of the battery, the grid voltage waveform shape at the moment of connection, and the charger’s internal control state all influence the harmonic spectrum. This is why simplified, deterministic harmonic models of EV chargers — still widely used in planning tools — systematically underestimate the actual PQ impact at the feeder level.
The study represented this probabilistic behaviour using Gaussian Mixture Models (GMM) fitted to the measured spectra — capturing both the mean harmonic content and its variability across connection states. 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), EV chargers produce supraharmonic emissions in the 2–150 kHz range from their high-frequency PWM switching stages. These emissions are distinct from the classical harmonics addressed by IEC 61000-3-2 and are not currently subject to specific emission limits in the distribution network context.
The interaction between EV charger supraharmonic emissions and the grid network creates two specific problems:
- PLC communication interference — Smart metering, استجابة الطلب, and EV charging management systems often use power line carrier frequencies in the 9–95 kHz range (CENELEC bands). EV charger switching frequencies can fall directly in these bands, disrupting the communication signals that are intended to manage the EV charging itself — a circular interference problem
- Intermodulation with other devices — 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
The EV charging PQ problem has a specific character that distinguishes it from historical PQ problems: it is a planning problem as much as an engineering problem. Arc furnaces and VFDs are installed by industrial customers who engage with the utility during the connection process — there is a defined point at which PQ assessment happens and mitigation is negotiated. Residential EV chargers are installed by homeowners who connect to whatever outlet is available, at no notice to the distribution network operator, at rates that can double overnight if an incentive programme launches.
The third harmonic dominance finding is immediately useful for distribution engineers assessing existing infrastructure. 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.