एलवी आवासीय नेटवर्क में ईवी चार्जिंग और बिजली की गुणवत्ता - व्यक्तिगत चार्जर से लेकर फ्लीट पेनेट्रेशन तक
| चार्जर प्रकार मॉडल किया गया | स्तर 2 ऑन-बोर्ड चार्जर - 7.2 kW, सिंगल फेज़, घरेलू स्थापना |
| क्रियाविधि | मापा हार्मोनिक स्पेक्ट्रा से संभाव्य मॉडल - गाऊसी मिश्रण मॉडल - वास्तविक चार्जर माप के खिलाफ मान्य |
| सिमुलेशन उपकरण | ओपनडीएसएस - समय-श्रृंखला हार्मोनिक शक्ति 10 मिनट के रिज़ॉल्यूशन पर बहती है |
| अनिश्चितता मॉडलिंग | मोंटे कार्लो सिमुलेशन - परिवर्तनीय प्रारंभ चार्ज समय, कनेक्शन राज्य प्रभारी, फीडर पर ईवी स्थान |
| प्रमुख हार्मोनिक | 3तीसरा हार्मोनिक - प्रवेश स्तर की परवाह किए बिना पूरे चार्ज चक्र में सबसे तीव्र |
| मुख्य खोज | वोल्टेज असंतुलन और नेटवर्क चार्जेबिलिटी दोनों ईवी प्रवेश स्तर के साथ बढ़ते हैं - तीसरा हार्मोनिक प्राथमिक चालक है |
| सुपरहार्मोनिक मुद्दा | ईवी चार्जर स्विचिंग आवृत्तियाँ (2 किलोहर्ट्ज़ - 150 किलोहर्ट्ज़ रेंज) सुपरहार्मोनिक उत्सर्जन जोड़ें जो अन्य जुड़े उपकरणों के साथ इंटरैक्ट करता है और पीएलसी संचार को बाधित कर सकता है |
| गंभीर सीमा | उच्च प्रवेश स्तर पर अनियंत्रित एक साथ आवासीय चार्जिंग VUF को परे धकेल सकती है 2% इन 50160 फीडर एंड बसों पर सीमा |
01 संदर्भ - समस्या का पैमाना
सड़क परिवहन का विद्युतीकरण अब अधिकांश ओईसीडी देशों में एक नीतिगत प्रतिबद्धता है, से लेकर लक्ष्यों के साथ 30% से 100% यूरोप में 2030-2040 तक ईवी बाजार हिस्सेदारी, उत्तरी अमेरिका, और एशिया-प्रशांत. इस संक्रमण के पीक्यू निहितार्थ - हार्मोनिक्स के संदर्भ में, voltage unbalance, और आवासीय एलवी वितरण नेटवर्क पर सुपरहार्मोनिक उत्सर्जन का अलगाव में बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है, लेकिन फीडर स्तर पर संयुक्त तस्वीर, चार्जिंग व्यवहार की स्टोकेस्टिक प्रकृति को ध्यान में रखते हुए, मात्रा निर्धारित करना कठिन हो गया है.
The 2021 टोरेस एट अल द्वारा अध्ययन. एप्लाइड एनर्जी में इस अंतर को सीधे संबोधित किया गया है. वास्तविक स्तर के मापा हार्मोनिक स्पेक्ट्रा से शुरू करना 2 ऑन-बोर्ड चार्जर, उन्होंने पूर्ण चार्ज चक्र के दौरान चार्जर के गैर-रेखीय व्यवहार को कैप्चर करने वाला एक संभाव्य मॉडल बनाया - चार्ज घाटे की उच्च स्थिति पर प्रारंभिक कनेक्शन से लेकर पूरा होने तक - और फिर कई ईवी प्रवेश परिदृश्यों में पीक्यू प्रभावों का आकलन करने के लिए ओपनडीएसएस आवासीय एलवी फीडर पर मोंटे कार्लो सिमुलेशन में इस मॉडल को तैनात किया।.
स्तर 1 चार्ज (1.4-1.9 किलोवाट, मानक घरेलू आउटलेट) मामूली हार्मोनिक धाराएँ उत्पन्न करता है जो वितरण नेटवर्क द्वारा आसानी से अवशोषित हो जाती हैं. स्तर 2 पर चार्ज करना 7.2 किलोवाट - लगभग 4-5 गुना शक्ति - आनुपातिक रूप से बड़े हार्मोनिक धाराओं का उत्पादन करती है जो तटस्थ कंडक्टर को संतृप्त कर सकती हैं, फीडर पर महत्वपूर्ण तीसरे हार्मोनिक वोल्टेज विरूपण का कारण बनता है, और तीन चरणों में असमान रूप से वितरित होने पर वोल्टेज असंतुलन में योगदान देता है. स्तर के रूप में 2 रात भर पार्क करने वाले ईवी मालिकों के लिए होम चार्जिंग डिफ़ॉल्ट बन जाती है, स्तर से संक्रमण 1 स्तर तक 2 प्राथमिक आवासीय चार्जिंग मोड एलवी वितरण नेटवर्क पर पीक्यू प्रभाव में एक कदम परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है.
02 स्तर 2 नॉन-लीनियर लोड के रूप में चार्जर
एक स्तर 2 ईवी चार्जर एक पावर इलेक्ट्रॉनिक कनवर्टर है - विशेष रूप से पावर फैक्टर सुधार के साथ एकल-चरण एसी/डीसी रेक्टिफायर (पीएफसी) सर्किटरी - जो ग्रिड से नियंत्रित रूप में करंट खींचती है, गैर-साइनसॉइडल पैटर्न. ईवी चार्जर की हार्मोनिक वर्तमान प्रोफ़ाइल स्थिर नहीं है: बैटरी वोल्टेज बढ़ने पर यह पूरे चार्ज चक्र में बदल जाता है और चार्जर का नियंत्रण एल्गोरिदम चार्ज संक्रमण की स्थिति को प्रबंधित करने के लिए वर्तमान ड्रॉ को समायोजित करता है.
संभाव्य हार्मोनिक स्पेक्ट्रा
टोरेस एट अल. वास्तविक स्तर के हार्मोनिक स्पेक्ट्रा की विशेषता 2 प्रयोगशाला माप का उपयोग करके चार्जर को उसके पूर्ण चार्ज चक्र में. मुख्य खोज यह थी कि हार्मोनिक स्पेक्ट्रा अनियमित प्रदर्शित करता है, संभाव्य व्यवहार - वे नियतात्मक मूल्य नहीं हैं जिन्हें हार्मोनिक आदेशों और परिमाणों की एकल तालिका द्वारा दर्शाया जा सकता है. बैटरी की चार्ज स्थिति, कनेक्शन के समय ग्रिड वोल्टेज तरंग आकार, और चार्जर की आंतरिक नियंत्रण स्थिति सभी हार्मोनिक स्पेक्ट्रम को प्रभावित करती है. इसलिये सरलीकरण किया गया है, ईवी चार्जर्स के नियतात्मक हार्मोनिक मॉडल - अभी भी योजना उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं - फीडर स्तर पर वास्तविक पीक्यू प्रभाव को व्यवस्थित रूप से कम आंकते हैं.
अध्ययन ने गॉसियन मिश्रण मॉडल का उपयोग करके इस संभाव्य व्यवहार का प्रतिनिधित्व किया (जीएमएम) मापे गए स्पेक्ट्रा में फिट - माध्य हार्मोनिक सामग्री और कनेक्शन राज्यों में इसकी परिवर्तनशीलता दोनों को कैप्चर करना. जीएमएम मॉडल को फीडर-स्तर पीक्यू मूल्यांकन के माध्यम से हार्मोनिक अनिश्चितता का प्रचार करने के लिए मोंटे कार्लो सिमुलेशन ढांचे में एम्बेड किया गया था.
व्यापक ईवी चार्जर साहित्य में पहचानी गई एक सूक्ष्मता यह है कि ईवी चार्जर का हार्मोनिक उत्सर्जन उस ग्रिड वोल्टेज से स्वतंत्र नहीं है जिससे यह जुड़ा हुआ है. जब एलवी फीडर में पहले से ही तीसरा हार्मोनिक वोल्टेज विरूपण होता है - द “चपटा साइनसॉइड” यह कई स्विच-मोड बिजली आपूर्ति के साथ आवासीय ग्रिड के लिए विशिष्ट है - यह विकृत वोल्टेज चार्जर के ऑपरेटिंग बिंदु को बदल देता है और एक स्वच्छ साइनसॉइडल आपूर्ति पर मापे जाने वाले की तुलना में कुछ हार्मोनिक घटकों को 30-300% तक संशोधित कर सकता है।. इस द्विदिश युग्मन का मतलब है कि जैसे-जैसे ईवी प्रवेश बढ़ता है और तीसरा हार्मोनिक विरूपण बिगड़ता है, चार्जर का उत्सर्जन स्वयं बदल जाता है - एक सकारात्मक फीडबैक लूप जो मानक हार्मोनिक सुपरपोजिशन मॉडल में कैप्चर नहीं किया जाता है.
03 तीसरा हार्मोनिक प्रभुत्व - तटस्थ कंडक्टर समस्या
टोरेस एट अल में सभी प्रवेश स्तरों और सभी चार्ज चक्र स्थितियों की जांच की गई. अध्ययन, तीसरा हार्मोनिक (150 हर्ट्ज और 50 हर्ट्ज प्रणालियों) ईवी चार्जर करंट में लगातार सबसे तीव्र हार्मोनिक घटक था. यह ईवी चार्जर्स के लिए विशिष्ट नहीं है - यह सभी एकल-चरण स्विच-मोड बिजली आपूर्ति की एक विशेषता है, लैपटॉप चार्जर सहित, एलईडी ड्राइवर, और सभी आधुनिक उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली स्विच-मोड बिजली आपूर्ति. ईवी चार्जर इन छोटे भारों से पहले से ही ट्रिपल हार्मोनिक्स के प्रभुत्व वाले नेटवर्क में तीसरे हार्मोनिक करंट का एक बहुत बड़ा परिमाण जोड़ते हैं।.
ट्रिपल हार्मोनिक्स विशिष्ट रूप से खतरनाक क्यों हैं?
एक संतुलित तीन-चरण चार-तार प्रणाली में, सकारात्मक और नकारात्मक अनुक्रम हार्मोनिक धाराएँ (5वें, 7वें, 11वें, 13वें…) तटस्थ कंडक्टर में रद्द करें - तटस्थ लगभग शून्य धारा वहन करता है. त्रिगुण हार्मोनिक्स (3तीसरी, 9वें, 15वें…) शून्य-अनुक्रम हैं - वे सभी तीन चरण कंडक्टरों पर चरण में हैं और इसलिए तटस्थ में अंकगणितीय रूप से जोड़ते हैं. तीन एकल-चरण ईवी चार्जर के साथ एक पूरी तरह से संतुलित तीन-चरण प्रणाली - प्रति चरण एक, समान चार्जर, समान चार्जिंग स्थिति - शून्य सकारात्मक-अनुक्रम तटस्थ धारा उत्पन्न करती है लेकिन तीसरे हार्मोनिक पर एक तटस्थ धारा तीसरे हार्मोनिक चरण धारा के तीन गुना के बराबर होती है.
व्यावहारिक परिणाम यह है कि आवासीय एलवी नेटवर्क में वितरण ट्रांसफार्मर और तटस्थ कंडक्टर कनेक्टेड लोड की मूलभूत वर्तमान मांग के लिए आकार में थे, सामान्य असंतुलन के लिए थर्मल मार्जिन के साथ. उच्च-घनत्व एकल-चरण ईवी चार्जिंग की शुरूआत ट्रिपल हार्मोनिक्स से एक व्यवस्थित तटस्थ अधिभार बनाती है जो मौजूदा एलवी बुनियादी ढांचे की डिजाइन मान्यताओं से पूरी तरह से बाहर है।.
04 प्रवेश स्तर - फीडर-एंड प्रभाव
टोरेस एट अल से मोंटे कार्लो सिमुलेशन का परिणाम है. सभी प्रवेश परिदृश्यों में एक सुसंगत स्थानिक पैटर्न प्रदर्शित करें: ईवी चार्जिंग का फीडर शुरुआत में वोल्टेज की गुणवत्ता पर नगण्य प्रभाव पड़ता है (वितरण ट्रांसफार्मर के पास) लेकिन वोल्टेज असंतुलन को परे धकेल सकता है 2% इन 50160 मध्यम प्रवेश स्तर पर भी फीडर एंड बसों की सीमा. यह पैमाने पर प्रतिबाधा तर्क है - ट्रांसफार्मर से दूर, फीडर प्रतिबाधा जितनी अधिक होगी, और उतना ही अधिक दिया गया हार्मोनिक करंट वोल्टेज विरूपण में तब्दील हो जाता है.
| ईवी प्रवेश स्तर | फीडर प्रारंभ पर प्रभाव | फीडर के अंत पर प्रभाव | 3तीसरा हार्मोनिक वोल्टेज | वीयूएफ जोखिम |
|---|---|---|---|---|
| कम (<10%) | नगण्य | VUF में मामूली वृद्धि | सीमा के भीतर | कम |
| मध्यम (10-30%) | नगण्य | पता लगाने योग्य VUF वृद्धि | सीमा के निकट पहुँचना | मध्यम |
| उच्च (>30%) -अनियंत्रित | मामूली विकृति | VUF अधिक हो सकता है 2% | संभवतः सीमा से अधिक है | उच्च |
| उच्च (>30%) - स्मार्ट चार्जिंग | नगण्य | वीयूएफ नियंत्रित | सीमा के भीतर | कम |
उच्च-प्रवेश, अनियंत्रित चार्जिंग परिदृश्य - जहां ईवी मालिक घर पहुंचने पर तुरंत प्लग इन करते हैं और अधिकतम दर पर चार्ज करते हैं - सबसे खराब स्थिति पीक्यू स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है और यह भी है, उपयोग के समय मूल्य निर्धारण या स्मार्ट चार्जिंग अधिदेश के अभाव में, ईवी उपयोगकर्ताओं का स्वाभाविक व्यवहार. पर 30%+ आवासीय फीडर में प्रवेश, एक साथ शाम की चार्जिंग एक पीक डिमांड इवेंट बनाती है जो मौजूदा आवासीय पीक लोड से बड़ी होती है, मौजूदा शिखर के ठीक उसी समय होता है, और तीसरी हार्मोनिक सामग्री का परिचय देता है जो फीडर प्रतिबाधा फीडर के अंत में वोल्टेज विरूपण में तब्दील हो जाती है. यह भविष्य की ग्रिड योजना के लिए कोई सैद्धांतिक जोखिम नहीं है - यह नॉर्वे में उच्च-ईवी-घनत्व वाले आवासीय क्षेत्रों में पहले से ही हो रहा है, नीदरलैंड, और कैलिफोर्निया.
05 सुप्राहार्मोनिक्स - द हिडन ईवी चार्जर एमिशन
शास्त्रीय हार्मोनिक रेंज से परे (अप करने के लिए 2 kHz), ईवी चार्जर अपने उच्च-आवृत्ति पीडब्लूएम स्विचिंग चरणों से 2-150 किलोहर्ट्ज़ रेंज में सुपरहार्मोनिक उत्सर्जन उत्पन्न करते हैं।. ये उत्सर्जन आईईसी द्वारा संबोधित शास्त्रीय हार्मोनिक्स से अलग हैं 61000-3-2 और वर्तमान में वितरण नेटवर्क संदर्भ में विशिष्ट उत्सर्जन सीमाओं के अधीन नहीं हैं.
ईवी चार्जर सुपरहार्मोनिक उत्सर्जन और ग्रिड नेटवर्क के बीच परस्पर क्रिया दो विशिष्ट समस्याएं पैदा करती है:
- पीएलसी संचार हस्तक्षेप -स्मार्ट मीटरिंग, प्रतिक्रिया मांगें, और ईवी चार्जिंग प्रबंधन प्रणालियाँ अक्सर 9-95 किलोहर्ट्ज़ रेंज में पावर लाइन वाहक आवृत्तियों का उपयोग करती हैं (CENELEC बैंड). ईवी चार्जर स्विचिंग फ्रीक्वेंसी सीधे इन बैंड में आ सकती है, संचार संकेतों को बाधित करना जिनका उद्देश्य ईवी चार्जिंग को स्वयं प्रबंधित करना है - एक गोलाकार हस्तक्षेप समस्या
- अन्य उपकरणों के साथ इंटरमोड्यूलेशन — जब थोड़ी अलग स्विचिंग आवृत्तियों वाले कई ईवी चार्जर एक ही फीडर से जुड़े होते हैं, इंटरमॉड्यूलेशन उत्पाद योग और अंतर आवृत्तियों पर दिखाई देते हैं - जैसा कि CS06 सुप्राहार्मोनिक्स केस स्टडी में दिखाया गया है. ये अतिरिक्त आवृत्ति घटक उन उपकरणों के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं जो इस आवृत्ति रेंज को सहन करने के लिए डिज़ाइन नहीं किए गए हैं
- हार्मोनिक उत्सर्जन पर ग्रिड वोल्टेज प्रतिक्रिया - आवासीय फीडरों पर मौजूदा तीसरा हार्मोनिक वोल्टेज विरूपण (स्विच-मोड बिजली आपूर्ति से) ईवी चार्जर के ऑपरेटिंग बिंदु को संशोधित करता है, स्वच्छ आपूर्ति पर प्रयोगशाला माप की तुलना में अपने हार्मोनिक उत्सर्जन को 30-300% तक बदल रहा है. इसका मतलब है कि उच्च-घनत्व ईवी इंस्टॉलेशन पर फ़ील्ड माप अलग-अलग चार्जर पर टाइप-टेस्ट माप से काफी भिन्न होंगे
फीडर स्तर पर ईवी से संबंधित पीक्यू समस्याओं के लिए सबसे प्रभावी शमन स्मार्ट चार्जिंग है - चार्ज प्रारंभ समय का समन्वय करना, दरें, और एक साथ चरम मांग और असमान चरण लोडिंग से बचने के लिए कई ईवी में चरण आवंटन. अनुकूलित स्मार्ट चार्जिंग फीडर के अंत में वीयूएफ की अधिकता को समाप्त कर सकती है जो अन्यथा समान प्रवेश स्तर पर अनियंत्रित चार्जिंग के तहत होती है, व्यक्तिगत चार्जर या फीडर स्तर पर किसी भी हार्डवेयर शमन की आवश्यकता के बिना. चरण-संतुलन आवंटन - जिस भी चरण में सबसे अधिक अतिरिक्त क्षमता हो, उसके लिए नए एकल-चरण चार्जर कनेक्शन निर्दिष्ट करना - उच्चतम लाभ-से-लागत अनुपात के साथ स्मार्ट चार्जिंग का सबसे सरल रूप है।.
06 विद्युत गुणवत्ता परिप्रेक्ष्य
ईवी चार्जिंग पीक्यू समस्या का एक विशिष्ट चरित्र है जो इसे ऐतिहासिक पीक्यू समस्याओं से अलग करता है: यह एक इंजीनियरिंग समस्या के समान ही एक नियोजन समस्या भी है. आर्क फर्नेस और वीएफडी औद्योगिक ग्राहकों द्वारा स्थापित किए जाते हैं जो कनेक्शन प्रक्रिया के दौरान उपयोगिता के साथ जुड़ते हैं - एक परिभाषित बिंदु है जिस पर पीक्यू मूल्यांकन होता है और शमन पर बातचीत की जाती है. आवासीय ईवी चार्जर घर के मालिकों द्वारा स्थापित किए जाते हैं जो किसी भी उपलब्ध आउटलेट से कनेक्ट होते हैं, वितरण नेटवर्क ऑपरेटर को कोई सूचना नहीं दी गई, यदि कोई प्रोत्साहन कार्यक्रम शुरू होता है तो दरें रातों-रात दोगुनी हो सकती हैं.
तीसरी हार्मोनिक प्रभुत्व खोज मौजूदा बुनियादी ढांचे का आकलन करने वाले वितरण इंजीनियरों के लिए तुरंत उपयोगी है. पुराने आवासीय एलवी नेटवर्क में तटस्थ कंडक्टर - विशेष रूप से 1960 और 1970 के दशक में निर्मित - पारंपरिक एकल-चरण आवासीय भार से अपेक्षित असंतुलित धाराओं के लिए आकार में थे।, ईवी चार्जर्स से ट्रिपल हार्मोनिक धाराओं के लिए नहीं. एक तटस्थ कंडक्टर जो थर्मल रूप से पर्याप्त है 20% फीडर एंड बस पर 15-20% ईवी प्रवेश से ट्रिपल हार्मोनिक तटस्थ धारा द्वारा आवासीय भार असंतुलन को काफी हद तक अधिभारित किया जा सकता है.
ईवी चार्जिंग पीक्यू की व्यावहारिक उपयोगिता प्रतिक्रिया मुख्य रूप से तकनीकी शमन नहीं है - यह डेटा संग्रह है. किसी भी वितरण नेटवर्क के लिए अज्ञात कुंजी वास्तविक समय में प्रत्येक एलवी फीडर पर वास्तविक ईवी प्रवेश है, और उन चार्जरों का चरण वितरण. एक उपयोगिता जो जानती है कि किस ग्राहक के पास किस फीडर पर ईवी चार्जर हैं - और प्रत्येक चार्जर किस चरण से जुड़ा है - शिकायत के रूप में प्रकट होने से पहले फीडर-एंड वीयूएफ जोखिम की पहचान करने के लिए आवश्यक जानकारी है. इस डेटा के बिना, उपयोगिता अंधाधुंध उड़ रही है. स्मार्ट मीटर डेटा, टोरेस एट अल द्वारा प्रदर्शित संभाव्य मॉडलिंग पद्धति के साथ संयुक्त।, ईवी युग में सक्रिय एलवी फीडर पीक्यू प्रबंधन के लिए विश्लेषणात्मक आधार प्रदान करता है.
सन्दर्भ
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- इकबाल एमएन एट अल. “प्लग-इन इलेक्ट्रिक वाहन चार्जर्स के हार्मोनिक और सुपरहार्मोनिक उत्सर्जन।” स्मार्ट शहर, उड़ान. 5, नहीं. 2, पीपी. 496-524, 2022. DOI: 10.3390/स्मार्टसिटीज़5020027 - ओपन एक्सेस CC BY 4.0.
- उल-हक ए एट अल. “शहरी वितरण नेटवर्क में वोल्टेज असंतुलन पर इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग का प्रभाव।” इंटेलिजेंट औद्योगिक सिस्टम, उड़ान. 1, पीपी. 51-60, 2015.
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- आईईसी 61000-3-2:2018. विद्युत चुम्बकीय अनुकूलता - भाग 3-2: हार्मोनिक वर्तमान उत्सर्जन के लिए सीमा. आईईसी, जिनेवा.
- आईईसी 61000-2-2:2002+एएमडी1:2017. विद्युतचुंबकीय अनुकूलता - सार्वजनिक एलवी आपूर्ति प्रणालियों में कम आवृत्ति वाली गड़बड़ी के लिए अनुकूलता स्तर. आईईसी, जिनेवा.
मुख्य स्रोत: टोरेस एस, डुरान आई, मारुलांडा ए, पावस ए, क्विरोस-टोर्टोस जे. “कम वोल्टेज नेटवर्क में इलेक्ट्रिक वाहन और बिजली की गुणवत्ता: वास्तविक डेटा विश्लेषण और मॉडलिंग।” अनुप्रयुक्त ऊर्जा, 2021. DOI: 10.1016/जे.एपीएनर्जी.2021.117718. सहायक संदर्भ: इकबाल एमएन एट अल।, “प्लग-इन इलेक्ट्रिक वाहन चार्जर्स के हार्मोनिक और सुपरहार्मोनिक उत्सर्जन,” स्मार्ट शहर, 2022, सीसी द्वारा 4.0.
यह केस अध्ययन शैक्षिक उद्देश्यों के लिए सारांश और टिप्पणी रूप में प्रस्तुत किया गया है. एसवीजी आरेख और पीक्यू परिप्रेक्ष्य अनुभाग (अनुभाग 6) डेनिस रुएस्ट द्वारा मूल IPQDF संपादकीय सामग्री हैं, एम.एससी. (लागू), पी.इंजी. (सेवानिवृत्त). आईपीक्यूडीएफ मूल शोध के लेखक होने का दावा नहीं करता है.
