Table of Contents
Γιατί η ανάλυση ροής φορτίου είναι κρίσιμη για το σχεδιασμό σταθμών ταχείας φόρτισης EV
Η παγκόσμια μετάβαση στα ηλεκτρικά οχήματα (EVs) επιταχύνει το σχεδιασμό του συστήματος ισχύος σε αχαρτογράφητη περιοχή. Σταθμοί γρήγορης φόρτισης, ικανοί να παρέχουν 150 kW έως 350 kW ανά συνδετήρα, επιβάλλουν συγκεντρωμένα, διαλείποντα φορτία στα δίκτυα διανομής. Χωρίς αυστηρές μελέτες ροής φορτίου, υπηρεσίες κοινής ωφέλειας και προγραμματιστές αστάθειας τάσης κινδύνου, υπερφορτώσεις μετασχηματιστή, και δαπανηρές αποτυχίες υποδομής. Η ανάλυση ροής φορτίου παρέχει το ποσοτικό θεμέλιο για ασφαλείς, αποδοτικές και κλιμακούμενες εφαρμογές ταχείας φόρτισης.
Αυτό το άρθρο εξετάζει πώς οι μελέτες ροής φορτίου καθοδηγούν κάθε στάδιο ανάπτυξης του σταθμού ⁇ από την επιλογή του χώρου και τον εξοπλισμό που έχει ως αποτέλεσμα τη διασύνδεση του δικτύου και τον σχεδιασμό έκτακτης ανάγκης. Θα διερευνήσουμε τις μεθοδολογίες του πραγματικού κόσμου, τους κανονιστικούς περιορισμούς και τις αναδυόμενες τάσεις που καθιστούν την ανάλυση ροής φορτίου απαραίτητη για το οικοσύστημα EV.
Βασικές αρχές της ροής φορτίου σε EV που χρεώνουν τα πλαίσια
Τι Υπολογίζει μια Μελέτη Ροής Φορτίου
Μια μελέτη ροής φορτίου λύνει για τάσεις σταθερής κατάστασης, ρεύματα, πραγματικές και αντιδραστικές ροές ισχύος, και απώλειες συστημάτων σε ένα δίκτυο. Για τη φόρτιση EV, η ανάλυση πρέπει να μοντελοποιεί υψηλά μεταβλητά φορτία που μπορούν να ⁇ άμπα από το μηδέν έως την αιχμή της ζήτησης σε λεπτά.
- Προφίλ τάσης σε κάθε λεωφορείο για να εξασφαλιστεί συμμόρφωση με τα πρότυπα ANSI C84.1 Range A ή B.
- Φορτάρισμα με φρένο (καλωδιώσεις, μετασχηματιστές, διακόπτες) για την πρόληψη θερμικής υπερφόρτωσης.
- Συντελεστής ισχύος και απαιτήσεις ισχύος αντίδρασης, ιδίως για φορτιστές με συντελεστή ισχύος εκτός της ένωσης.
- Απώλειες συστήματος για την αξιολόγηση της λειτουργικής αποδοτικότητας και του κόστους.
Μοναδικές προκλήσεις των φορτίων ταχείας φόρτισης
Σε αντίθεση με τους οικιστικούς φορτιστές επιπέδου 2 (7 ⁇ kW), οι γρήγοροι φορτιστές συνεχούς ρεύματος (DCFC) συμπεριφέρονται ως μεγάλα, μη γραμμικά φορτία. Τα ηλεκτρονικά τροφοδοσίας φορτιστή μπορούν να εγχύσουν αρμονικές, να δημιουργήσουν τρεμοπαίζει τάση κατά τη ⁇ ψη, και να αντλήσουν σημαντικό ρεύμα αντίδρασης όταν λειτουργούν κοντά σε ονομαστική ισχύ. Ένα συμβατικό μοντέλο ροής φορτίου πρέπει να υπολογίζει:
- Ταυτόχρονα συνεδρίες φόρτισης (οι παράγοντες ποικιλομορφίας φορτίου είναι χαμηλοί για τους φορτιστές υψηλής ισχύος).
- Τα εφέ κατάστασης φόρτισης της μπαταρίας ⁇ φορτιστές μπορούν να αντλούν σταθερή ισχύ μέχρι να φτάσουν σε πλήρη φόρτιση, και στη συνέχεια κωνική.
- Επί τόπου αποθήκευση ενέργειας και ηλιακή παραγωγή, που εισάγει αμφίδρομες ροές ενέργειας.
Ενσωματώνοντας μελέτες ροής φορτίου στην ροή εργασίας ανάπτυξης σταθμών
Βήμα 1: Προβολή της Σκοπιμότητας και της Διασύνδεσης Βοηθείας
Πριν δεσμευτούν σε μια τοποθεσία, οι προγραμματιστές διενεργούν προκαταρκτική εκτίμηση ροής φορτίου χρησιμοποιώντας δεδομένα feeder χρησιμότητας. Η μελέτη προσδιορίζει τη διαθέσιμη χωρητικότητα στο σημείο της κοινής ζεύξης (PCC). Αν ο υπάρχων μετασχηματιστής ή δευτερεύον δίκτυο στερείται headroom, η ανάλυση ποσοτικοποιεί το κόστος αναβάθμισης και τα χρονοδιαγράμματα. Πολλές επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας των ΗΠΑ απαιτούν τώρα μια μελέτη επιπτώσεων διασύνδεσης[ που περιλαμβάνει ροή φορτίου, βραχυκύκλωμα, και αναλύσεις συντονισμού προστασίας (ανά IEEE 1547 και τοπικούς κανόνες τιμολόγησης).
Βήμα 2: Λεπτομερής Ηλεκτρικός Σχεδιασμός
Με ένα βιώσιμο PCC επιβεβαιωμένο, οι μηχανικοί κατασκευάζουν ένα λεπτομερές διάγραμμα μιας γραμμής στο λογισμικό του συστήματος ισχύος (π.χ., ETAP, SKM, PSS/E). Το μοντέλο ροής φορτίου ενσωματώνει:
- Προσκόμιση μετασχηματιστή, ρυθμίσεις βρύσης και βαθμολογίες
- Αδιαφάνεια και μήκος του αγωγού
- Απώλεια ισχύος φορτιστή και χαρακτηριστικά ισχύος αντίδρασης
- Στρατηγικές αποστολής επιτόπιας παραγωγής ή αποθήκευσης
Προσομοιώσεις που εκτελούνται για πολλαπλά σενάρια: η χειρότερη περίπτωση ταυτόχρονης φόρτισης, η off-peak βασική γραμμή και η πιθανότητα σφάλματος. Ο σχεδιασμός πρέπει να ικανοποιεί [[LFT:0]] όρια πτώσης τάσης[[[LFT:1]] (συνήθως ≤5% στον τερματικό φορτιστή υπό πλήρες φορτίο) και [[LFT:2]] φορτοεκφόρτωση μετασχηματιστή[[[LFT:3]] που δεν υπερβαίνει το 100% της πινακίδας ονομάτων για συνεχή υπηρεσία.
Κανονισμός για την ενσωμάτωση και την ταλάντωση καννάβου
Μετριασμός πτώσης τάσης
Οι μακρές δευτερεύουσες διαδρομές από τον μετασχηματιστή υπηρεσιών έως τους πάγκους φόρτισης είναι μια κοινή αιτία της υποτάσεως. Η ανάλυση ροής φορτίου αποκαλύπτει τις ακριβείς τοποθεσίες όπου οι σταγόνες τάσης υπερβαίνουν τα όρια. Οι λύσεις περιλαμβάνουν:
- αγωγοί και τροφοδοτητές παράλληλης ζεύξης
- Εγκατάσταση ρυθμιστών τάσης ή μετασχηματιστών ώθησης
- Προσθήκη τοπικών τραπεζών πυκνωτών για τη βελτίωση του συντελεστή ισχύος και τη μείωση του ρεύματος αντίδρασης
- Φορτιστές εντοπισμού με ενεργό υποστήριξη τάσης (π.χ., αναστροφείς που μπορούν να απορροφήσουν ή να εγχέουν αέργους ισχύος)
Επίδραση στη φόρτωση τροφοδότη και υποσταθμού
Μια ομάδα γρήγορων φορτιστών μπορεί να ωθήσει έναν τροφοδότη διανομής στο θερμικό του όριο. Μελέτες ροής φορτίου με ωριαία προφίλ φορτίου (χρησιμοποιώντας OpenDSS ή παρόμοια εργαλεία) βοηθούν το σχέδιο κοινής ωφέλειας για:
- Αναβαθμίσεις μετασχηματιστών ή μεταφορά φορτίου σε παρακείμενους τροφοδότες
- Προγράμματα απόκρισης ζήτησης που περιορίζουν τη φόρτιση κατά τη διάρκεια της μέγιστης τάσης δικτύου
- Αποθήκευση μπαταριών πίσω από το μέτρο για ξύρισμα της ζήτησης κορυφής
Μια μελέτη NREL διαδρόμων φόρτισης υψηλής ισχύος διαπίστωσε ότι χωρίς βελτιστοποίηση ροής φορτίου, συστάδες φορτιστών 10+ 350 kW θα μπορούσαν να προκαλέσουν υπερφορτίσεις τροφοδότησης εντός δύο ετών από την εγκατάσταση.
Μελέτη περίπτωσης Real-World: Highway Corridor Fast-Curging Network
Πεδίο εφαρμογής του έργου
Μια κοινοπραξία σχεδίασε 12 χώρους ταχείας φόρτισης κατά μήκος ενός διαπολιτικού διαδρόμου 300 μιλίων, καθένα με 8 πάγκους στα 350 kW. Η τοπική εταιρεία διανομής (LDC) απαιτούσε μια [] μελέτη επιπτώσεων συστήματος[] πριν χορηγήσει διασύνδεση. Σε τρεις τοποθεσίες, η υπάρχουσα τροφοδοσία 12,47 kV δεν είχε χωρητικότητα πέραν των 1.2 MVA· κάθε σταθμός θα συνέταξε ταυτόχρονα έως 2,8 MVA.
Ευρήματα ροής φορτίου
Η μελέτη αποκάλυψε απαράδεκτα ελαστικά τάσης (6 ⁇ 8%) στους πιο μακρινούς φορτιστές κατά τη διάρκεια της λειτουργίας αιχμής. Επιπλέον, ένας μετασχηματιστής που εξυπηρετούσε μια μικτή εμπορική-κατοικητική περιοχή είχε ήδη φορτωθεί στο 85% κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών απογεύματα· προσθέτοντας την χρέωση EV θα το ωθούσε στο 130%.
Λύσεις Μηχανικών
Με βάση προσομοιώσεις ροής φορτίου, οι μηχανικοί πρότειναν:
- Αφιερωμένοι μετασχηματιστές υπηρεσιών 4.16 kV στις δύο περιοχές με υψηλότερη ζήτηση, τροφοδοτούνται απευθείας από νέο υποσταθμό.
- Επί τόπου 500 kWh batter buffers[[LFT:1]] στην τρίτη θέση για να ξυρίσει την κορυφή, μειώνοντας τη φόρτωση μετασχηματιστή στο 95%.
- Εξοπλισμός ρύθμισης της τάσης (ρυθμιστές της τάσης βήματος) στον τροφοδότη 12,47 kV όπου οι μακρές διαδρομές προκάλεσαν τα σαγόνια.
- Διόρθωση συντελεστή ισχύος με τη χρήση πυκνωτών σε κάθε σταθμό για τη διατήρηση του PF >0.95, ελαχιστοποιώντας το αντιδραστικό ρεύμα.
Ο τελικός σχεδιασμός πληρούσε τις απαιτήσεις χρησιμότητας και διατηρούσε τάσεις εντός ±5% σε όλες τις συνεδρίες φόρτισης. Η μελέτη παρείχε επίσης ένα σχέδιο σταδιακής κατασκευής ακολουθίας χωρίς διακοπή των υφιστάμενων πελατών.
(Βλέπε επίσης ]Η έρευνα διαδρόμου φόρτισης υψηλής ισχύος της NREL για σχετικά ευρήματα.)
Ενσωματώνει ανανεώσιμη παραγωγή και αποθήκευση
Πολλοί σύγχρονοι σταθμοί φόρτισης περιλαμβάνουν επιτόπου ηλιακά φωτοβολταϊκά και αποθήκευση μπαταριών. Η ανάλυση ροής φορτίου γίνεται πιο πολύπλοκη με αμφίδρομες ροές ενέργειας.
- μεταβλητότητα της ηλιακής παραγωγής (παροδικές νέφωσης, εποχιακή κλίση)
- Προγραμματισμός φόρτισης/εκφόρτισης μπαταρίας (π.χ. φόρτιση κατά τη διάρκεια χαμηλής ζήτησης δικτύου και εκφόρτωσης κατά τη διάρκεια συμβάντων φόρτισης αιχμής)
- Ανίχνευση και προστασία κατά της προσγείωσης ανά IEEE 1547-2018
Η προσομοίωση ροής κατάλληλου φορτίου εξασφαλίζει ότι όταν η ηλιακή παραγωγή υπερβαίνει το φορτίο του σταθμού, η αντίστροφη ροή ισχύος δεν υπερβαίνει τις βαθμολογίες εξοπλισμού διανομής. Επίσης, επικυρώνει ότι το σύστημα αποθήκευσης μπορεί να παρέχει υποστήριξη τάσης και να μειώσει το στρες μετασχηματιστή.
Συμμόρφωση με τα ρυθμιστικά πρότυπα και πρότυπα
Οι σταθμοί ταχείας φόρτισης στη Βόρεια Αμερική πρέπει να τηρούν πολλαπλούς κώδικες και πρότυπα.
- [[ΟΧΕ:0]]Σημείωση NEC Άρθρο 625[[ΟΧΕ:1] ⁇ Διαβαθμίσεις της προστασίας και του εξοπλισμού
- IEEE 1547 (διασύνδεση κατανεμημένων ενεργειακών πόρων)
- ANSI C84.1 ⁇ Εύρος τάσης για εξοπλισμό χρήσης
- Απαιτήσεις διασύνδεσης ειδικών χρήσεων ⁇ Συχνά να δώσει εντολή για μελέτη ροής ισχύος ως μέρος του πακέτου εφαρμογών
Στην Ευρώπη, τα αντίστοιχα πρότυπα περιλαμβάνουν EN 50160 για την ποιότητα τάσης και διάφορες σειρές IEC 61851 για τη χρέωση EV. Οι μελέτες ροής φορτίου είναι εξίσου απαραίτητες για τη συμμόρφωση.
Μέλλον Τάσεις: Δυναμική ροή φορτίου και έξυπνη χρέωση
Ροή φορτίου πραγματικού χρόνου για τη χρέωση καννάβου
Οι σταθμοί φόρτισης μπορούν να χρησιμοποιήσουν δυναμικά αποτελέσματα ροής φορτίου για να ρυθμίσουν τους ρυθμούς φόρτισης με βάση τις συνθήκες του δικτύου. Για παράδειγμα, ένας στόλος 10 φορτιστών μπορεί συλλογικά να μειώσει την ισχύ κατά 30% κατά τη διάρκεια μιας υπερφόρτωσης τροφοδότη, με τις απώλειες ελαχιστοποιηθεί από τη βελτιστοποίηση της κατανομής φορτίου σε όλες τις φάσεις.
Μοντελοποίηση υψηλής πιστότητας των ηλεκτρονικών ενέργειας
Τα εργαλεία ροής φορτίου επόμενης γενιάς ενσωματώνουν λεπτομερή μοντέλα αντιστροφέων καρβιδίου του πυριτίου (SiC) και νιτρωδών του γαλλίου (GaN) που χρησιμοποιούνται σε υπεργρήγορους φορτιστές.
Προβαμπυλιστικό φορτίο ροής
Επειδή η συμπεριφορά φόρτισης EV είναι στοχαστική, η προβαμπιλιστική ανάλυση ροής φορτίου κερδίζει έλξη. Αντί να υποθέτει τη χειρότερη περίπτωση ταυτόχρονης φόρτισης, η ανάλυση τρέχει χιλιάδες προσομοιώσεις Monte Carlo για να παράγει probabilists τάση και διανομή φόρτωσης.
Για μια βαθύτερη κατάδυση σε προβαμπιλιστικές μεθόδους ροής φορτίου, δείτε αυτό το ] χαρτί IEEE για την μοντελοποίηση αβεβαιότητας στα συστήματα διανομής με χρέωση EV.
Συμπέρασμα: Απαραίτητο για την κλιμακούμενη υποδομή
Η ανάλυση ροής φορτίου δεν είναι ένα πλαίσιο ελέγχου μιας φοράς ⁇ είναι μια συνεχής διαδικασία μηχανικής που στηρίζει κάθε επιτυχημένο έργο γρήγορης φόρτισης EV. Από τη διασφάλιση της ποιότητας τάσης στους τερματικούς σταθμούς φορτιστή μέχρι την απόδειξη της σταθερότητας του δικτύου στους ρυθμιστές, οι μελέτες αυτές εμποδίζουν δαπανηρά λάθη και επιτρέπουν την ταχύτερη ανάπτυξη.
Οι προγραμματιστές, οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας και οι ρυθμιστές πρέπει να συνεργαστούν για την τυποποίηση μεθοδολογιών ροής φορτίου, δεδομένων κοινής χρήσης τροφοδότη και να επενδύσουν σε εργαλεία ανάλυσης.
Για επιπλέον ανάγνωση σχετικά με τον σχεδιασμό του συστήματος διανομής για την υποδομή EV, το U.S. Department of Energy’s EV-Grid Interconnection Guide παρέχει πρακτικές συστάσεις για επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας και προγραμματιστές.