Влияние зарядки электромобилей на планирование распределительной сети

Растущая проблема зарядки EV

Электромобили перешли от нишевого продукта к основному выбору транспорта, с глобальными продажами, превышающими 10 миллионов единиц в 2022 году, и ростом, ускоряющимся каждый год. Это быстрое принятие приносит соответствующий спрос на инфраструктуру зарядки, которая надежна, доступна и способна удовлетворить потребности водителей без перегрузки электрической сети. Распределительная сеть - часть системы электроснабжения, которая поставляет электроэнергию от подстанций до домов и предприятий - теперь должна соответствовать новой, очень переменной структуре нагрузки, введенной зарядкой электромобилей. Понимание того, как эта нагрузка взаимодействует с существующей инфраструктурой, имеет важное значение для коммунальных служб, операторов сетей и планировщиков для поддержания стабильности, предотвращения дорогостоящих аварийных обновлений и поддержки перехода на электрифицированный транспорт.

Ставки высоки. Неуправляемая зарядка электромобилей может вытолкнуть распределительные трансформаторы, фидеры и другие активы за пределы их номинальной мощности, что приведет к отказу оборудования, провисанию напряжения и отключениям клиентов. Планирование перспективной распределительной сети, которое включает профили нагрузки на EV, интеллектуальные элементы управления зарядкой и стратегические инвестиции в инфраструктуру, может снизить эти риски, позволяя сети служить платформой для декарбонизированной мобильности.

Основы планирования распределительных сетей

Планирование распределительных сетей - это процесс проектирования, анализа и модернизации низко- и средневольтной инфраструктуры, которая соединяет подстанции с конечными пользователями. Планировщики оценивают существующие модели нагрузки, прогнозируют будущий спрос, оценивают нормативные требования и определяют, где необходимы новые линии, трансформаторы и защитное оборудование. Исторически рост нагрузки был относительно предсказуемым - обусловлен ростом населения, экономической активностью и внедрением приборов. Сегодня планировщики должны учитывать стохастическую, событийную нагрузку от зарядных станций EV, которые могут внезапно появиться в жилых кварталах, коммерческих парковках или вдоль автомобильных коридоров.

Типичная система распределения включает в себя первичные фидеры (часто при 4-35 кВ), распределительные трансформаторы, которые понижают напряжение до вторичных уровней (120/240 В или 480 В в США), и вторичные линии для отдельных клиентов. Планирование гарантирует, что каждый компонент может нести свою ожидаемую нагрузку с достаточными запасами прочности, сохраняя при этом напряжение в приемлемых пределах (обычно ± 5% номинального) и минимизируя потери. Введение зарядных нагрузок EV, особенно быстрых зарядных устройств, которые потребляют 50-350 кВт на вилку, коренным образом изменяет ландшафт планирования.

Уникальные характеристики зарядки EV

В отличие от большинства обычных жилых или коммерческих нагрузок, зарядка электромобилей является дискреционной, чувствительной ко времени и очень изменчивой. Спрос на электроэнергию от событий зарядки зависит от поведения водителя - когда они подключаются, как долго они остаются и сколько энергии требуется их батарее. Эта изменчивость создает несколько различных проблем для распределительных сетей.

Уровни зарядки и спрос на электроэнергию

Зарядное оборудование подразделяется на три уровня: уровень 1 (120 В, 1,2-1,8 кВт), уровень 2 (240 В, 3,3-19,2 кВт) и быстрая зарядка постоянного тока (208-480 В, 50-350 кВт). В то время как зарядка уровня 1 может обрабатываться существующими схемами во многих домах, зарядка уровня 2 часто требует выделенных 40-60 выключателей. Одно быстрое зарядное устройство постоянного тока может потреблять столько же энергии, сколько дюжина домов. Когда на площадке установлено несколько быстрых зарядных устройств, которые обычно устанавливаются на остановках остановки на шоссе и складах флота, они могут создать мини-пиковую нагрузку, которая превышает емкость местного распределительного трансформатора и фидер. Например, сайт с десятью зарядными устройствами 150 кВт, работающими одновременно, может потребовать 1,5 МВт мощности, эквивалентной малому промышленному объекту.

Профили нагрузки и совпадение с существующими пиками

Зарядка жилых электромобилей имеет тенденцию к пику вечером, когда водители возвращаются с работы, совпадая с существующим пиком жилых помещений для освещения, приготовления пищи и HVAC. Это выравнивание может удвоить или утроить нагрузку на соседние трансформаторы в самые жаркие летние вечера. Коммерческая и рабочая зарядка обычно происходит в течение дня, перекрываясь с коммерческими и промышленными нагрузками. Без координации эти параллельные пики заставляют коммунальные службы перестраивать мощность, которая используется всего несколько сотен часов в год - дорогостоящее и неэффективное решение.

Технические последствия для распределительных сетей

Интеграция зарядки EV вводит несколько технических стрессоров, которые требуют тщательного моделирования и смягчения последствий.

Трансформатор и перегрузка корма

Распределительные трансформаторы предназначены для обработки определенной максимальной нагрузки, часто обозначаемой рейтингом kVA. Добавление нескольких электромобилей за одним трансформатором, особенно в плотных жилых районах, может подтолкнуть загрузку выше 100% в течение нескольких часов. Перегрузка вызывает перегрев, который ускоряет деградацию изоляции и сокращает срок службы трансформатора. В крайних случаях это может привести к катастрофическому отказу. Исследования Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) показали, что неконтролируемая зарядка EV может увеличить загрузку трансформатора на 200-300% в часы пик в некоторых районах. Планировщики должны оценить совпадение событий зарядки и, возможно, потребуется увеличить размер трансформаторов или установить дополнительную емкость на ранней стадии.

Регулирование напряжения и дисбаланс фазы

Зарядные устройства EV вытягивают значительный ток, вызывая падение напряжения вдоль фидеров. На длинных сельских фидерах или в районах с уже низким напряжением это может вытолкнуть напряжение из приемлемого диапазона, заставляя мерцать свет или неисправно работать оборудование. Кроме того, однофазные зарядные устройства уровня 2, подключенные к одной фазе трехфазной системы, могут создать фазовый дисбаланс, дальнейшее ухудшение качества питания. Меры по смягчению включают установку регуляторов напряжения, использование трехфазных зарядных устройств, где это возможно, и развертывание интеллектуальных инверторов, которые могут обеспечить поддержку реактивной мощности.

Качество электроэнергии и гармоника

Современные зарядные устройства EV используют силовую электронику для преобразования переменного тока в постоянный ток для зарядки аккумулятора. Эти преобразователи могут вводить гармонические токи в сетку, если не фильтруются должным образом. Высокое общее гармоническое искажение (THD) может мешать чувствительному оборудованию, увеличивать потери в трансформаторах и вызывать неприятные сбои в работе защитных устройств. Большинство зарядного оборудования, продаваемого сегодня, соответствует стандартам IEEE 519 или IEC 61000, но агрегация многих зарядных устройств на одном участке все еще может потребовать гармонического анализа и, в некоторых случаях, активных фильтров.

Координация защиты и текущий разлом

Добавление распределенной генерации (например, солнечной) или больших нагрузок (например, зарядных устройств EV) изменяет доступный ток неисправности и может изменить координацию защитных устройств - футляров, заглушек и реле. Если неисправность происходит ниже по течению от зарядной станции, ток неисправности от собственного оборудования на основе инвертора станции может быть ограничен, предотвращая правильную работу защиты выше по течению. Планировщики должны пересмотреть исследования защиты и, возможно, установить направляющие элементы или схемы связи для поддержания безопасности.

Стратегии планирования устойчивой распределительной сети

Коммунальные службы разработали набор стратегий - некоторые технические, некоторые эксплуатационные и некоторые экономические - для управления влиянием зарядки электромобилей на распределительные сети. Эти подходы наиболее эффективны при раннем применении, до установки зарядных станций и в сочетании с надежным прогнозированием нагрузки и аналитикой данных.

Прогнозирование нагрузки и моделирование

Точное прогнозирование внедрения и поведения зарядки электромобилей является основой хорошего планирования. Планировщики используют географические информационные системы (ГИС) для наложения ожидаемых регистраций электромобилей на существующие данные фидеров и трансформаторов. Поведенческие модели - на основе опросов о поездках, данных об использовании зарядных устройств и демографических факторов - предсказывают, когда и где произойдет зарядка. Такие инструменты, как данные FLT:0 NREL Fleet Test и Evaluation обеспечивают реальные модели зарядки, которые могут информировать эти модели. Запустив тысячи симуляций Монте-Карло, планировщики могут идентифицировать трансформаторы и фидеры, которые могут превысить их пропускную способность в различных сценариях принятия и расставить приоритеты для их модернизации.

Умная зарядка и ответ на спрос

Наиболее экономически эффективный способ управления нагрузкой на электромобили - это сместить ее с пиковых часов. Умные зарядные устройства - те, которые могут общаться с центральной системой - позволяют утилитам снижать зарядку или приостанавливать зарядку, когда напряжена распределительная сеть, например, во время тепловой волны или когда фидер перегружен. Программы реагирования на спрос регистрируют владельцев электромобилей, которые соглашаются участвовать в обмен на финансовые стимулы, такие как более низкие ставки времени использования или кредиты на счета. Планируя зарядку в непиковые периоды (обычно полночь до 6 утра), утилиты могут сглаживать кривую нагрузки и избегать новых добавлений мощности. Конференция IEEE Smart Grid регулярно содержит статьи об алгоритмах оптимизации для координации тысяч зарядных устройств при соблюдении тепловых ограничений трансформатора и предпочтений владельца.

Обновление инфраструктуры и анализ пропускной способности хостинга

Некоторые места неизбежно потребуют традиционных обновлений: увеличение размера трансформатора, рекондукторов или строительство новых подстанций. Анализ хостинговой емкости (HCA) систематически оценивает, сколько новой нагрузки - включая зарядку EV - может быть добавлено к каждой части распределительной сети, не вызывая нарушений пределов напряжения, тепловой или защиты. Результаты часто публикуются в виде карты хостинговой емкости , которая направляет, где устанавливать зарядные станции с минимальным воздействием на сеть. Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) разработал стандартизированные методологии HCA, которые многие коммунальные службы теперь используют, как указано в их Руководящие принципы планирования распределения ,

Интеграция распределенных энергетических ресурсов

Сочетая зарядку электромобилей с солнечными фотоэлектрическими (PV) системами и аккумулятором на месте, можно уменьшить чистую нагрузку, наблюдаемую сетью. Флот-депо с солнечной батареей мощностью 500 кВт и батареей мощностью 300 кВтч может заряжать электромобили в течение дня с использованием солнечной энергии, а затем использовать батарею для питания местных нагрузок во время вечерних пиков. При агрегировании в виртуальную электростанцию эти ресурсы могут предоставлять сетевые услуги, такие как регулирование частоты или пиковое бритьё. Однако планировщики должны учитывать изменчивость солнечной генерации и необходимость координировать графики зарядки с состоянием заряда батареи.

Возможности V2G (Vercar-to-Grid)

Двунаправленная зарядка - транспортное средство в сеть (V2G) - позволяет электромобилю разряжать свою батарею обратно в сеть, превращая транспортное средство в распределенный энергетический ресурс. Во время перегрузки распределительного фидера парк электромобилей с поддержкой V2G может экспортировать энергию для снятия стресса. Хотя V2G еще находится на ранней стадии коммерческого развертывания, несколько пилотных проектов продемонстрировали, что он может отложить модернизацию трансформатора и улучшить коэффициент нагрузки. Планировщики должны проектировать инфраструктуру зарядки для поддержки двунаправленных инверторов и устанавливать протоколы связи (например, ISO 15118), которые обеспечивают эти возможности.

Экономические и политические соображения

Управление зарядной нагрузкой электромобилей - это не только техническая проблема; это требует соответствующих экономических сигналов и поддерживающего регулирования. Коммунальные службы должны возместить стоимость модернизации сетей, сохраняя при этом доступную электроэнергию для всех клиентов. Водители электромобилей нуждаются в четких ценовых сигналах, которые стимулируют внепиковую зарядку. Политики могут ускорить интеллектуальную интеграцию с помощью строительных норм, стимулов зарядных станций и реформы коммунальных услуг.

Распределение расходов и тарифный дизайн

Традиционные тарифы на жилье - это плоские или наклонные тарифы на блоки, которые не отражают изменяющуюся во времени стоимость поставки. Ставки времени использования (TOU), которые взимают более высокие цены в часы пик (например, 4-9 вечера) и более низкие цены ночью, обеспечивают сильный стимул для внепиковой зарядки. Некоторые коммунальные службы ввели тарифы EV-специфические тарифы с фиксированной абонентской платой и платой за кВтч, которые варьируются в зависимости от сезона. Для коммерческой и флотской зарядки сборы за спрос (на основе самого высокого 15-минутного энергопотребления в месяц) могут быть значительной частью общего счета. Умная зарядка и хранение аккумуляторов помогают снизить этот пик спроса, снижая затраты для владельца сайта и коммунальных услуг.

Нормативно-правовые рамки и стимулы

Государственная и федеральная политика играют важную роль. Программа Министерства энергетики США по зарядке электромобилей обеспечивает финансирование инструментов развертывания и планирования. Многие штаты требуют, чтобы коммунальные службы поставляли планы электрификации транспорта , которые описывают, как они будут поддерживать рост электромобилей при сохранении надежности. Строительные коды все чаще требуют готовую к электромобилям проводку в новом строительстве. Коммунальные предприятия, которые активно инвестируют в модернизацию сетей, такие как передовая инфраструктура учета, автоматизация фидеров и системы управления распределением, имеют лучшие возможности для эффективной интеграции нагрузки на электромобили.

Равенство и доступ

Если не проводить тщательную модернизацию распределительных сетей, то это может непропорционально принести пользу более богатым районам, где уровень внедрения электромобилей выше. Планировщики должны обеспечить доступ к зарядной инфраструктуре для общин с низким и умеренным уровнем дохода и не допустить несправедливого распределения расходов на модернизацию сетей. Планирование на уровне общин в сочетании с целевыми стимулами для многоквартирных домов и общественных зарядок в районах с недостаточным уровнем обслуживания может помочь добиться справедливого перехода.

Будущее и новые тенденции

По мере того, как внедрение электромобилей продолжает расти, а некоторые прогнозы оценивают 50% продаж новых автомобилей к 2030 году на нескольких рынках, планирование сети распространения должно стать более динамичным и основанным на данных.

Распределительная сеть будущего не будет пассивным каналом для электронов; это будет активная платформа, которая управляет двунаправленным обменом энергией между транспортными средствами, зданиями и системой массового питания. Планировщики, которые придерживаются этого взгляда, построят сети, которые не только устойчивы к зарядной нагрузке электромобилей, но и фактически усилены ею.

Создание надежного фонда для электрической мобильности

Влияние зарядки электромобилей на планирование распределительных сетей является глубоким и многогранным. В то время как проблемы реальны - перегруженные трансформаторы, проблемы с напряжением, проблемы с качеством электроэнергии и необходимость значительных инвестиций - инструменты и стратегии для их решения существуют и быстро совершенствуются. Упреждающее планирование, которое сочетает в себе детальное прогнозирование нагрузки, интеллектуальные технологии зарядки, стратегические обновления инфраструктуры и хорошо продуманные тарифы, может превратить переход EV от сетевого стрессора в возможность модернизации системы распределения.

Коммунальные предприятия, регулирующие органы и заинтересованные стороны должны сотрудничать, чтобы создать структуру, которая вмещает миллионы электромобилей без ущерба для надежности или справедливости.Приняв принципы планирования, описанные здесь, и продолжая инвестировать в данные, автоматизацию и гибкие сетевые активы, распределительная сеть может безопасно и эффективно поддерживать электрификацию транспорта на десятилетия вперед.