Tæknileg uppbygging snjallhleðslu rafbíla: Jöfnun álags og BESS-hagræðing

Alhliða tæknileg uppbygging snjallhleðslu rafbíla: Að ná tökum á jöfnun álags með háþróaðri stjórnlykkju, samþættingu við staðbundið ský, hagræðingu margra orkugjafa með sólarorku og BESS og stórfelldri spá um stöðugleika netsins.

1. kafli: Inngangur að snjallhleðslu rafbíla og nauðsyn þess að nota kraftmikla álagsjöfnun (DLB)

Hnattræn umskipti í átt að rafknúnum samgöngum eru ekki lengur jaðarþróun heldur meginstoð í afkolefnisvæðingu samgöngugeirans. Þar sem milljónir ökutækja með brunahreyflum (ICE) eru skipt út fyrir rafbíla (EV) er eftirspurn eftir rafmagni að færast frá fljótandi eldsneyti yfir í rafmagnsnetið. Þessi hugmyndabreyting setur fram gríðarlega áskorun fyrir rafmagnsinnviði sem í mörgum tilfellum var hönnuð fyrir áratugum. Stöðug og öflug hleðslugeta rafbíla getur leitt til staðbundinnar töf á raforkukerfinu, hnignunar á spennubreytum og að lokum hörmulegra bilana ef ekki er tekist á við það af nákvæmni.

Snjallhleðsla rafbíla er tæknileg brú milli vaxandi eftirspurnar eftir hreyfanleika og líkamlegra takmarkana raforkukerfisins. Í kjarna sínum snýst snjallhleðsla um greind - að vita hvenær, á hvaða hraða og með hvaða forgangi rafbíl ætti að vera hlaðinn. Hins vegar er mikilvægasti þátturinn innan þessa greindarlags Dynamic Load Balancing (DLB).

Dynamísk álagsjöfnun er ferlið við að fylgjast stöðugt með tiltækri rafmagnsgetu staðar og dreifa þeirri orku á milli virkra hleðslustöðva fyrir rafbíla í rauntíma. Án hleðslujöfnunar fyrir rafbíla væri bygging eða hleðslustöð neydd til að starfa við kyrrstætt takmörk, oft ráðið af „versta hugsanlega atburðarás“ hámarksálags. Þetta leiðir til mikillar óhagkvæmni: annað hvort er staðurinn vanbúinn, sem leiðir til hægrar hleðslu fyrir notendur, eða staðurinn þarfnast afar dýrra uppfærslna á innviðum til að takast á við fræðilega hámarksálag sem aðeins koma fyrir í nokkrar klukkustundir í viku.

Nauðsyn DLB stafar af þremur meginþáttum:

1. Varðveisla innviðaKoma í veg fyrir að aðalrofakerfin slái út og vernda spennubreyta gegn ofhitnun.
2. HagkvæmniAð forðast há eftirspurnargjöld og óhóflegan kostnað við að uppfæra þjónustuborð eða staðbundin dreifikerfi.
3. NotendaánægjaHámarka hleðsluhraða fyrir alla notendur með því að nýta hverja tiltæka kílóvattstund af afkastagetu á skynsamlegan hátt.

Í þessari ítarlegu tæknilegu rannsókn munum við greina vélfræði DLB, allt frá stjórnlykkjum á millisekúndna stigi sem stjórna aflrafmagnstækjum til skýjabundinnar stjórnun þúsunda hleðslustöðva. Við munum skoða hvernig DLB þróast þegar það er samþætt endurnýjanlegum orkugjöfum eins og sólarorkuverum (PV) og rafhlöðuorkugeymslukerfum (BESS), og hvernig spálíkön gera stórum hleðslumiðstöðvum kleift að sjá fyrir sveiflur í raforkukerfinu áður en þær gerast. Þegar við stefnum að framtíð þar sem rafknúinn ökutæki er ekki bara neytandi heldur dreifð orkuauðlind, er skilningur á blæbrigðum DLB afar mikilvægur fyrir verkfræðinga, skipulagsmenn borgara og orkufyrirtæki.

Kafli 2: Grundvallarreglur um jöfnun álags

Til að skilja hvernig DLB virkar verður maður fyrst að skilja „kyrrstæða“ valkostinn. Í kyrrstæðu álagsjöfnunarumhverfi er hverjum hleðslutæki úthlutað föstu magni af straumi. Til dæmis, ef aðstaða hefur 100A takmörkun og 5 hleðslutæki, gæti hvert þeirra verið takmarkað við 20A. Ef aðeins einn bíll er að hlaða fær hann samt aðeins 20A, sem sóar 80A af tiltækri afkastagetu. Aftur á móti, ef allir 5 bílarnir eru að hlaða og einhver kveikir á öflugu hitunar-, loftræsti- og kælikerfi í byggingunni, gæti heildarálagið farið yfir 100A, sem veldur rafmagnsleysi.

DLB kemur í stað þessarar stífu úthlutunar fyrir sveigjanlegt og viðbragðshæft kerfi. Grundvallarreglan er afturvirk lykkja milli „heildar tiltækrar afkastagetu“ og „virkrar hleðsluþarfar“.

Stærðfræðilegi grunnurinn

Einfaldast má tákna DLB með eftirfarandi jöfnu:P_tiltækt_fyrir_rafknúin_ökutæki(t) = P_heildar_mörk – P_hleðslur_ekki_rafknúin_ökutæki(t)

Hvar:

• P_heildar_mörker efnisleg eða samningsbundin takmörkun svæðisins.
• P_non_EV_loads(t)er rauntímanotkun ljósa, véla, lyfta o.s.frv., mæld með snjallmæli.
• P_tiltækt_fyrir_rafknúin_ökutæki(t)er sú afl sem eftir er og hægt er að dreifa á öruggan hátt á milli rafknúinna ökutækja.

Flækjustigið kemur upp þegar kerfið þarf að ákveða hvernig það á að dreifaP_tiltækt_fyrir_rafknúin_ökutæki(t)meðalNhleðslutæki. Þessi dreifing er stjórnað af reikniritum sem taka tillit til:

• Hleðsluástand (SoC)Bíll með næstum tóma rafhlöðu gæti fengið hærri forgang.
• BrottfarartímiBíll sem dvelur yfir nótt getur hlaðist hægt, en bíll sem þarfnast fljótlegrar áfyllingar fær aukið hleðslumagn.
• FasajöfnunÍ þriggja fasa kerfum verður DLB að tryggja að enginn einn fasi sé ofhlaðinn, sem krefst flókinnar rofarökfræði eða fasavitaðrar dreifingar.

Skynjun og mælingar

Nákvæmni DLB er algjörlega háð gæðum gagnanna sem það móttekur. Þetta felur venjulega í sér straumspennubreyta (CT) eða sérstaka snjallmæla sem eru settir upp á sameiginlegum tengipunkti (PCC). Þessi tæki verða að tilkynna álagsgögn með mikilli tíðni (oft 1Hz eða hærri) til að leyfa DLB stjórnandanum að bregðast við skyndilegum toppum í álagi á byggingu - eins og iðnaðarmótor sem ræsist - innan sekúndna til að koma í veg fyrir að aðalrofinn slái út.

Stigveldisskipulagið

DLB starfar oft í stigveldi. Á „staðbundnu“ stigi stýrir stjórnandi klasa af hleðslutækjum. Á „staðsetningarstigi“ samhæfir hann sig við byggingarstjórnunarkerfið. Á „neti“ stigi gæti hann brugðist við eftirspurnarsvörun (DR) merkjum frá veitunni. Þessi marglaga nálgun tryggir að staðbundið öryggi sé viðhaldið en samt tekið þátt í víðtækari orkumörkuðum.

Kafli 3: Hönnun stýrilykkju fyrir DLB reiknirit: PID og líkansstýring (MPC)

Skilvirkni jöfnunarkerfis fyrir breytilega álagsstýringu er að lokum mæld með seinkun þess og nákvæmni. Ef álag á bygginguna eykst og DLB-kerfið tekur 30 sekúndur að aðlaga hleðslustraum rafbíla, er líklegt að aðalrofinn slái út áður en leiðréttingin á sér stað. Þess vegna er hönnun stjórnlykkjunnar „heilinn“ í snjallhleðslustöðinni. Í þessum kafla munum við kafa djúpt í verkfræðilegar forskriftir þessara stjórnkerfa, með áherslu á hlutfallslega-heildunar-afleiðustýringar (PID) og háþróaðri líkanspástýringu (MPC).

PID stjórnunarrammi í DLB

PID-stýringar eru vinnuhestar iðnaðarsjálfvirkni og þær finna náttúrulega notkun í DLB. Markmið PID-lykkjunnar er að viðhalda heildarálagi á staðnum ($P_{total}$) á eða undir ákveðnu stillipunkti ($P_{limit}$) með því að stilla stýribreytuna, sem er hámarksstraummörkin sem send eru til EVSE-anna (rafknúinna ökutækja).

• Hlutfallslegt (P)P-liðurinn svarar strax villunni (mismunurinn á $P_{limit}$ og $P_{total}$). Ef villan er stór (t.d. gríðarleg lækkun á álagi á byggingu) eykur P-liðurinn fljótt leyfilegan hleðslustraum rafbíla. Hins vegar leiðir P-eingöngu stjórnun oft til „stöðugs villu“ þar sem kerfið nær aldrei alveg mörkunum.
• Heildunareining (I)I-liðurinn tekur tillit til uppsöfnunar fyrri villna. Hann eykur eða lækkar strauminn hægt og rólega til að útrýma stöðugleikavillunni og tryggir að kerfið nýti alla tiltæka amper með tímanum.
• Afleiða (D)D-liðurinn spáir fyrir um framtíðarvillur með því að skoða breytingarhraða. Þetta er mikilvægt til að koma í veg fyrir „ofskot“. Ef álagið eykst hratt mun D-liðurinn afgerandi þrengja hleðslutækin fyrir rafbíla áður en takmörkunum er náð.

Í DLB umhverfi verður að stilla PID lykkjan vandlega. Ef hún er of árásargjörn munu rafknúnu ökutækin stöðugt breyta straumnum sínum, sem getur valdið sliti á innbyggðu hleðslutæki ökutækisins (OBC) og hugsanlega ertingu í hugbúnaði rafknúins ökutækis, sem leiðir til hleðsluvillna. Ef hún er of hægfara bregst hún aðaltilgangi sínum um að vernda raforkukerfið.

Handan við PID: Líkanastýring (MPC)

Þó að PID sé áhrifaríkt fyrir einföld atburðarás, þá nota nútíma stórar hleðslustöðvar í auknum mæli Model Predictive Control (MPC). Ólíkt PID, sem er viðbragðsstýrt, er MPC fyrirbyggjandi. Það notar stærðfræðilegt líkan af kerfinu til að spá fyrir um framtíðarhegðun þess yfir ákveðið „spátímabil“.

Í samhengi við DLB telur MPC stjórnandi eftirfarandi:

1. KerfisþvinganirEðlisfræðileg takmörk hleðslutækjanna, afkastageta spennisins og hámarksinntakshraði ökutækisins.
2. FramtíðarspárÁætlað álag á byggingar byggt á sögulegum mynstrum, veðurspám (sem hefur áhrif á álag á hitunar-, loftræsti- og kælikerfi) og væntanlegum komum ökutækja.
3. MarkmiðsfallStærðfræðilegt markmið, eins og „Lágmarka heildarorkukostnað og tryggja að allir bílar nái 80% af orkunotkun fyrir klukkan 8.“

MPC reikniritið leysir bestunarvandamál í hverju tímaskrefi (t.d. á 5 mínútna fresti). Það reiknar út röð bestu stjórnunaraðgerða en framkvæmir aðeins þá fyrstu og endurreiknar síðan í næsta skrefi. Þetta gerir DLB kerfinu kleift að „jafna út“ hleðsluferla. Til dæmis, ef kerfið veit að mikil álagsaukning í byggingum er að koma klukkan 14:00, gæti það forhlaðið rafbílana klukkan 13:30 og síðan hraðað þeim djúpt klukkan 14:00, frekar en að bregðast skyndilega við þegar álagsaukningin kemur.

Seinkun og samskiptareglur

Stjórnlykkjan er aðeins eins hröð og samskiptatengið hennar. Í mörgum DLB-uppsetningum á stjórntækið samskipti við hleðslutækin í gegnum Modbus TCP, RTU eða Open Charge Point Protocol (OCPP).

• ModbusBjóðar upp á mjög litla seinkun (millisekúndur), sem gerir það tilvalið fyrir staðbundna, öryggismikilvæga DLB.
• OCPP 1.6/2.0.1: Iðnaðarstaðallinn fyrir samskipti milli skýs og hleðslutækja. Þótt hann sé eiginleikumeiri (meðhöndlar reikninga, auðkenningu og uppfærslur á vélbúnaði), veldur hann verulegri seinkun (oft 1-5 sekúndur) vegna ofhleðslutíma JSON-skilaboða í gegnum WebSockets og ferð um almenna internetið.

Verkfræðingar verða að velja rétta samskiptaregluna út frá mikilvægi álagsjöfnunar. Fyrir íbúðarhúsnæði gæti aðeins hægari skýjabundinn DLB nægt. Fyrir iðnaðarverksmiðju þar sem rofaútfelling kostar þúsundir dollara í niðurtíma er staðbundin Modbus-lykkja nauðsynleg.

Kafli 4: Staðbundin vs. skýjabundin DLB-arkitektúr: Samanburðargreining

Þegar snjallhleðsluinnviðir eru hannaðir er ein af grundvallarákvörðunum varðandi byggingarlist hvar „greindin“ er staðsett. Ætti álagsjöfnunarrökfræðin að keyra á vélbúnaði á staðnum (Local DLB) eða ætti hún að vera stjórnað af fjarstýrðum netþjóni (Cloud DLB)? Báðar aðferðirnar hafa sína kosti og galla hvað varðar áreiðanleika, kostnað og sveigjanleika.

Staðbundin DLB: Aðferðin við jaðartölvur

Staðbundið DLB felur í sér líkamlegan stjórnanda — oft PLC (forritanlegan rökfræðistýringu), sérstakan gátt eða einn „aðal“ hleðslutæki — sem hefur bein samskipti við önnur hleðslutæki á staðarnetinu (LAN).

Kostir:

1. Áreiðanleiki og möguleiki á að vera án nettengingarKerfið er ekki háð internettengingu. Ef ljósleiðarinn rofnar halda hleðslutækin áfram að jafna álagið á staðnum og tryggja þannig rafmagnsöryggi byggingarinnar.
2. Lágt seinkunEins og rætt er um í 3. kafla, þá eiga staðbundin samskipti (Modbus eða staðbundið OCPP) sér stað á innan við sekúndu hraða. Þetta er nauðsynlegt fyrir staði með sveiflukenndan álag sem ekki tengist rafknúnum ökutækjum, eins og verksmiðjur eða sjúkrahús.
3. ÖryggiAð halda stjórnmerkjunum innan staðarnetsins minnkar árásarflötinn fyrir netógnir sem gætu reynt að hafa áhrif á stöðugleika netsins.

Ókostir:

1. Kostnaður við vélbúnaðKrefst kaupa og uppsetningar á viðbótarbúnaði á staðnum.
2. ViðhaldsflækjustigUppfærsla á DLB-rökfræðinni gæti krafist heimsókna á staðinn eða flókinnar fjarstýringar á jaðartækjum.
3. Siloed DataStaðbundinn stjórnandi hefur takmarkaða yfirsýn yfir víðtækari aðstæður í raforkukerfinu eða orkuverð veitunnar nema hann sé sérstaklega samþættur við skýjabakgrunn.

Skýjabundið DLB: Útfærsla í stórum stíl

Í skýjabundinni arkitektúr senda snjallmælirinn og hleðslutækin öll gögn sín til miðlægs stjórnunarvettvangs. Skýið reiknar út bestu aflgjafann fyrir hvert hleðslutæki og sendir...Snjallhleðsla.Setja hleðsluprófílSkipunin er aftur til EVSE-anna.

Kostir:

1. StærðhæfniÞað er óendanlega auðveldara að stjórna 1.000 síðum frá einni skýjamælaborði heldur en 1.000 einstökum staðbundnum stýringum.
2. Alþjóðleg hagræðingSkýið getur safnað saman gögnum frá mörgum stöðum til að taka þátt í sýndarvirkjunum (VPP) eða bregðast við álagi á svæðisbundið raforkukerfi.
3. Ítarleg samþætting gervigreindarAð keyra flókin vélanámslíkön fyrir spár (sem við munum fjalla um í 8. kafla) er mun framkvæmanlegra á öflugum skýjaþjónum en á takmörkuðum jaðarbúnaði.
4. Lægri upphafskostnaðurEngin þörf á sérstökum staðbundnum stjórnanda ef hleðslutækin geta tengst beint við skýið.

Ókostir:

1. TengingarháðniEf internetið fer niður fer kerfið venjulega aftur í „öruggt ástand“ (t.d. lágmarkshleðslustraumur fyrir alla bíla), sem getur verið mjög óhagkvæmt og leitt til kvartana viðskiptavina.
2. Mikil seinkunFerðatíminn milli mælisins, skýsins og hleðslutækisins getur verið nokkrar sekúndur. Þetta gerir það erfitt að bregðast við „skyndilegum“ álagssveiflum.
3. Áhyggjur af friðhelgi einkalífsinsStöðug streymi orkugagna í skýið vekur upp vandamál varðandi gagnaöryggi og friðhelgi einkalífs fyrir suma fyrirtækjaviðskiptavini.

Blendingalíkanið: Það besta úr báðum heimum

Með hliðsjón af þessum málamiðlunum er iðnaðurinn að færast í átt að blönduðu líkani. Í þessari uppsetningu sér staðbundin gátt um öryggisgagnrýnina á millisekúndna stigi álagsjöfnun (sem tryggir að rofinn sleppir aldrei). Á meðan veitir skýið yfirgripsmikla stefnu - það setur „fjárhagsáætlanir“ fyrir staðbundna stjórnandann út frá orkuverði, notendaáætlunum og merkjum frá raforkukerfinu. Þessi „brúnaþunga, skýjastýrða“ nálgun veitir áreiðanleika sem þarf til að vernda innviði en heldur jafnframt sveigjanleika skýjastjórnunar.

Kafli 5: Rauntíma orkuúthlutunaraðferðir og forgangsröðun

Að ákvarða hvernig skipta eigi tiltækri orku á milli margra rafknúinna ökutækja er flóknasta reikniritáskorunin í Dynamic Load Balancing. Það snýst ekki bara um að deila heildarkílóvöttum með fjölda bíla. Háþróað DLB-kerfi verður að vega og meta jafnrétti, skilvirkni og kröfur einstakra notenda. Í þessum kafla munum við skoða ýmsar aðferðir til að úthluta orku sem notaðar eru á þessu sviði í dag.

Fyrstur kemur, fyrstur fær (FCFS)

Einfaldasta úthlutunaraðferðin er FCFS. Fyrsta ökutækið sem tengist fær hámarksafl sem óskað er eftir. Síðari ökutæki fá það sem eftir er.

Kostir:

• Einfalt í framkvæmd.
• Skýrt og gegnsætt fyrir fyrstu notendurna.

Ókostir:

• Mjög óréttlátt. Fimmti notandinn sem kemur gæti fengið enga rafmagnslausn jafnvel þótt hann sé í brýnni ferð, en fyrsti notandinn er þegar kominn með 90% hleðslu og gæti auðveldlega beðið.
• Leiðir til „orkuhamstrar“ þar sem bíll er í háaflsrönd í margar klukkustundir á meðan hann hleður síðustu prósentustig sín á mjög hægum hraða.

Jöfn skipting

Í þessari gerð er tiltæka aflið skipt jafnt á milli allra virkra lota. Ef 100 kW eru tiltæk og 4 bílar eru að hlaða, fær hver 25 kW. Ef fimmti bíllinn bætist við, lækkar aflið hjá öllum niður í 20 kW.

Kostir:

• Í eðli sínu „sanngjarnt“ í grundvallaratriðum.
• Hámarkar fjölda bíla sem fá að minnsta kosti einhverja hleðslu.

Ókostir:

• Óhagkvæmt fyrir bíla með litlar rafhlöður eða þá sem eru að nálgast fulla hleðslu. Bíll sem getur aðeins tekið við 7 kW fær „úthlutað“ 20 kW, sem sóar 13 kW sem hefðu getað farið í bíl sem getur aflað 50 kW.

Forgangsbundin úthlutun (SoC og rafhlöðugeta)

Nútíma DLB kerfi nota snjallari, fjölbreytu bestun. Þau forgangsraða bílum út frá hleðsluástandi þeirra (SoC). Bíll með 10% SoC er forgangsraðaður fram yfir bíl með 80% vegna þess að bíllinn með 10% SoC þarfnast meiri drægni og getur einnig tekið við mun hærri hleðsluhraða vegna hleðsluferilsins fyrir litíumjónarafhlöður (stöðugur straumur).

Ennfremur tekur kerfið tillit tilhámarks viðurkenningarhlutfallökutækisins. Með því að notaHámarksstraumurÞegar ökutækið tilkynnir um það (með PWM í riðstraumshleðslu eða stafrænum samskiptum í jafnstraumshleðslu), tryggir DLB-stýringin að hún úthlutar aldrei meiri orku en bíllinn getur í raun notað og dreifir þannig „umframmagninu“ til annarra ökutækja.

Notendaskilgreindar forgangsröðun og „aukagjald“ hleðsla

Í atvinnuhúsnæði er hægt að tengja DLB við reikningskerfi. Notandi gæti greitt aukagjald fyrir „hraðhleðslu“, sem tryggir að hann fái alltaf hámarks mögulega afl óháð annarri hleðslu. Aftur á móti gætu ökutæki flotans fengið mismunandi forgangsröðun út frá áætluðum brottfarartíma þeirra. Sendingarbíll sem leggur af stað klukkan 5 að morgni fær forgang klukkan 3 að morgni fram yfir sendibíl sem leggur af stað klukkan 9 að morgni.

Hlutfallsleg sanngirnisreiknirit

Þessi reiknirit, sem er dregið af fjarskiptum (LTE/5G áætlanagerð), reynir að hámarka heildar„nytsemi“ kerfisins. Það vegur á milli brýnnar þarfar fyrir mikla orku (nýtni) og langtímaþarfar til að tryggja að enginn bíll sé án hleðslu (sanngirni). Það reiknar út forgangsstig fyrir hvern bíl:Stig = (Óskaður kraftur / Meðalafl móttekið hingað til)Bílarnir með hæstu stigin fá næstu úthlutun af tiltæku afli.

Kafli 6: Stöðugleiki raforkukerfisins og aðferðir til að koma í veg fyrir ofhleðslu

Dynamísk álagsjöfnun er ekki bara eiginleiki til þæginda fyrir notendur; hún er mikilvægt öryggiskerfi fyrir stöðugleika dreifikerfisins. Þegar útbreiðsla rafknúinna ökutækja eykst stendur dreifikerfið frammi fyrir nýjum gerðum álags, þar á meðal hröðum sveiflum í eftirspurn og harmonískri röskun. Í þessum kafla er fjallað um þá aðferðir sem DLB notar til að vernda dreifikerfið og koma í veg fyrir stórfelldar ofhleðslur.

Verndarrökfræði „ferðarkúrfu“

Rafmagnsrofar hafa „útleysingarferil“ — þeir geta þolað væga ofhleðslu í nokkrar mínútur en slá strax út ef mikil spennubylgja á sér stað. Öflugur DLB-stýring verður að móta þessa útleysingarferil. Hann ætti að leyfa mjög stuttar spennubylgjur (t.d. lyftu sem ræsist) til að forðast að óþarfa stöðvun á hleðslutækjum fyrir rafbíla, en hann verður að bregðast afgerandi við ef ofhleðslan heldur áfram.

Ítarlegri stýringar nota „tvöfalt þröskulds“ aðferð:

1. Viðvörunarmörk (t.d. 90% af mörkum)Stýringartækið byrjar að „mjúka hleðslu“ fyrir rafbíla til að koma í veg fyrir að þau nái takmörkunum.
2. Mikilvægur þröskuldur (t.d. 98% af mörkum)Stýringartækið framkvæmir „neyðarstöðvun“ eða öfluga lækkun á lágmarks leyfilegum straumi (venjulega 6A fyrir riðstraumshleðslu) til að vernda aðalöryggið.

Stjórnun á fasaójafnvægi

Í þriggja fasa rafkerfum (algeng í Evrópu og á iðnaðarsvæðum) er mögulegt að ofhlaða einn fasa jafnvel þótt heildaraflið fyrir þriggja fasa sé innan marka. Þetta gerist ef flestir rafbílar á staðnum eru með einfasa hleðslutæki og eru tengdir við sama fasa (t.d. fasi L1).

Fasa-vitað DLB-kerfi fylgist með hverjum áfanga sjálfstætt. Ef áfanga L1 nær mörkum sínum á meðan L2 og L3 eru vannýtt, mun stjórntækið aðeins takmarka hleðslugetu bílanna sem eru tengdir við L1. Sumir háþróaðir rafknúnir ökutæki geta jafnvel skipt um áfanga sjálfkrafa (fasaskipting), sem færir bíl úr áfanga með mikilli umferð yfir í áfanga með opnu hleðslu án þess að trufla hleðsluferlið.

Harmonísk röskun og aflgæði

Hleðslutæki fyrir rafknúin ökutæki eru ólínuleg álag sem nota aflrafmagnsrafmagn (leiðréttingar). Þessir hleðslutæki geta dælt sveiflum inn í raforkukerfið, sem getur valdið ofhitnun í núllleiðurum og truflunum á viðkvæmum rafeindabúnaði. Þó að DLB stjórni aðallega „raunafli“ (kW), þá fylgjast háþróuð kerfi einnig með „heildarsveiflum“ (THD) og „aflstuðli“ (PF). Ef THD fer yfir reglugerðarmörk (t.d. IEEE 519), gæti DLB kerfið dregið úr hleðsluhraða til að draga úr áhrifum á gæði raforkunnar.

Eftirspurnarsvörun og tíðnistjórnun

Á makróstigi geta DLB-kerfi tekið þátt í eftirspurnarsvörunarforritum (DR). Þegar tíðni raforkukerfisins lækkar (sem gefur til kynna skort á framboði) sendir veitan merki. DLB-stýringin getur brugðist við á millisekúndum og lækkað álag rafbíla yfir hundruð hleðslustöðva samtímis. Þetta veitir „sýndarrafhlöðu“-áhrif sem eru mun hraðari og hagkvæmari en að ræsa hámarksgasvirkjun. Þessi umbreyting frá því að vera „óvirk álag“ yfir í „virka raforkukerfiseign“ er framtíð snjallhleðslu.

Hlutverk vararíkja

Mikilvægur þáttur í að koma í veg fyrir ofhleðslu er „öruggt ástand“ eða „varastraumur“. Ef samskiptabilun verður milli stjórntækisins og mælisins (eða skýsins) verður DLB-kerfið að stilla sjálfgefið á fyrirfram skilgreint, öruggt straummörk. Venjulega er þetta stillt á mjög lágt gildi (t.d. 6A á hleðslutæki) eða núll, sem tryggir að jafnvel við algjört kerfisbilun sé byggingarinnviðirnir áfram varnir.

Kafli 7: Samþætting fjölorkukerfa: DLB-hagræðing með sólarorku og BESS

Samþætting endurnýjanlegra orkugjafa, sérstaklega sólarorku (PV), og staðbundinnar geymslu, svo sem rafhlöðuorkugeymslukerfa (BESS), bætir nýrri vídd flækjustigs við virka álagsjöfnun. Í hefðbundinni DLB uppsetningu er markmiðið að halda sig innan ákveðins marka raforkukerfisins. Í fjölorkukerfi er markmiðið að samhæfa þessar mismunandi eignir til að hámarka eiginnotkun, lágmarka kostnað við raforkukerfið og tryggja áreiðanleika.

Jafnvægisaflsjafnan fyrir marga orkugjafa

Á staðsetningu með sólarorku og BESS er aflið sem er tiltækt fyrir hleðslu rafknúinna ökutækja ekki lengur bara „netmörk mínus byggingarálag“. Það verður:P_ev(t) = P_grid_limit – P_building(t) + P_pv(t) + P_bess_discharge(t) – P_bess_charge(t)

Þessi jafna kynnir nokkrar nýjar stýribreytur. DLB-stýringin verður nú að ákveða ekki aðeins hvernig á að dreifa orku til rafknúinna ökutækja heldur einnig hvenær á að hlaða eða afhlaða BESS-kerfið.

Sólbætt hleðsla (fyrirbyggjandi aðgerðir gegn skerðingu á sólarorku)

Eitt af helstu notkunartilfellunum fyrir fjölorku DLB er „sólarrakning“. Þegar sólin skín getur sólarorkukerfið framleitt meiri orku en byggingin getur notað. Ef raforkunetið leyfir ekki innspýtingu (núll útflutningur) eða ef innfæðistargjaldið er lágt, þá er þessi orka sóuð (skert). Snjallt DLB-kerfi fylgist með sólarorkuframleiðslu og eykur sjálfkrafa hleðsluhraða rafknúinna ökutækja til að passa við sólarorkuframleiðsluna. Þessi „græna hleðslustilling“ er mjög vinsæl í íbúðarhúsnæði og fyrirtækjum þar sem hún gerir kleift að nota 100% endurnýjanlega hleðslu án áhrifa á raforkunetið.

Rakstur á toppnum með BESS

BESS-kerfið virkar sem biðminni. Á tímabilum hámarksálags — eins og þegar margar háaflshleðslustöðvar með jafnstraumi eru virkar samtímis — getur BESS-kerfið afhlaðið hleðsluna til að bæta við rafmagnið. Þetta gerir staðsetningu kleift að styðja fleiri hleðslutæki en tenging við rafmagnið leyfir venjulega. DLB-stýringin stýrir „orkuástandi“ (SoE) BESS-kerfisins. Hún verður að tryggja að rafhlaðan hafi næga afkastagetu til að takast á við næsta væntanlega hámark og jafnframt að skipuleggja endurhleðslu á tímabilum lítillar eftirspurnar eða mikillar sólarorkuframleiðslu.

Samræmd hagræðing margra eigna

Fullkomnustu kerfin nota „samhliða hagræðingu“. Í stað þess að meðhöndla sólarorku, orkusparandi kerfi (BESS) og rafknúin ökutæki sem aðskildar einingar eru þau stjórnað sem eitt sameinað örnet. Stýringarkerfið notar línulega forritun eða þróunarreiknirit til að leysa orkujöfnuðarvandamálið á nokkurra sekúndna fresti. Til dæmis, ef bíll þarf að fara eftir eina klukkustund og framleiðsla sólarorku minnkar vegna skýs, verður stýringarkerfið að ákveða: Ætti það að draga meira af rafmagni úr raforkukerfinu (dýrt), tæma BESS (kostnaður við endurvinnslu) eða hægja á bílnum (óánægja notenda)? „Hagkvæm sendingar“-rökfræðin (fjöldi fjallar um í 9. kafla) veitir rammann fyrir þessar ákvarðanir.

Kafli 8: Ítarlegar orkuspárlíkön fyrir stórar hleðslustöðvar

Fyrir stórar hleðslustöðvar — eins og þjónustustöðvar við hraðbrautir eða strætóstöðvar í þéttbýli — er viðbragðshleðslutækni (DLB) ófullnægjandi. Til að koma í veg fyrir óstöðugleika í raforkukerfinu og hámarka orkukostnað verða þessir staðir að nota spálíkön til að sjá fyrir eftirspurn. Í þessum kafla er fjallað um gagnavísindi og líkanagerðartækni sem notaðar eru til orkuspár í snjallhleðslu.

Eftirspurnarspá: Að spá fyrir um komu ökutækja

Fyrsta skrefið í spágerð er að spá fyrir um hvenær og hversu margir rafknúnir ökutæki munu koma. Fyrir viðskiptamiðstöð felur þetta í sér að greina:

1. Söguleg komumynsturTími dags, vikudagur og árstíðabundin þróun.
2. Ytri gögnUmferðaraðstæður, veður (sem hefur áhrif á drægni rafknúinna ökutækja og álag á hitun/kælingu) og staðbundnir atburðir.
3. BiðröðunarkenninginNotkun tilviljunarkenndra líkana eins og M/M/s biðraða til að meta líkurnar á að allar hleðslustöðvar séu uppteknar.

Ítarlegri líkön nota tauganet langtímaminni (LSTM) eða stigulstyrkt tré (XGBoost) til að spá fyrir um „samanlagða eftirspurnarsnið“ næstu 24 klukkustundir með mikilli nákvæmni.

Spá um byggingarálag

Til þess að DLB virki verður það einnig að spá fyrir umálag sem ekki er rafknúiðÍ skrifstofubyggingu er þetta mjög fyrirsjáanlegt (hámark á vinnutíma). Á iðnaðarsvæði getur þetta verið sveiflukennt. Spálíkön fyrir byggingarálag nota venjulega:

• Sjálfvirkt afturvirkt samþætt hreyfanlegt meðaltal (ARIMA)Fyrir stöðugar, árstíðabundnar upplýsingar.
• Spámaður (eftir Meta)Frábært til að meðhöndla vantar gögn og útlæg gögn í tímaröðarorkugögnum.
• Eðlisfræðilegar líkönAð spá fyrir um álag á hitunar-, loftræsti- og kælikerfi með því að taka tillit til varmaþyngdar byggingarinnar og spáðs hitastigs utandyra.

Spá um sólarorkuframleiðslu

Að spá fyrir um sólarorkuframleiðslu er nauðsynlegt fyrir fjölorku DLB. Þetta krefst samþættingar við hágæða veður-API (sólargeislunargögn) og skynjara á staðnum. Skammtímaspár (0-15 mínútur) nota oft „Sky Imaging“ myndavélar sem fylgjast með skýjahreyfingum til að spá fyrir um skyndilegar lækkanir á sólarorkuframleiðslu, sem gerir DLB kerfinu kleift að takmarka hleðslutæki fyrirbyggjandi eða undirbúa BESS fyrir afhleðslu.

Spá- og stjórnunarviðmótið

Úttak þessara spáa er sent inn í Model Predictive Control (MPC) lykkjuna sem lýst er í 3. kafla. Spáin veitir „Spáarhorfur“ sem gerir stýringunni kleift að taka ákvarðanir í dag sem taka mið af væntanlegum aðstæðum eftir tvær klukkustundir. Þessi „framtíðarhorfur“ er það sem aðgreinir einfalda snjallhleðslutæki frá orkustjórnunarkerfi sem er samþætt raforkukerfinu.

Kafli 9: Kostnaðarhagræðing og hagkvæm sending í snjallhleðslu

Þó að aðalmarkmið DLB sé tæknilegt (að koma í veg fyrir ofhleðslur), þá er aukamarkmiðið og sífellt mikilvægara markmiðið efnahagslegt. Í þessum kafla ræðum við hvernig DLB kerfi hámarka orkukostnað.

Notkunartími (ToU) Arbitrage

Flest veitufyrirtæki bjóða nú upp á breytilega verðlagningu. Rafmagn gæti kostað $0,30/kWh klukkan 17 en aðeins $0,05/kWh klukkan 02:00. Snjallt DLB-kerfi tekur þessi verðmerki sem inntak. „Kostnaðaráætlanagerðin“ mun færa eins mikla álagningu rafbíla og mögulegt er yfir á lágverðstímabilin. Hins vegar verður hún að vega þetta á móti kröfum notandans. Ef notandi þarf bílinn sinn klukkan 20:00 getur kerfið ekki beðið til klukkan 02:00 til að hefja hleðslu. Reikniritið reiknar út „færikostnaðinn“ við að fresta hverri hleðslulotu.

Eftirspurnargjaldastjórnun

Fyrir fyrirtæki skiptist reikningurinn fyrir veitur oft í tvo hluta: Orkunotkun (kWh) og hámarksnotkun (kW). Hámarksnotkunargjaldið er byggt á hæsta 15 mínútna tímabili mánaðarins. Einn óstýrður hámarksnotkunartími getur kostað þúsundir dollara. DLB kerfið virkar sem „hámarksklippari“. Með því að setja hámarksmörk á heildarálag staðarins og nota BESS eða takmarkanir til að viðhalda þeim, tryggir kerfið að hámarksnotkunargjaldið haldist innan fjárhagsáætlunar.

Þátttaka í tíðnisvörunarmörkuðum

Rekstraraðilar hleðsluneta (TSOs/DSOs) greiða fyrir „sveigjanleika“. Ef hleðslunet getur sannað að það geti dregið úr álaginu sínu að eigin vali getur það tekið þátt í mörkuðum eins og FFR (Firm Frequency Response) eða DSR (Demand Side Response). DLB-stýringin virkar sem viðmót. Þegar „sveigjanleikabeiðni“ berst reiknar stýringin út hversu mikið hægt er að draga úr álaginu á öruggan hátt án þess að brjóta gegn lágmarkskröfum notenda um hleðslukerfi og leggur fram tilboð á markaðnum. Tekjurnar sem myndast af þessari þjónustu geta vegað verulega upp á móti kostnaði við hleðsluinnviði.

Hlutlægt hlutverk efnahagslegrar dreifingar

Stærðfræðin á bak við þessa hagræðingu er venjulega fjölmarksfall:Lágmarka: (Kostnaður við raforkukerfi) + (Kostnaður við niðurbrot rafhlöðu) + (Sekt fyrir seinkaða hleðslu) Háð: (Rafmagnsgetu netsins) og (frestum notenda)

Með því að leysa þetta á nokkurra mínútna fresti tryggir DLB kerfið að stöðin starfi á „hagkvæmnimörkum“ — fullkomnu jafnvægi milli kostnaðar og afkasta.

Kafli 10: Framtíðarþróun: V2G, gervigreindarknúið DLB og stöðlun (OCPP 2.0.1)

Svið snjallhleðslu rafbíla er í mikilli þróun. Þegar tæknin þroskast færumst við út fyrir einfalda álagsstjórnun og höldum áfram að samþætta raforkukerfið til fullrar samþættingar við raforkukerfið og sjálfvirkri hagræðingu. Í þessum kafla er fjallað um þrjár mikilvægustu þróunirnar sem móta framtíð jöfnunar álags: Ökutæki-til-raforkukerfishleðslu (V2G), gervigreind og innleiðing næstu kynslóðar samskiptastaðla.

Ökutæki-til-nets (V2G) og tvíátta DLB

V2G er fullkomin þróun snjallhleðslu. Í stað þess að rafbíllinn sé bara hleðsla verður hann að færanlegri rafhlöðu sem getur dælt orku aftur inn í raforkunetið. Fyrir DLB þýðir þetta að tiltæk afl í jöfnunni getur í raun verið neikvæð. Á V2G-virkum stað verður DLB-stýringin að stjórna „tvíátta álagsjöfnun“. Ef álag byggingarinnar fer yfir mörk raforkunetsins getur stýringin skipað rafbílunum að tæma rafhlöðurnar sínar til að styðja við bygginguna. Þetta krefst mjög háþróaðrar „hringrásarstjórnunar“ til að tryggja að tæmingin rýri ekki rafhlöðu ökutækisins of mikið og að notandinn hafi enn næga drægni fyrir næstu ferð. V2G krefst einnig uppfærslna á vélbúnaði - sérstaklega tvíátta jafnstraumshleðslutæki eða riðstraumshleðslutæki sem styðja ISO 15118-20 staðalinn.

Sjálfvirk álagsjöfnun með gervigreind

Þó að DLB-kerfi nútímans byggi á fyrirfram skilgreindum reikniritum og reglum, mun næsta kynslóð nota „sjálfnáms“ gervigreind. Með því að nota styrkingarnám (RL) getur DLB-stýring lært bestu hleðslustefnuna með tilraunum og mistökum í hermt umhverfi áður en hún er tekin í notkun. Gervigreindarstýring getur greint lúmsk mynstur sem verkfræðingur gæti misst af - eins og þá staðreynd að á hverjum þriðjudagsmorgni klukkan 10 er tiltekin iðnaðarvél í gangi í 15 mínútur, sem veldur álagssveiflu. Gervigreindin getur lært að hraða hleðslutækjum fyrir rafbíla fyrirbyggjandi á því tiltekna glugga, jafnvel án rauntímamerkis frá vélinni sjálfri.

Áhrif OCPP 2.0.1 og ISO 15118

Staðlun er undirstaða sveigjanleika. Iðnaðurinn er að færa sig hratt frá eldri OCPP 1.6 yfir í mun öflugri OCPP 2.0.1.

• OCPP 2.0.1Kynnir „Tækjastjórnun“ sem gerir skýinu kleift að fylgjast með heilsu og stillingum hleðslutækja með mun meiri nákvæmni. Mikilvægara fyrir DLB er að það felur í sér bætta snjalla hleðslueiginleika sem gera kleift að nota flóknari hleðsluferla og betri meðhöndlun þriggja fasa kerfa.
• ISO 15118 (Tengdu og hleðdu)Þessi samskiptastaðall milli ökutækis og hleðslutækis gerir bílnum kleift að deila raunverulegri SoC og rafhlöðugetu með hleðslutækinu. Í dag „giska“ flestir AC hleðslutæki á SoC eða treysta á að notandinn slái hann inn í app. Með ISO 15118 fær DLB stjórnandinn „Ground Truth“ gögn beint frá rafhlöðustjórnunarkerfi bílsins (BMS), sem gerir kleift að úthluta orku mun nákvæmari.

Kafli 11: Dæmisögur og áskoranir í framkvæmd

Fræðileg ágæti er ekkert án hagnýtrar framkvæmdar. Í þessum kafla skoðum við raunverulegar innleiðingar á DLB og tæknilegar hindranir sem verkfræðingar stóðu frammi fyrir við innleiðinguna.

Dæmisaga 1: Skrifstofuhúsnæði fyrir fyrirtæki

Stórt fyrirtæki í höfuðstöðvum í London vildi setja upp 50 hleðslustöðvar fyrir rafbíla en var takmarkað af 200 kW tengingu við raforkukerfið sem var þegar nýtt að 70% af afli sínum fyrir hitunar-, loftræsti- og kælikerfi og lýsingu byggingarinnar.LausnBlendings DLB kerfi var innleitt. Staðbundinn jaðarstýring var settur upp til að fylgjast með aðalspenninum með CT klemmum. Kerfið var stillt með 180 kW „mjúkum takmörkum“ og 195 kW „hörðum takmörkum“.NiðurstaðaStaðurinn tókst að hlaða 50 hleðslutæki án þess að rofi hefði slokknað. Með því að nota forgangsröðun byggða á SoC tryggðu þeir að starfsmenn sem áttu langar ferðir til og frá vinnu væru alltaf fullhlaðnir í lok dags.

Dæmisaga 2: Rafmagnsrútustöðin

Rútufyrirtæki í Shenzhen þurfti að hlaða 100 rafknúna rútur yfir nóttina. Áskorunin var mikil samtímis hleðsla sem átti sér stað þegar allar rúturnar komu aftur á stöðina klukkan 23.LausnGervigreindarlíkan var notað til að spá fyrir um hleðslugetu hverrar rútu við komu út frá leiðargögnum hennar. DLB kerfið skipulagði síðan hleðsluna í „bylgjum“ og tryggði að heildarálagið færi aldrei yfir afkastagetu spennistöðvarinnar á meðan tryggt var að hver rúta væri 100% hlaðin klukkan 5 að morgni.

Algengar áskoranir í framkvæmd

1. Flækjustig samskipta og samþættingar:Sérhver hleðslutæki verður að tala tungumál staðarins — OCPP fyrir miðlæga stjórnkerfið, ISO 15118 fyrir ökutækið og oft Modbus eða BACnet fyrir orkustjórnunarkerfi byggingarinnar. Að fá öll þrjú lögin til að virka áreiðanlega saman, sérstaklega á milli hleðslutækja frá mismunandi framleiðendum, er ein algengasta uppspretta „sýndarvillna“ sem í raun eru ósamræmi í samskiptareglum.
2. Tenging við raforkukerfið og eftirspurnargjöld:DLB-kerfið leysir tæknilega vandamálið með takmarkaða afkastagetu, en viðskiptavandamálið - eftirspurnargjöld og samtengingargjöld veitna - er enn til staðar. Staðirnir verða að móta hvort álagsmynstur þeirra muni valda refsiverðum eftirspurnartoppum og hvort BESS-kerfið sé hagkvæmara en stærri tenging við raforkukerfið.
3. Gögnagæði og mat á SoC:Bestun DLB er aðeins eins góð og inntak hennar. Ökutæki tilkynna hleðslustöðu yfir hleðslutímann, en gildi geta verið úrelt, ósamræmd eða einfaldlega ekki tiltæk í eldri gerðum. Kerfin verða að vera ónæm fyrir týndum gögnum og sjálfgefið að nota íhaldssama áætlanagerð þegar fjarmælingar eru óáreiðanlegar.
4. Stærðhæfni stjórnlagsins:Kerfi sem tekst vel á við 50 hleðslutæki gæti átt í erfiðleikum með 500. Stýringar fyrir jaðarhleðslutæki, skýjamælaborð og virkni bilana verður að vera hönnuð fyrir stærðargráðu frá fyrsta degi, þar sem stjórnunarrökfræðin verður prófuð miðað við raunverulegar verstu hugsanlegar álagshækkanir - ekki bara meðalaðstæður.

Að sigrast á þessum áskorunum

Engin þessara áskorana er hindrun; hver þeirra er hönnunargrein. Að staðla á OCPP 1.6J eða 2.0.1 með einum CMS-framleiðanda útilokar mestan núning í samskiptareglum. Að móta eftirspurnargjöld í upphaflegu viðskiptatilviki - og bæta við BESS þegar tölurnar eru því sammála - verndar arðsemi. Og að velja DLB-framleiðanda með sannaðar stórar innleiðingar, frekar en einn með aðeins sýnikennslu á rannsóknarstofustigi, minnkar áhættuna fyrir allt verkefnið.

Þessum áskorunum fylgir einnig mannleg vídd. Verkfræðingar sem gangsetja DLB-kerfi verða að skilja bæði aflgjafakerfi og hugbúnað – sem er sjaldgæf samsetning. Rekstraraðilar ættu að gera ráðstafanir fyrir skipulagðri þjálfun og skjalfestum keyrslubókum, þannig að þegar jaðarstýringin gefur frá sér viðvörun klukkan tvö að nóttu viti tæknimaðurinn á bakvakt nákvæmlega hvaða mælaborð á að athuga og hvaða verklagsreglum á að fylgja. Þroskaðir birgjar bjóða upp á þessar keyrslubækur sem staðlaðar afurðir og fjarvera þeirra er viðvörunarmerki við val á birgjum.

Niðurstaða

Jöfnun álags og BESS-bestun breyta hleðslu rafbíla úr skuldbindingu raforkukerfisins í eign raforkukerfisins. Þær gera rekstraraðilum kleift að þrefalda fjölda hleðslutækja án þess að uppfæra spennubreyta, vernda rekstraraðila fyrir refsiverðum eftirspurnargjöldum og opna dyrnar að tekjustrauma — hámarksnýtingu, orkuþróun og jafnvel raforkukerfisþjónustu — sem einföld uppsetning gæti aldrei nálgast. Tæknin er þroskuð; aginn liggur í samþættingu, gagnagæði og heiðarlegri afkastagetulíkönum.

Lykilatriði

• DLB opnar fyrir fleiri hleðslutæki fyrir hvert kílóvatt af tengingu við raforkukerfið, og frestar oft eða útilokar uppfærslur á sex stafa upphæð á spennubreytum.
• BESS + hleðsla breytir eftirspurnar-hleðsluvandamáli í eftirspurnar-hleðsluhagnaðarmiðstöð.
• Forgangsröðun byggð á SoC og gervigreindarspár halda mikilvægum notendum (pendlum, strætisvögnum) hlaðnum á meðan álagskúrfa vefsvæðisins er fletjuð út.
• Samvirkni (OCPP, ISO 15118), gagnagæði og stærð birgja eru þrír þættir sem skipta máli í raunverulegum innleiðingum.

Hafðu samband við MIDA Power

Hleðslukerfi MIDA Power eru með innbyggðri, virkri álagsjöfnun og valfrjálsri BESS-samþættingu, allt stjórnað í gegnum einn OCPP-samhæfan vettvang. Frá skrifstofuhúsnæði til strætóskýla, við veitum verkfræðiaðstoð til að móta álagið þitt, rétta stærð kerfisins og gangsetja það án óvæntra uppákoma. Hafðu samband við okkur til að fá ráðgjöf um álagsgreiningu og tilboð í verkefnið.