Išmaniojo elektromobilių įkrovimo techninė architektūra: dinaminis apkrovos balansavimas ir BESS optimizavimas

Išsami išmaniojo elektromobilių įkrovimo techninė architektūra: dinaminio apkrovos balansavimo įvaldymas pasitelkiant pažangias valdymo grandines, vietinę debesijos integraciją, kelių energijos šaltinių optimizavimą naudojant PV ir BESS bei didelio masto nuspėjamąjį tinklo stabilumo valdymą.

1 skyrius: Įvadas į išmanųjį elektromobilių įkrovimą ir dinaminio apkrovos balansavimo (DLB) būtinybę

Pasaulinis perėjimas prie elektromobilumo nebėra šalutinis reiškinys, o pagrindinis transporto sektoriaus dekaborizmo ramstis. Milijonus vidaus degimo varikliais (ICE) varomų transporto priemonių keičiant elektra varomomis transporto priemonėmis (EV), elektros energijos paklausa pereina nuo skystojo kuro prie elektros tinklo. Šis paradigmos pokytis kelia didžiulį iššūkį elektros infrastruktūrai, kuri daugeliu atvejų buvo suprojektuota prieš dešimtmečius. Dėl pertraukiamo ir didelio galingumo EV įkrovimo gali kilti vietinis tinklo perkrovimas, transformatorių degradacija ir galiausiai katastrofiški gedimai, jei tai nebus tiksliai valdoma.

Išmanusis elektromobilių įkrovimas yra technologinis tiltas tarp augančios mobilumo paklausos ir fizinių elektros tinklo apribojimų. Išmanusis įkrovimas iš esmės yra susijęs su išmanumu – žinojimu, kada, kokiu greičiu ir kokiu prioritetu turėtų būti įkraunama elektromobilė. Tačiau svarbiausias šio išmanumo sluoksnio komponentas yra dinaminis apkrovos balansavimas (DLB).

Dinaminis apkrovos balansavimas – tai procesas, kurio metu nuolat stebima objekto turima elektros energijos galia ir ši energija realiuoju laiku paskirstoma tarp aktyvių elektromobilių įkroviklių. Be dinaminio apkrovos balansavimo (DLB), pastatas arba įkrovimo stotelė būtų priversti veikti esant statinei ribai, kurią dažnai lemia „blogiausias scenarijus“ – didžiausia apkrova. Dėl to atsiranda didžiulis neefektyvumas: arba objektas yra nepakankamai aprūpintas, todėl vartotojai lėtai įkraunami, arba objektui reikalingi itin brangūs infrastruktūros atnaujinimai, kad būtų galima valdyti teorinius pikus, kurie pasitaiko tik kelias valandas per savaitę.

DLB būtinybė kyla iš trijų pagrindinių veiksnių:

1. Infrastruktūros išsaugojimas: Apsaugo pagrindinius grandinės pertraukiklius nuo išjungimo ir transformatorius nuo perkaitimo.
2. Ekonominis efektyvumas: Išvengiama didelių paklausos mokesčių ir pernelyg didelių paslaugų skydų ar vietinių paskirstymo tinklų atnaujinimo išlaidų.
3. Vartotojų pasitenkinimasMaksimalus įkrovimo greitis visiems vartotojams, sumaniai panaudojant kiekvieną turimą kilovatvalandę talpos.

Šiame išsamiame techniniame tyrime analizuosime DLB mechaniką – nuo ​​milisekundžių lygio valdymo kilpų, valdančių galios elektroniką, iki debesijos pagrindu veikiančių tūkstančių įkrovimo taškų orkestravimo. Išnagrinėsime, kaip DLB vystosi integruojant ją su atsinaujinančiais energijos šaltiniais, tokiais kaip fotovoltinė (FV) ir akumuliatorinės energijos kaupimo sistemos (BESS), ir kaip nuspėjamasis modeliavimas leidžia didelio masto įkrovimo centrams numatyti tinklo svyravimus dar prieš jiems įvykstant. Artėjant prie ateities, kurioje elektromobilis bus ne tik vartotojas, bet ir paskirstytas energijos išteklius, DLB niuansų supratimas yra nepaprastai svarbus tiek inžinieriams, tiek miestų planuotojams, tiek energijos tiekėjams.

2 skyrius: Pagrindiniai dinaminio apkrovos balansavimo principai

Norint suprasti, kaip veikia DLB, pirmiausia reikia suprasti „statinę“ alternatyvą. Statinės apkrovos balansavimo aplinkoje kiekvienam įkrovikliui priskiriamas fiksuotas srovės kiekis. Pavyzdžiui, jei įrenginyje yra 100 A riba ir 5 įkrovikliai, kiekvienas gali būti apribotas iki 20 A. Jei kraunasi tik vienas automobilis, jis vis tiek gauna tik 20 A, eikvodamas 80 A galimos galios. Ir atvirkščiai, jei kraunasi visi 5 automobiliai ir kažkas pastate įjungia didelės galios ŠVOK sistemą, bendra apkrova gali viršyti 100 A ir sukelti elektros energijos tiekimo sutrikimą.

DLB šį griežtą paskirstymą pakeičia lanksčia, reaguojančia sistema. Pagrindinis principas yra grįžtamasis ryšys tarp „bendros prieinamos talpos“ ir „aktyvaus įkrovimo poreikio“.

Matematinis fondas

Paprasčiausiai DLB galima išreikšti šia lygtimi:P_prieinamos_EV(t) = P_bendra_limita – P_ne_EV_apkrovos(t)

Kur:

• P_bendra_limitayra fizinė arba sutartinė objekto riba.
• P_ne_EV_apkrovos(t)yra išmaniojo skaitiklio matuojamas šviestuvų, mechanizmų, liftų ir kt. suvartojimas realiuoju laiku.
• P_prieinama_EV(t)yra likusi galia, kurią galima saugiai paskirstyti tarp elektromobilių.

Sudėtingumas iškyla, kai sistema turi nuspręsti, kaip paskirstytiP_prieinama_EV(t)tarpNįkrovikliai. Šį paskirstymą valdo algoritmai, kurie atsižvelgia į:

• Įkrovimo būsena (SoC)Automobilis su beveik išsikrovusiu akumuliatoriumi gali gauti didesnį prioritetą.
• Išvykimo laikasNakčiai pasilikęs automobilis gali būti įkraunamas lėtai, o automobilis, kuriam reikia greitai papildyti, gauna pagreitintą įkrovimą.
• Fazių balansavimasTrifazėse sistemose DLB turi užtikrinti, kad nė viena fazė nebūtų perkrauta – tai užduotis, kuriai reikalinga sudėtinga perjungimo logika arba fazes suvokiantis paskirstymas.

Jutimas ir matavimas

DLB tikslumas visiškai priklauso nuo gaunamų duomenų kokybės. Paprastai tai apima srovės transformatorius (CT) arba specialius išmaniuosius skaitiklius, įrengtus bendro sujungimo taške (PCC). Šie įrenginiai turi pranešti apkrovos duomenis aukštu dažniu (dažnai 1 Hz ar aukštesniu), kad DLB valdiklis galėtų per kelias sekundes reaguoti į staigius pastato apkrovos šuolius, pvz., pramoninio variklio paleidimą, ir išvengti pagrindinio jungiklio suveikimo.

Hierarchinė struktūra

DLB dažnai veikia hierarchiškai. „Vietiniu“ lygmeniu valdiklis valdo įkroviklių grupę. „Vietos“ lygmeniu jis koordinuoja veiksmus su pastato valdymo sistema. „Tinklo“ lygmeniu jis gali reaguoti į komunalinių paslaugų teikėjo teikiamus paklausos valdymo (DR) signalus. Šis daugiasluoksnis metodas užtikrina, kad būtų išlaikytas vietinis saugumas, kartu dalyvaujant platesnėse energijos rinkose.

3 skyrius: DLB algoritmų valdymo kilpos projektavimas: PID ir modelio nuspėjamasis valdymas (MPC)

Dinaminės apkrovos balansavimo sistemos efektyvumas galiausiai matuojamas jos delsos laiku ir tikslumu. Jei pastato apkrova padidėja ir DLB sistemai prireikia 30 sekundžių, kad sureguliuotų elektromobilių įkrovimo srovę, pagrindinis jungiklis greičiausiai suveiks prieš įvykstant korekcijai. Todėl valdymo kilpos konstrukcija yra išmaniosios įkrovimo stoties „smegenys“. Šiame skyriuje mes išsamiai aptarsime šių valdymo mechanizmų inžinerines specifikacijas, daugiausia dėmesio skirdami proporcinio integralinio išvestinio (PID) valdikliams ir pažangesniam modelio nuspėjamajam valdymui (MPC).

PID valdymo sistema DLB

PID valdikliai yra pramoninės automatizacijos „arkliukai“, kurie natūraliai pritaikomi DLB (elektros transporto priemonių maitinimo įrangoje). PID kilpos tikslas – palaikyti bendrą objekto apkrovą ($P_{total}$) nustatytoje vertėje ($P_{limit}$) arba žemiau jos, reguliuojant valdymo kintamąjį, kuris yra maksimali srovės riba, siunčiama į EVSE (elektrinių transporto priemonių maitinimo įrangą).

• Proporcingas (P)P narys nedelsdamas reaguoja į klaidą (skirtumą tarp $P_{limit}$ ir $P_{total}$). Jei paklaida didelė (pvz., labai sumažėja pastato apkrova), P narys greitai padidina leistiną elektromobilio įkrovimo srovę. Tačiau valdymas tik P dažnai sukelia „pastovios būsenos klaidą“, kai sistema niekada iki galo nepasiekia ribos.
• Integralas (I)I narys atsižvelgia į ankstesnių klaidų kaupimąsi. Jis lėtai didina arba mažina srovę, kad pašalintų pastoviosios būsenos paklaidą, užtikrindamas, kad sistema laikui bėgant panaudotų kiekvieną turimą amperą.
• Išvestinė priemonė (D)D narys prognozuoja būsimas klaidas, atsižvelgdamas į pokyčių greitį. Tai labai svarbu siekiant išvengti „viršijimo“. Jei apkrova sparčiai didėja, D narys agresyviai apriboja elektromobilių įkroviklius, kol dar nepasiekiama riba.

DLB aplinkoje PID kilpa turi būti kruopščiai suderinta. Jei ji per daug agresyvi, EVSE nuolat moduliuos savo srovę, o tai gali sukelti transporto priemonės borto įkroviklio (OBC) nusidėvėjimą ir gali sudirginti elektromobilio programinę įrangą, dėl ko gali kilti įkrovimo klaidų. Jei ji per lėta, ji neatlieka savo pagrindinės paskirties – apsaugoti tinklą.

Be PID: modelio nuspėjamasis valdymas (MPC)

Nors PID efektyvus paprastiems scenarijams, šiuolaikiniai didelio masto įkrovimo centrai vis dažniau naudoja modelio nuspėjamąjį valdymą (MPC). Skirtingai nuo PID, kuris yra reaktyvus, MPC yra proaktyvus. Jis naudoja matematinį sistemos modelį, kad numatytų būsimą jos elgesį per konkretų „prognozavimo horizontą“.

DLB kontekste MPC valdiklis atsižvelgia į:

1. Sistemos apribojimaiĮkroviklių fizinės ribos, transformatoriaus talpa ir maksimalus transporto priemonės įsiurbimo greitis.
2. Ateities prognozėsNumatoma pastato apkrova, pagrįsta istoriniais modeliais, orų prognozėmis (turinčiomis įtakos ŠVOK apkrovai) ir numatomu transporto priemonių atvykimu.
3. Tikslinė funkcijaMatematinis tikslas, pavyzdžiui, „Sumažinti bendras energijos sąnaudas, užtikrinant, kad visi automobiliai iki 8 val. ryto pasiektų 80 % energijos suvartojimo.“

MPC algoritmas kiekviename laiko žingsnyje (pvz., kas 5 minutes) išsprendžia optimizavimo problemą. Jis apskaičiuoja optimalių valdymo veiksmų seką, bet įgyvendina tik pirmąjį, o tada perskaičiuoja kitame žingsnyje. Tai leidžia DLB sistemai „išlyginti“ įkrovimo profilius. Pavyzdžiui, jei sistema žino, kad 14 val. bus didelis pastato apkrovos šuolis, ji gali iš anksto įkrauti elektromobilius 13:30 val., o tada 14 val. juos smarkiai sumažinti, užuot staigiai reagavus, kai įvyksta šuolis.

Vėlavimo ir ryšio protokolai

Valdymo grandinės greitis priklauso nuo jos ryšio kanalo. Daugelyje DLB sistemų valdiklis su įkrovikliais bendrauja per „Modbus TCP“, RTU arba atvirojo įkrovimo taškų protokolą (OCPP).

• Modbus: Pasižymi labai mažu delsos laiku (milisekundėmis), todėl idealiai tinka vietiniam, saugai svarbiam DLB.
• OCPP 1.6/2.0.1: Pramonės standartas debesies ir įkroviklio ryšiui. Nors jame gausu funkcijų (apdorojamos sąskaitos faktūros, autentifikavimas ir programinės įrangos atnaujinimai), dėl JSON pranešimų per „WebSockets“ apkrovos ir viešojo interneto naršymo atsiranda didelė delsa (dažnai 1–5 sekundės).

Inžinieriai turi pasirinkti tinkamą protokolą, atsižvelgdami į apkrovos balansavimo svarbą. Gyvenamiesiems namams gali pakakti šiek tiek lėtesnio debesijos pagrindu veikiančio DLB. Pramonės gamykloje, kurioje automatinio jungiklio išjungimas kainuoja tūkstančius dolerių prastovų, vietinė „Modbus“ pagrindu veikianti kilpa yra privaloma.

4 skyrius: Vietinė ir debesijos pagrindu sukurta DLB architektūra: lyginamoji analizė

Projektuojant išmaniąją įkrovimo infrastruktūrą, vienas iš svarbiausių architektūrinių sprendimų yra tai, kur slypi „intelektas“. Ar apkrovos balansavimo logika turėtų veikti vietoje esančioje aparatinėje įrangoje (vietinė DLB), ar ją turėtų valdyti nuotolinis serveris (debesų DLB)? Abu metodai turi aiškių pranašumų ir kompromisų patikimumo, kainos ir mastelio keitimo požiūriu.

Vietinė DLB: kraštinių skaičiavimų metodas

Vietinis DLB apima fizinį valdiklį – dažnai PLC (programuojamą loginį valdiklį), specialų šliuzą arba vieną „pagrindinį“ įkroviklį, kuris tiesiogiai bendrauja su kitais įkrovikliais vietiniame tinkle (LAN).

Privalumai:

1. Patikimumas ir neprisijungus pasiekiamumasSistema nepriklauso nuo interneto ryšio. Nutrūkus šviesolaidiniam ryšiui, įkrovikliai toliau balansuoja apkrovą vietoje, užtikrindami pastato elektros saugumą.
2. Mažas delsos laikasKaip aptarta 3 skyriuje, vietinis ryšys („Modbus“ arba vietinis OCPP) vyksta per sekundę mažesniu greičiu. Tai labai svarbu objektams, kuriuose yra nepastovių ne elektromobilių apkrovų, pavyzdžiui, gamyklose ar ligoninėse.
3. SaugumasValdymo signalų laikymas vietiniame tinkle sumažina kibernetinių grėsmių, kurios galėtų bandyti manipuliuoti tinklo stabilumu, atakų paviršių.

Trūkumai:

1. Aparatinės įrangos kainaReikia įsigyti ir įdiegti papildomą techninę įrangą vietoje.
2. Priežiūros sudėtingumasDLB logikos atnaujinimas gali pareikalauti apsilankymų vietoje arba sudėtingo nuotolinio periferinių įrenginių valdymo.
3. Apriboti duomenysVietinis valdiklis turi ribotą matomumą į platesnes tinklo sąlygas arba komunalinių paslaugų įmonės energijos kainas, nebent jis būtų specialiai integruotas su debesijos serveriu.

Debesijos pagrindu sukurta DLB: didelio masto orkestravimas

Debesijos pagrindu veikiančioje architektūroje išmanusis skaitiklis ir įkrovikliai perduoda savo duomenis į centrinę valdymo platformą. Debesis apskaičiuoja optimalią kiekvieno įkroviklio galią ir siunčiaIšmanusis įkrovimas.Nustatyti įkrovimo profilįkomandą grąžinti EVSE.

Privalumai:

1. Mastelio keitimasValdyti 1000 objektų iš vieno debesies valdymo skydelio yra be galo lengviau nei 1000 atskirų vietinių valdiklių.
2. Visuotinis optimizavimasDebesis gali apjungti duomenis iš kelių objektų, kad galėtų dalyvauti virtualiose elektrinėse (VPP) arba reaguoti į regioninio tinklo apkrovą.
3. Pažangi dirbtinio intelekto integracijaSudėtingų mašininio mokymosi modelių vykdymas prognozavimui (kurį aptarsime 8 skyriuje) yra daug labiau įmanomas galinguose debesijos serveriuose nei ribotos periferijos įrangoje.
4. Mažesnės išankstinės išlaidosNereikia specialaus vietinio valdiklio, jei įkrovikliai gali tiesiogiai bendrauti su debesimi.

Trūkumai:

1. Ryšio priklausomybėJei nutrūksta interneto ryšys, sistema paprastai grįžta į „saugią būseną“ (pvz., minimali įkrovimo srovė visiems automobiliams), o tai gali būti labai neefektyvu ir sukelti klientų skundų.
2. Didelis delsos laikasDuomenų perdavimo laikas tarp skaitiklio, debesies ir įkroviklio gali būti kelios sekundės. Dėl to sunku reaguoti į „momentinius“ apkrovos šuolius.
3. Privatumo problemosNuolatinis energijos duomenų srautinis perdavimas į debesį kai kuriems verslo klientams kelia duomenų suvereniteto ir privatumo problemų.

Hibridinis modelis: geriausia iš abiejų pasaulių

Pripažindama šiuos kompromisus, pramonė pereina prie hibridinio modelio. Šioje sistemoje vietinis šliuzas tvarko saugai svarbų, milisekundės lygio apkrovos balansavimą (užtikrindamas, kad jungiklis niekada neišjungtų). Tuo tarpu debesis teikia aukšto lygio strategiją – nustato vietinio valdiklio „biudžetus“ pagal energijos kainas, vartotojų tvarkaraščius ir tinklo signalus. Šis „tinklo kraštų pagrindu veikiantis, debesies valdomas“ metodas užtikrina patikimumą, reikalingą infrastruktūros apsaugai, išlaikant debesies valdymo lankstumą.

5 skyrius: Energijos paskirstymo realiuoju laiku strategijos ir prioritetai

Sudėtingiausias dinaminio apkrovos balansavimo algoritmo uždavinys – nustatyti, kaip paskirstyti turimą galią tarp kelių elektromobilių. Tai ne tik bendro kilovatų skaičiaus padalijimas iš automobilių skaičiaus. Sudėtinga DLB sistema turi subalansuoti teisingumą, efektyvumą ir individualius naudotojų reikalavimus. Šiame skyriuje nagrinėsime įvairias šiandien šioje srityje naudojamas galios paskirstymo strategijas.

Kas pirmas atėjęs, tas pirmas gauna (FCFS)

Paprasčiausia paskirstymo strategija yra FCFS. Pirma prijungta transporto priemonė gauna maksimalią prašomą galią. Vėlesnės transporto priemonės gauna likusį energijos kiekį.

Privalumai:

• Paprasta įgyvendinti.
• Aišku ir skaidriu pirmiesiems vartotojams.

Minusai:

• Labai nelygu. Penktas atvykęs vartotojas gali negauti energijos, net jei jam reikia skubios kelionės, o pirmasis vartotojas jau yra įkrovęs 90 % ir gali lengvai palaukti.
• Tai veda prie „energijos kaupimo“, kai automobilis valandų valandas užima didelės įkrovos vietą, o paskutinius kelis procentinius taškus įkrauna labai lėtai.

Lygus pasidalijimas

Šiame modelyje turima galia paskirstoma po lygiai visoms aktyvioms sesijoms. Jei yra 100 kW ir kraunasi 4 automobiliai, kiekvienas gauna po 25 kW. Jei prisijungia penktas automobilis, visų galia sumažėja iki 20 kW.

Privalumai:

• Iš esmės „sąžininga“ pagrindine prasme.
• Maksimaliai padidina bent kiek apmokestinamų automobilių skaičių.

Minusai:

• Neefektyvu automobiliams su mažomis baterijomis arba tiems, kurie beveik visiškai įkrauti. Automobiliui, galinčiam priimti tik 7 kW, „skiriama“ 20 kW, taip prarandant 13 kW, kurie galėjo būti skirti automobiliui, galinčiam priimti 50 kW.

Prioritetais pagrįstas paskirstymas (sisteminis procesorius ir akumuliatoriaus talpa)

Šiuolaikinės DLB sistemos naudoja išmanesnę, daugiakintamą optimizaciją. Jos teikia pirmenybę automobiliams pagal jų įkrovos būseną (SoC). Automobiliui, kurio įkrovos lygis yra 10 %, teikiama pirmenybė prieš automobilį, kurio įkrovos lygis yra 80 %, nes 10 % automobiliui labiau reikia didesnio atstumo ir jis gali įkrauti daug greičiau dėl ličio jonų akumuliatorių įkrovimo kreivės (pastovios srovės fazė).

Be to, sistema atsižvelgia įmaksimalus priėmimo procentastransporto priemonės. NaudodamiMaksimali srovėRemiantis transporto priemonės pranešimu (per PWM kintamosios srovės įkrovimo metu arba skaitmeniniu ryšiu nuolatinės srovės įkrovimo metu), DLB valdiklis užtikrina, kad niekada neskirtų daugiau energijos, nei automobilis gali iš tikrųjų sunaudoti, taip perskirstydamas „perteklių“ kitoms transporto priemonėms.

Vartotojo nustatyti prioritetai ir „premium“ įkrovimas

Komercinėje aplinkoje DLB gali būti susietas su atsiskaitymo sistema. Vartotojas gali mokėti priemoką už „greitąjį“ įkrovimą, užtikrindamas, kad visada gautų maksimalią įmanomą galią, nepriklausomai nuo kitų apkrovų. Ir atvirkščiai, transporto priemonėms gali būti priskirti skirtingi prioritetai pagal jų numatytą išvykimo laiką. Mikroautobusas, išvykstantis 5 val. ryto, gauna prioritetą 3 val. ryto, palyginti su mikroautobusu, išvykstančiu 9 val. ryto.

Proporcinio teisingumo algoritmas

Šis algoritmas, kilęs iš telekomunikacijų (LTE/5G planavimo), bando maksimaliai padidinti bendrą sistemos „naudingumą“. Jis subalansuoja neatidėliotiną didelės galios poreikį (efektyvumą) su ilgalaikiu poreikiu užtikrinti, kad nė vienas automobilis neliktų neįkrautas (sąžiningumas). Jis apskaičiuoja kiekvieno automobilio prioriteto balą:Rezultatas = (pageidaujama galia / vidutinė iki šiol gauta galia)Automobiliai su daugiausiai balų gauna kitą turimos galios paskirstymą.

6 skyrius. Tinklo stabilumo ir perkrovų prevencijos mechanizmai

Dinaminis apkrovos balansavimas yra ne tik naudotojo patogumo funkcija; tai yra labai svarbi tinklo stabilumo saugos sistema. Didėjant elektromobilių paplitimui, skirstomasis tinklas susiduria su naujo tipo apkrova, įskaitant staigius paklausos svyravimus ir harmoninius iškraipymus. Šiame skyriuje nagrinėjami mechanizmai, kuriuos dinaminis apkrovos balansavimas naudoja tinklui apsaugoti ir katastrofiškoms perkrovoms išvengti.

„Kelionės kreivės“ apsaugos logika

Elektros grandinės pertraukikliai turi „išjungimo kreivę“ – jie gali atlaikyti nedidelę perkrovą kelias minutes, tačiau, įvykus dideliam viršįtampiui, jie išsijungia akimirksniu. Tvirtas DLB valdiklis turi modeliuoti šią išjungimo kreivę. Jis turėtų atsižvelgti į labai trumpus šuolius (pvz., įsijungiant liftui), kad nebūtų be reikalo apribota elektromobilių įkroviklių apkrova, tačiau jis turi reaguoti ryžtingai, jei perkrova išlieka.

Pažangūs valdikliai naudoja „dvigubo slenksčio“ metodą:

1. Įspėjimo slenkstis (pvz., 90 % ribos)Valdiklis pradeda „švelniai mažinti“ elektromobilių įkroviklių apkrovą, kad būtų išvengta ribos.
2. Kritinė riba (pvz., 98 % ribos)Valdiklis įdiegia „avarinio stabdymo“ funkciją arba agresyvų srovės sumažinimą iki minimalios leistinos srovės (paprastai 6 A kintamosios srovės įkrovimui), kad apsaugotų pagrindinį saugiklį.

Fazių disbalanso valdymas

Trifazėse elektros sistemose (dažnose Europoje ir pramonės objektuose) galima perkrauti vieną fazę, net jei bendra trijų fazių galia neviršija leistinų ribų. Taip nutinka, jei dauguma vietoje esančių elektromobilių yra vienfaziai įkrovikliai ir jie prijungti prie tos pačios fazės (pvz., fazės L1).

Fazes fiksuojanti DLB sistema kiekvieną fazę stebi atskirai. Jei L1 fazė pasiekia savo ribą, o L2 ir L3 yra nepakankamai naudojamos, valdiklis apriboja tik prie L1 prijungtų automobilių įkrovimą. Kai kurie pažangūs EVSE netgi gali dinamiškai perjungti fazes (fazių perjungimas), perkeldami automobilį iš perpildytos fazės į atvirą nenutraukdami įkrovimo seanso.

Harmoninis iškraipymas ir galios kokybė

Elektromobilių įkrovikliai yra nelinijinės apkrovos, kuriose naudojama galios elektronika (lygintuvai). Jie gali į tinklą tiekti harmonikas, kurios gali perkaitinti neutralius laidininkus ir sukelti trikdžius jautriai elektroninei įrangai. Nors DLB daugiausia valdo „tikrąją galią“ (kW), sudėtingos sistemos taip pat stebi „bendrą harmoninį iškraipymą“ (THD) ir „galios koeficientą“ (PF). Jei THD viršija reglamentų ribas (pvz., IEEE 519), DLB sistema gali sumažinti įkrovimo greitį, kad sušvelnintų poveikį elektros energijos kokybei.

Paklausos valdymas ir dažnio reguliavimas

Makro lygmeniu DLB sistemos gali dalyvauti paklausos valdymo (DR) programose. Kai sumažėja tinklo dažnis (tai rodo tiekimo trūkumą), elektros energijos tiekėjas siunčia signalą. DLB valdiklis gali reaguoti per milisekundes, vienu metu sumažindamas elektromobilių apkrovą šimtuose įkroviklių. Tai sukuria „virtualios baterijos“ efektą, kuris yra daug greitesnis ir ekonomiškesnis nei piko metu veikiančios dujinės elektrinės įjungimas. Šis perėjimas nuo „pasyvios apkrovos“ prie „aktyvaus tinklo turto“ yra išmaniojo įkrovimo ateitis.

Atsarginių valstybių vaidmuo

Svarbus perkrovos prevencijos komponentas yra „saugi būsena“ arba „atsarginė srovė“. Nutrūkus ryšiui tarp valdiklio ir skaitiklio (arba debesies), DLB sistema turi nustatyti iš anksto nustatytą saugios srovės ribą. Paprastai ši vertė nustatoma labai maža (pvz., 6 A vienam įkrovikliui) arba nuliui, užtikrinant, kad net ir visiško sistemos gedimo atveju pastato infrastruktūra išliktų apsaugota.

7 skyrius: Įvairių energijos sistemų integravimas: DLB optimizavimas su PV ir BESS

Atsinaujinančiųjų energijos šaltinių, konkrečiai – fotovoltinių (FV), ir vietinio kaupimo, pvz., akumuliatorinių energijos kaupimo sistemų (BESS), integravimas suteikia dinaminiam apkrovos balansavimui naują sudėtingumo aspektą. Tradicinėje DLB sistemoje tikslas – neviršyti tinklo ribos. Daugialypėje energijos sistemoje tikslas – suderinti šiuos skirtingus išteklius, kad būtų maksimaliai padidintas savarankiškas vartojimas, sumažintos tinklo išlaidos ir užtikrintas patikimumas.

Daugiašaltinio galios balanso lygtis

Vietovėje su PV ir BESS, elektromobilių įkrovimui skirta energija nebėra tik „tinklo riba atėmus pastato apkrovą“. Ji tampa:P_ev(t) = P_grid_limit – P_building(t) + P_pv(t) + P_bess_discharge(t) – P_bess_charge(t)

Ši lygtis įveda kelis naujus valdymo kintamuosius. DLB valdiklis dabar turi nuspręsti ne tik kaip paskirstyti galią elektromobiliams, bet ir kada įkrauti arba iškrauti elektros energijos tiekimo bloką (BESS).

Saulės energijai optimizuotas įkrovimas (PV energijos tiekimo apribojimo prevencija)

Vienas iš pagrindinių kelių energijos šaltinių DLB naudojimo atvejų yra „saulės energijos sekimas“. Šviečiant saulei, FV sistema gali pagaminti daugiau energijos, nei pastatas gali suvartoti. Jei tinklas neleidžia įpurškimo (nulinis eksportas) arba jei supirkimo tarifas yra mažas, ši energija yra švaistoma (sutrumpinta). Išmanioji DLB sistema stebi FV išvestį ir automatiškai padidina elektromobilių įkrovimo greitį, kad jis atitiktų saulės energijos gamybą. Šis „žaliasis įkrovimas“ yra labai populiarus gyvenamosiose ir verslo patalpose, nes jis leidžia 100 % atsinaujinančių išteklių mobilumą be jokio poveikio tinklui.

Didžiausias skutimasis su BESS

BESS veikia kaip buferis. Didžiausios paklausos laikotarpiais, pavyzdžiui, kai vienu metu veikia keli didelės galios nuolatinės srovės greitieji įkrovikliai, BESS gali iškrauti akumuliatorių, kad papildytų tinklo tiekimą. Tai leidžia objektui palaikyti daugiau įkroviklių, nei įprastai leistų jos tinklo jungtis. DLB valdiklis valdo BESS „energijos būseną“ (SoE). Jis turi užtikrinti, kad akumuliatoriaus talpa būtų pakankama kitam numatomam pikui, tuo pačiu metu planuojant įkrovimą mažos paklausos arba didelės saulės energijos gamybos laikotarpiais.

Koordinuotas kelių išteklių optimizavimas

Pažangiausiose sistemose naudojamas „bendro optimizavimo“ metodas. Užuot laikę PV, BESS ir elektromobilius atskirais subjektais, jie valdomi kaip vieningas mikro tinklas. Valdiklis naudoja tiesinį programavimą arba evoliucinius algoritmus, kad kas kelias sekundes išspręstų energijos balanso problemą. Pavyzdžiui, jei automobilis turi išvykti po 1 valandos, o PV gamyba sumažėja dėl debesies, valdiklis turi nuspręsti: ar jis turėtų imti daugiau energijos iš tinklo (brangu), iškrauti BESS (ciklo kaina), ar apriboti automobilio apkrovą (vartotojų nepasitenkinimas)? Šiems sprendimams pagrindą suteikia „Ekonominio paskirstymo“ logika (aptarta 9 skyriuje).

8 skyrius: Pažangūs didelio masto įkrovimo stotelių galios prognozavimo modeliai

Didelio masto įkrovimo centrams, pavyzdžiui, greitkelių degalinėms ar miesto autobusų stotelėms, reaktyviosios tiesioginės įkrovimo stotelės (DLB) yra nepakankamos. Siekiant išvengti tinklo nestabilumo ir optimizuoti energijos sąnaudas, šios vietos turi naudoti prognozavimo modelius, kad numatytų paklausą. Šiame skyriuje nagrinėjami duomenų mokslo ir modeliavimo metodai, naudojami energijos prognozavimui išmaniojo įkrovimo srityje.

Paklausos prognozavimas: transporto priemonių atvykimo prognozavimas

Pirmasis prognozavimo žingsnis yra numatyti, kada ir kiek elektromobilių atvyks. Komerciniam centrui tai reiškia analizuoti:

1. Istoriniai atvykimo modeliaiParos laiko, savaitės dienos ir sezoninės tendencijos.
2. Išoriniai duomenysEismo sąlygos, orai (kurie turi įtakos elektromobilio nuvažiuojamam atstumui ir šildymo / vėsinimo apkrovai) ir vietiniai įvykiai.
3. Eilių teorijaNaudojant stochastinius modelius, tokius kaip M/M/s eilės, siekiant įvertinti visų įkroviklių užimtumo tikimybę.

Pažangiuose modeliuose naudojami ilgosios trumpalaikės atminties (LSTM) neuroniniai tinklai arba gradiento sustiprinti medžiai (XGBoost), kad būtų galima labai tiksliai numatyti „bendrą paklausos profilį“ kitoms 24 valandoms.

Pastato apkrovos prognozavimas

Kad DLB veiktų, ji taip pat turi numatytine EV apkrovaBiurų pastate tai yra labai nuspėjama (pikas pasiekiamas darbo valandomis). Pramonės objektuose tai gali būti nepastovi. Pastatų apkrovų prognozavimo modeliuose paprastai naudojamas:

• Autoregresinis integruotas slenkamasis vidurkis (ARIMA)Stabiliems, sezoniniams duomenims.
• Pranašas (autorius Meta)Puikiai tinka trūkstamiems duomenims ir išskirtiniams laiko eilučių energijos duomenyse tvarkyti.
• Fizikos pagrindu sukurti modeliaiŠVOK apkrovos prognozavimas atsižvelgiant į pastato šiluminę masę ir prognozuojamą lauko temperatūrą.

FV gamybos prognozavimas

Saulės energijos gamybos prognozavimas yra gyvybiškai svarbus daugiaenerginei DLB sistemai. Tam reikalinga integracija su didelės skiriamosios gebos orų API (saulės spinduliuotės duomenimis) ir vietoje esančiais jutikliais. Trumpalaikėms prognozėms (0–15 minučių) dažnai naudojamos „Sky Imaging“ kameros, kurios seka debesų judėjimą, kad numatytų staigius FV galios sumažėjimus, leisdamos DLB sistemai iš anksto reguliuoti įkroviklių galią arba paruošti BESS iškrovimui.

Prognozavimo ir kontrolės sąsaja

Šių prognozių rezultatai tiekiami į 3 skyriuje aprašytą modelio nuspėjamojo valdymo (MPC) ciklą. Prognozė suteikia „prognozavimo horizontą“, leidžiantį valdikliui šiandien priimti sprendimus, atsižvelgiant į numatomas sąlygas po dviejų valandų. Ši „išankstinio stebėjimo“ galimybė skiria paprastą išmanųjį įkroviklį nuo į tinklą integruotos energijos valdymo sistemos.

9 skyrius: Išlaidų optimizavimas ir ekonominis paskirstymas išmaniojo įkrovimo srityje

Nors pagrindinis DLB tikslas yra techninis (išvengti perkrovų), antrinis ir vis svarbesnis tikslas yra ekonominis. Šiame skyriuje aptarsime, kaip DLB sistemos optimizuojamos siekiant mažiausios energijos sąnaudos.

Naudojimo laiko (ToU) arbitražas

Dauguma komunalinių paslaugų įmonių dabar siūlo dinaminį kainodarą. 17 val. elektros energija gali kainuoti 0,30 USD/kWh, o 2 val. nakties – tik 0,05 USD/kWh. Išmanioji DLB sistema šiuos kainų signalus naudoja kaip įvestį. „Sąnaudų atžvilgiu optimalus planuoklis“ perkels kuo daugiau elektromobilių apkrovos į žemos kainos laikotarpius. Tačiau tai turi subalansuoti su naudotojų poreikiais. Jei naudotojui automobilio reikia 20 val., sistema negali laukti iki 2 val. nakties, kad pradėtų įkrovimą. Algoritmas apskaičiuoja kiekvienos sesijos atidėjimo „alternatyviąsias sąnaudas“.

Paklausos mokesčių valdymas

Komerciniams klientams komunalinių paslaugų sąskaita dažnai skirstoma į dvi dalis: energijos suvartojimą (kWh) ir didžiausią paklausą (kW). Mokestis už didžiausią paklausą apskaičiuojamas pagal didžiausią 15 minučių mėnesio intervalą. Vienas nevaldomas pikas gali kainuoti tūkstančius dolerių. DLB sistema veikia kaip „piko ribotuvas“. Nustatydama griežtą bendros objekto apkrovos ribą ir naudodama BESS arba ribojimo funkciją jai palaikyti, sistema užtikrina, kad mokestis už didžiausią paklausą neviršytų biudžeto.

Dalyvavimas dažnio atsako rinkose

Tinklo operatoriai (PSO/DSO) moka už „lankstumą“. Jei įkrovimo tinklas gali įrodyti, kad gali sumažinti apkrovą pagal komandą, jis gali dalyvauti tokiose rinkose kaip FFR (fiksuotas dažnio atsakas) arba DSR (paklausos pusės atsakas). DLB valdiklis veikia kaip sąsaja. Gavęs „lankstumo užklausą“, valdiklis apskaičiuoja, kiek jis gali saugiai sumažinti apkrovą nepažeisdamas minimalių vartotojų elektros tinklo kortelių reikalavimų, ir pateikia pasiūlymą rinkoje. Iš šių paslaugų gautos pajamos gali gerokai kompensuoti įkrovimo infrastruktūros sąnaudas.

Ekonominio paskirstymo objektyvioji funkcija

Šio optimizavimo matematika paprastai yra daugiafunkcė funkcija:Sumažinti: (tinklo energijos sąnaudas) + (akumuliatoriaus gedimo sąnaudas) + (baudą už pavėluotą įkrovimą) Atsižvelgiant į: (Tinklo pajėgumus) ir (Vartotojų terminus)

Spręsdama šią problemą kas kelias minutes, DLB sistema užtikrina, kad stotis veiktų „efektyvumo riboje“ – tai puikus kainos ir našumo balansas.

10 skyrius: Ateities tendencijos: V2G, dirbtiniu intelektu pagrįsta DLB ir standartizacija (OCPP 2.0.1)

Išmaniųjų elektromobilių įkrovimo sritis vystosi žaibišku greičiu. Technologijoms tobulėjant, mes pereiname nuo paprasto apkrovos valdymo prie visiško integravimo į tinklą ir autonominio optimizavimo. Šiame skyriuje nagrinėjamos trys svarbiausios tendencijos, formuojančios dinaminio apkrovos balansavimo ateitį: transporto priemonių ir tinklų ryšys (V2G), dirbtinis intelektas ir naujos kartos ryšio standartų diegimas.

Transporto priemonės ir elektros tinklas (V2G) ir dvikryptis DLB

V2G yra pažangiojo įkrovimo evoliucijos pabaiga. Elektromobilis nebebus tik apkrova, jis tampa mobilia baterija, galinčia tiekti energiją atgal į tinklą. DLB atveju tai reiškia, kad lygtyje esanti galia iš tikrųjų gali būti neigiama. V2G palaikančiame objekte DLB valdiklis turi valdyti „dvipusį apkrovos balansavimą“. Jei pastato apkrova viršija tinklo ribą, valdiklis gali nurodyti elektromobiliams iškrauti baterijas, kad būtų galima tiekti energiją pastatui. Tam reikia itin sudėtingo „ciklo valdymo“, siekiant užtikrinti, kad iškrovimas pernelyg nesumažintų transporto priemonės baterijos įkrovos ir kad vartotojas vis tiek turėtų pakankamai atstumo kitai kelionei. V2G taip pat reikalauja techninės įrangos atnaujinimo – konkrečiai, dvipusių nuolatinės srovės arba kintamosios srovės įkroviklių, atitinkančių ISO 15118-20 standartą.

Dirbtiniu intelektu pagrįstas autonominis apkrovos balansavimas

Nors šiandieninės DLB sistemos remiasi iš anksto apibrėžtais algoritmais ir taisyklėmis, kita karta naudos „savarankiško mokymosi“ dirbtinį intelektą. Naudodamas sustiprintąjį mokymąsi (RL), DLB valdiklis gali išmokti optimalią įkrovimo strategiją bandymų ir klaidų metodu imituojamoje aplinkoje prieš jį diegiant. Dirbtinio intelekto valdomas valdiklis gali nustatyti subtilius modelius, kurių žmogus inžinierius gali nepastebėti, pavyzdžiui, kad kiekvieną antradienio rytą 10 val. konkreti pramoninė mašina veikia 15 minučių ir sukelia apkrovos šuolį. Dirbtinis intelektas gali išmokti proaktyviai reguliuoti elektromobilių įkroviklių apkrovą tuo konkrečiu laikotarpiu, net ir neturėdamas realaus laiko signalo iš pačios mašinos.

OCPP 2.0.1 ir ISO 15118 poveikis

Standartizacija yra mastelio keitimo pagrindas. Pramonė sparčiai pereina nuo senosios OCPP 1.6 prie daug tvirtesnės OCPP 2.0.1.

• OCPP 2.0.1Pristatomas „Įrenginių valdymas“, leidžiantis debesijos technologijoms daug išsamiau stebėti įkroviklių būklę ir konfigūraciją. Dar svarbiau, kad DLB atveju jame yra patobulintos išmaniojo įkrovimo funkcijos, leidžiančios naudoti sudėtingesnius įkrovimo profilius ir geriau valdyti trifazes sistemas.
• ISO 15118 (Prijunkite ir įkraukite)Šis transporto priemonės ir įkroviklio ryšio standartas leidžia automobiliui bendrinti savo faktinį SoC ir akumuliatoriaus talpą su įkrovikliu. Šiandien dauguma kintamosios srovės įkroviklių „atspėja“ SoC arba pasikliauja vartotoju, kad jį įvestų į programėlę. Pagal ISO 15118, DLB valdiklis gauna „Ground Truth“ duomenis tiesiai iš automobilio akumuliatoriaus valdymo sistemos (BMS), o tai leidžia daug tiksliau paskirstyti energiją.

11 skyrius: Atvejų analizės ir įgyvendinimo iššūkiai

Teorinis meistriškumas be praktinio įgyvendinimo yra niekas. Šiame skyriuje apžvelgsime realų DLB diegimą ir technines kliūtis, su kuriomis susidūrė inžinieriai diegimo metu.

1 atvejo analizė: Komercinių biurų kompleksas

Didelė korporacijos būstinė Londone norėjo įrengti 50 elektromobilių įkroviklių, tačiau ją ribojo 200 kW tinklo jungtis, kurios pastato ŠVOK ir apšvietimo sistemos jau buvo 70 % panaudotos.SprendimasĮdiegta hibridinė DLB sistema. Įrengtas vietinis kraštinis valdiklis pagrindiniam transformatoriui stebėti per CT spaustukus. Sistema sukonfigūruota su 180 kW „programine riba“ ir 195 kW „griežta riba“.RezultatasStotis sėkmingai valdė 50 įkroviklių, nė vienas automatinis jungiklis nesugesdavo. Naudodami sistemos kortele pagrįstą prioritetų nustatymą, jie užtikrino, kad darbuotojai, turintys ilgas keliones į darbą ir atgal, iki dienos pabaigos visada būtų visiškai įkrauti.

2 atvejo analizė: Elektromobilių depas

Šendženo autobusų operatoriui per naktį reikėjo įkrauti 100 elektrinių autobusų. Iššūkis buvo didžiulis vienu metu įkrautas autobusas, kai 23 val. visi autobusai grįžo į depą.SprendimasDirbtiniu intelektu pagrįstas prognozavimo modelis buvo naudojamas kiekvieno autobuso atvykimo energijos sąnaudoms (SoC) numatyti remiantis jo maršruto duomenimis. Tuomet DLB sistema suplanavo įkrovimą „bangomis“, užtikrindama, kad bendra apkrova niekada neviršytų depo pastotės pajėgumų, ir užtikrindama, kad kiekvienas autobusas iki 5 val. ryto būtų 100 % įkrautas.

Dažni įgyvendinimo iššūkiai

1. Komunikacijos ir integracijos sudėtingumas:Kiekvienas įkroviklis turi kalbėti objekto kalba – OCPP su centrine valdymo sistema, ISO 15118 su transporto priemone ir dažnai Modbus arba BACnet su pastato energijos valdymo sistema. Visų trijų lygių patikimo sąveikos užtikrinimas, ypač tarp skirtingų tiekėjų įkroviklių, yra vienas iš dažniausių „fantominių“ gedimų, kurie iš tikrųjų yra protokolų neatitikimai, šaltinių.
2. Tinklo prijungimo ir paklausos mokesčiai:DLB sistema išsprendžia techninę riboto pajėgumo problemą, tačiau komercinė problema – paklausos mokesčiai ir komunalinių paslaugų sujungimo mokesčiai – išlieka. Objektai turi modeliuoti, ar jų apkrovos profilis sukels baudžiamuosius paklausos pikus ir ar BESS yra ekonomiškiau nei didesnė tinklo jungtis.
3. Duomenų kokybė ir SoC įvertinimas:DLB optimizavimas yra toks geras, kokie yra jo įvesties duomenys. Transporto priemonės praneša apie įkrovimo būseną viso įkrovimo seanso metu, tačiau senesniuose modeliuose vertės gali būti pasenusios, nenuoseklios arba tiesiog neprieinamos. Sistemos turi būti atsparios trūkstamiems duomenims ir, kai telemetrija nepatikima, naudoti konservatyvų planavimą.
4. Valdymo sluoksnio mastelio keitimas:Sistema, kuri elegantiškai valdo 50 įkroviklių, gali susidurti su sunkumais su 500. Kraštinių įrenginių valdikliai, debesies ataskaitų suvestinės ir gedimų šalinimo elgsena turi būti sukurti atsižvelgiant į mastelį nuo pirmos dienos, o valdymo logika turi būti išbandyta atsižvelgiant į realius blogiausio atvejo apkrovos šuolius, o ne tik į vidutines sąlygas.

Šių iššūkių įveikimas

Nė vienas iš šių iššūkių nėra kliūtis; kiekvienas iš jų yra atskira projektavimo disciplina. Standartizavimas OCPP 1.6J arba 2.0.1 su vienu TVS tiekėju pašalina didžiąją dalį protokolų trinties. Paklausos mokesčių modeliavimas pradiniame verslo plane ir BESS pridėjimas, kai skaičiai tam palankūs, apsaugo pelningumą. O pasirinkus DLB tiekėją, turintį patikrintus didelio parko diegimus, o ne tokį, kuris turi tik laboratorinius demonstracinius pavyzdžius, sumažinama viso projekto rizika.

Šie iššūkiai turi ir žmogiškąjį aspektą. DLB sistemą užsakontys inžinieriai turi išmanyti tiek elektros energijos sistemas, tiek programinę įrangą – retas derinys. Operatoriai turėtų numatyti biudžetą struktūrizuotiems mokymams ir dokumentuotiems procesų vadovams, kad, kai periferinis valdiklis 2 val. nakties įjungia aliarmą, budintis technikas tiksliai žinotų, kuriuos ataskaitų suvestines patikrinti ir kokių procedūrų laikytis. Patyrę tiekėjai šiuos procesų vadovų pavyzdžius pateikia kaip standartinius rezultatus, o jų nebuvimas yra įspėjamasis ženklas renkantis tiekėją.

Išvada

Dinaminis apkrovos balansavimas ir įkrovimo stotelių optimizavimas elektromobilių įkrovimą paverčia iš tinklo atsakomybės į tinklo turtą. Jie leidžia įkrovikliams patrigubinti įkroviklių skaičių neatnaujinant transformatorių, apsaugo operatorius nuo baudžiamųjų mokesčių už paklausą ir atveria duris pajamų srautams – piko mažinimui, energijos arbitražui ir net tinklo paslaugoms – kurių anksčiau neįdiegusi sistema niekada negalėtų pasiekti. Technologija yra brandi; disciplina slypi integracijoje, duomenų kokybėje ir sąžiningame pajėgumų modeliavime.

Svarbiausios išvados

• DLB atrakina daugiau įkroviklių vienam kilovatui tinklo prijungimo, dažnai atidedant arba panaikinant šešiaženklę transformatorių atnaujinimo kainą.
• BESS + apmokestinimas paverčia paklausos ir apmokestinimo problemą paklausos ir apmokestinimo pelno centru.
• Sistemos kortele pagrįstas prioritetų nustatymas ir dirbtinio intelekto prognozavimas užtikrina, kad svarbiausi vartotojai (keleivių, autobusų keleiviai) būtų apmokestinti, tuo pačiu išlyginant objekto apkrovos kreivę.
• Sąveikumas (OCPP, ISO 15118), duomenų kokybė ir tiekėjo mastas yra trys lemiami veiksniai realiuose diegimuose.

Susisiekite su MIDA Power

„MIDA Power“ įkrovimo sistemos tiekiamos su integruotu dinaminiu apkrovos balansavimu ir pasirenkama BESS integracija, visa tai valdoma per vieną su OCPP suderinamą platformą. Nuo biurų kompleksų iki autobusų stočių – teikiame inžinerinę pagalbą, kad sumodeliuotume jūsų apkrovą, tinkamai parinktume sistemą ir paleistume ją be netikėtumų. Susisiekite su mumis dėl apkrovos analizės konsultacijos ir projekto kainos pasiūlymo.