بخشی از مقاله
برنامه ريزي شارژ و دشارژ خودروهاي برقي قابل اتصال به شبکه (PHEV) در يک شبکه هوشمند با رويکرد کاهش تلفات
چکيده - با توجه به برتري خودروهاي برقي قابل اتصال به شبکه (PHEV) برمبناي نوع انرژي مصرفي در کمک به حل مشکلات آب و هوايي، آلودگي هوا و آلودگيهاي صوتي نسبت به خودروهاي درونسوز، در اين مقاله ضمن مرور اجمالي مزاياي اين قبيل خودروها از يکسو، اثرات منفي ناشي از افزايش تعداد اين خودروها به دليل اتصال آنها به شبکه هاي توزيع برق از سوي ديگر، جهت حل مشکلات ياد شده ، و با توجه به تعريف سناريوهاي مختلف اتصال PHEV ها به شبکه به برنامه ريزي شارژ و دشارژ خودروها با کمک الگوريتم هوشمند بهينه سازي اجتماع ذرات باينري (BPSO) با هدف کمينه سازي ميزان تلفات توان اکتيو شبکه پرداخته ميشود.
کليد واژه - خودرو برقي هيبريدي قابل اتصال به شبکه (PHEV)، شارژ و دشارژ هوشمند، تلفات ، بهينه سازي اجتماع ذرات باينري(BPSO)
١- مقدمه
پيدايش خودروهاي برقي هيبريدي قابل اتصال به Plug-in Hybrid Electric Vehicle)PHEV) با توجه به شبکه عدم موفقيت خودروهاي تمام برقي در طي دهه ي ٩٠ و اوايل دهه ي ٢٠٠٠ و نتيجه تلاش در جهت توسعه خودروهاي تمام برقي و خودروهاي هيبريدي معمول که از باتري براي کمک به اقتصادي نمودن مصرف سوخت خودرو درونسوز استفاده مينمودند،ميباشد.در اوايل دهه ١٩٩٠ مشخص شد که اتومبيل هاي برقي هرگز قادر به رقابت با اتومبيل هاي بنزيني نميباشند. علت اين امر آن است که در باتري انرژي در الکترودهاي فلزي ذخيره ميشود که وزن بيشتري نسبت به بنزيني که همان مقدار انرژي را توليد ميکند، دارد. صنعت خودروسازي، خودروهاي الکتريکي را براي انجام تحقيقات جهت ساخت خودروهاي هيبريدي رها کرد. به موازات توسعه ي خودروهاي هيبريدي معمول ، توسعه نمونه قابل اتصال به شبکه آنها افزايش يافت . خودرو برقي هيبريدي قابل اتصال (PHEV) به شبکه ترکيبي از يک خودرو برقي هيبريدي و يک خودرو برقي است که ميتواند به وسيله يک دوشاخه به شبکه برق متصل و مجددا شارژ شود. در واقع PHEV داراي مزاياي خودرو برقي هيبريديHybrid Electric Vehicle(HEV) و خودرو تمام برقي به طور همزمان است . بر طبق تعريف انجمن سياست گذاري انرژي ايالات متحده IEEE خودرو PHEV را به عنوان يک خودرو هيبريدي تعريف ميکند که حداقل داراي اجزاء زير باشد:
١- يک باتري ذخيره ساز ٤ کيلووات ساعت يا بيشتر که قادر به حرکت درآوردن خودرو باشد؛
٢- توانايي قابليت شارژ باتري از يک منبع الکتريسيته خارجي؛
٣- توانايي حرکت خودرو تا ١٦ کيلومتر (١٠مايل ) در حالت الکتريکي کامل بدون مصرف بنزين [١].
بر مبناي آنچه بيان گرديد، مزاياي استفاده از خودروهاي PHEV، عبارت است از:
الف - راندمان بالا: بازده خودروهاي برقي درمقايسه با خودروهاي احتراق داخلي چند برابراست . چنانچه در شکل (١) مشهود است ، راندامان خودروهاي احتراق داخلي حدود ٣٠٪ ميباشد. ولي، خودروهاي برقي راندمان الکتريکي حدود ٨٥٪ دارند. ازطرفي خودروهاي هيبريدي داراي مدارهاي الکترونيک قدرت ميباشند که قادر به بازيابي انرژي چرخ ها هنگام ترمز به باتري است . درحاليکه ، درموتورهاي احتراق داخلي چنين امکاني فراهم نيست و اين انرژي به طورکامل تلف مي شود. همچنين در بسياري موارد، مثلا در پشت چراغ قرمز موتورهاي احتراق داخلي مجبورند درجا کار کنند و در نتيجه انرژي زياد تلف ميشود.
درحاليکه انرژي تلف شده در هنگام توقف خودرو براي خودروهاي برقي صفر است . چون ، در موقع توقف خودرو، مدار کاملا قطع شده و انرژي مصرف نميشود. بنابراين در مسافرتهاي درون شهري که اتومبيلها پيوسته درحال ترمزکردن ميباشند و يا وقت زيادي را پشت چراغ قرمز ميگذرانند، بازدهي اتومبيلهاي
هيبريدي برقي بسيار بيشتر است .
شکل ١: مقايسه بازده خودروهاي درون سوز و الکتريکي [٢].
ب - کاهش هزينه سوخت و گازهاي گلخانه اي : ازآنجاييکه انرژي مصرفي اين خودروها برق ميباشد که يک انرژي پاک محسوب ميشود، بکارگيري اين خودروها در حمل ونقل موجب کاهش توليد گازهاي گلخانه اي ميشوند. همچنين با توجه به افزايش قيمت نفت و سوختهاي فسيلي قيمت تمام شده براي تهيه انرژي مورد نياز آنها کمتر است . قيمت خودرو و هزينه سوخت آن دو عامل تأثيرگذار در سرمايه گذاري جهت خريد خودرو ميباشند. ميزان مصرف سوخت خودرو علاوه بر افزايش هزينه هاي مالکان خودرو بر روي مسائل زيست محيطي نيز تأثيرگذار است . مقايسه قيمت خودرو و ميزان هزينه سوخت خودرو بر مبناي انواع خودروها در شکل (٢) مشهود است . بر مبناي اين شکل هزينه سوخت خودروهاي بنزيني استاندارد از حدود ٣٥ مايل بر بشکه به بيش از ٥٣ مايل بر بشکه با فرض بکارگيري تکنولوژيهاي نيمه هيبريد و ميکرو هيبريد در آنها تا سال ٢٠٢٥ ميرسد. متوسط قيمت نيز از ٢٥٠٠٠ دلار در سال ٢٠١٢ به ٢٧٠٠٠ دلار ميرسد. حال آنکه براي خودروهاي PHEV با توجه به اين امر که خودرو PHEV10 در حدود ٢١% و خودرو PHEV40 در حدود ٥٨% مسافت روزانه را در حالت تمام الکتريکي طي مينمايند در مصرف سوخت آنها صرفه جويي ميشود و بازده مصرف سوخت در آنها به دليل استفاده از برق ١٢ سنت در کيلووات بر مبناي قيمت برق سال ٢٠١٢ بالا است .
همچنين با توجه به پيشرفتهاي حاصل شده در ساخت باتري، قيمت اين خودروها در حال کاهش است . در مقايسه با خودروهاي بنزيني معمول مصرف سوخت سالانه آنها در حدود ١٠٠ و ١٥٥ بشکه براي PHEV١٠ و PHEV٤٠ کمتر است .
شکل ٢: مقايسه قيمت خودرو و ميزان هزينه سوخت خودرو(خطوط توپر بيانگر هزينه سوخت و خطوط خط چين بيانگر قيمت خودرو است .)[٣]
٢- اثرات شارژ خودروهاي برقي بر روي شبکه
در يک سيستم قدرت خودروهاي الکتريکي مي توانند به عنوان فرصت يا تهديد باشند. به عبارتي در صورت شارژ ناهماهنگ اين خودروها که به ويژه در زمان برگشت صاحبان خودرو به خانه که همزمان با پيک بار شبکه است ، مي تواند شبکه
را با اضافه بار روبرو سازد[ ٤].
شکل ٣: شارژ خودروهاي برقي در ساعات غير پيک که منجر به متعادلسازي بار شبکه ميگردد[٥].
از آنجا که زمان دسترسي به اين خودروها براي شارژ بيش از مدت زمان مورد نياز جهت شارژ آنها ميباشد، جهت اجتناب از اعمال اين اضافه بار به شبکه قدرت ميتوان زمان شارژ آنها را به ساعات غير پيک انتقال داد. در مرجع شماره [٦] اثرات خودروهاي برقي بر شبکه برق با استفاده از برنامه کامپيوتري RECAPS مورد بررسي قرار گرفته و راه حل زمانبندي شارژ خودروهاي برقي با هدف پرکردن دره هاي منحني بار روزانه را ارائه قيمت هاي مختلف براي برق در ساعات مختلف روز جهت تشويق صاحبان خودرو به شارژ خودروها در ساعات کم باري پيشنهاد داده شده است .
٢-١- استراتژيهاي شارژ بهينه خودروهاي برقي
به طور کلي استراتژيهاي شارژ بکارگرفته شده براي PHEV ها به دو دسته تقسيم ميشوند:
الف - استراتژيهاي شارژ هماهنگ :در اين روش اپراتور مرکزي تعيين ميکند که هر PHEV در چه زمان و به چه ميزاني بايست شارژ شود. تصميم گيري فقط بر اساس ملاحظات مرتبط با سيستم قدرت و يا گاهي بر اساس ملاحظات مرتبط با خودرو مانند SOC نهايي، فواصل زماني شارژ و يا بودجه انجام ميگيرد. اين استراتژي در جهت دستيابي به الگوي بهينه شارژ مجموعه اي از خودروها و به صورت هماهنگ است . به عنوان مثال در مرجع [٧] شارژ هماهنگ PHEV ها با هدف کمينه کردن هزينه ها و توليد گازهاي گلخانه اي بر مبناي قيمت زمان واقعي انرژي مورد مطالعه قرار گرفته است . در مرجع شماره [٨] با استفاده از تکنيک شبيه سازي حمل و نقل MAT-SIM و ميزان تقاضاي برق و با فرض پياده سازي سيستم دو تعرفه قيمت برق شارژ PHEV ها به صورت هماهنگ مورد بررسي قرار گرفته است .
ب - استراتژيهاي شارژ ناهماهنگ يا توزيع شده :در اين روش هر خودرو داراي الگوي شارژ مخصوص به خود ميباشد. تعيين زمان شارژ خودرو به عواملي نظير زمان و يا قيمت انرژي بستگي دارد.
نتيجه شارژ ناهماهنگ بر اساس اطلاعات و روشهاي مورد استفاده ممکن است بهينه باشد يا نباشد. در مرجع شماره [٩] با پيش بيني قيمت برق و استفاده از روشهاي برنامه ريزي پويا به برنامه ريزي شارژ خودروها به نفع مالکان آن پرداخته است .همچنين در مرجع شماره [١٠] به برنامه ريزي شارژ خودروهاي برقي به طور مستقل بر مبناي قيمت هاي غير خطي انرژي پرداخته است .
٣- برنامه ريزي هوشمند شارژ و دشارژ خودروها
در اين بخش از مقاله به برنامه ريزي بهينه شارژ و دشارژ خودروها از ديدگاه شبکه با هدف کمينه سازي ميزان تلفات توان اکتيو ميپردازيم . بنابراين ابتدا به انتخاب شبکه توزيع و بيان محدوديتهاي مربوط به آن جهت مبادله توان با PHEV ها پرداخته ميشود. سپس محدوديتهاي خودرو بيان و در نهايت تابع هدف مربوطه ميگردد. همچنين جهت بهينه سازي اين تابع هدف از الگوريتم بهينه سازي BPSO استفاده گرديده است .
٣-١- محدوديتهاي شبکه
شبکه نمونه مورد استفاده ، يک شبکه توزيع شعاعي ١٧ باس است که دياگرام تک خطي آن در شکل (٣) نشان داده شده است . اين سيستم از طريق پست موجود در شين شماره ١ تغذيه مي شود.
مشخصات اين شبکه شامل توانهاي اکتيو و راکتيو هر شين بار، مقادير امپدانس فيدرها از مرجع شماره [١١-١٢] اخذ گرديده است . جهت حل روابط غيرخطي بين ولتاژها و زواياي شينها و پخش توان روي فيدرها تحليل پخش بار جهت تعيين ميزان پروفيل ولتاژ و تلفات توان مورد استفاده قرار ميگيرد. بطورکلي روشهاي متداول پخش بار توزيع به سه دسته روشهاي مبتني برتکنيک نيوتن رافسون ،روشهاي مبتني برتکنيک ZBUS گوس و روشهاي ديناميکي (جاروي پسرو.پيشرو) تقسيم ميشوند. در اين پايان نامه از تکنيک نيوتن رافسون جهت انجام محاسبات پخش بار استفاده گرديده است [١٣-١٨] . از جمله قيود شبکه که بر مسئله برنامه ريزي خودروهاي الکتريکي تأثيرگذار است ، قيد مربوط به بهره برداري شبکه است . در اين قيود ولتاژ شيني که خودروي الکتريکي به آن متصل ميگردد ميبايست در محدوده مجاز خود
قرار گيرد. به بيان رياضي داريم :
که در رابطه (١)، Vminولتاژ کمينه شين ميباشد که براي شين بار ٠.٩٥ پريونيت و براي شين ژنراتوري به دليل حضور ادوات کنترل ولتاژ برابر با ٠.٩ پريونيت در نظر گرفته ميشود.
همچنين Vmaxولتاژ بيشينه شين ميباشد که برابر با ١.٠٥ پريوينت براي شين بار و ١.١ پريوينت براي شين هاي ژنراتوري ميباشد. البته وابسته به وضعيت و توپولوژي سيستم اين مقادير ميتواند بسته به تشخيص بهره بردار سيستم تغيير نمايد.
قيد ديگري که ميبايست در بهره برداري سيستم مورد توجه قرار گيرد و اتصال خودروي الکتريکي به شبکه ميتواند اين قيد را به خطا اندازد، قيد عملياتي حاکم بر يک شين ميباشد. در واقع توان تزريقي به يک شين نبايد از يک حد بيشتر باشد و اين حد را حد عملياتي شين بار گويند. به عبارت رياضي ميتوان نوشت :
که NL تعداد شين بارها ميباش.
در جداول (١)و(٢) اطلاعات مربوط به خطوط شبکه ١٧ شين و بارهاي متصل به شبکه آورده شده است .
شکل ٤: دياگرام تکخطي شبکه توزيع شعاعي ١٧ باس .
جدول شماره (٢) اطلاعات بارهاي متصل به شين هاي موجود در شبکه ١٧ شين ريزشبکه
٣-٢- محدوديتهاي خودروهاي برقي
در اکثر مطالعات ، ساعاتي از شبانه روز در نظر گرفته ميشود که خودروي الکتريکي قابل بهره برداري نميباشد و اين ساعات در واقع ساعات سفر هستند. در اين حالت ، خودروي الکتريکي نميتواند تبادل انرژي الکتريکي با شبکه داشته باشد. لذا قيد ساعات سفر ميبايست در مسئله برنامه ريزي خودروي الکتريکي مورد توجه قرار گيرد. بنابراين حضور خودروها با ١ و عدم حضور آنها با ٠ نمايش داده ميشود.
