بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بکارگیری تکنولوژی ارتباط دو طرفه خودروهای الکتریکی (V2G)،جهت جبران توان راکتیو شبکه
چکیده — با گسترش خودروهای الکتریکی و شبکههای هوشمند، تبادل دوطرفه انرژی ذخیرهی خودرو با شبکه (Vehicle to Grid) یا (V2G) اجتناب ناپذیر خواهد بود. این مقاله با معرفی این تکنولوژی و بیان مزایا و معایب آن به موضوع استفاده از انرژی ذخیرهای در این خودروها جهت جبران توان راکتیو شبکه پرداخته است. نتایج شبیهسازیهای انجام شده در محیط نرم افزار MATLAB بر روی یک شبکه 12 شینه هنگام نوسان ولتاژ و همچنین بروز خطا در یک شین خاص، نشان میدهد که چگونه با استفاده از انرژی نهفته در این خودروها و تزریق توان راکتیو به شبکه در پایداری شبکه نقش موثری ایجاد میکنند.
واژههای کلیدی — شبکه ی هوشمند، خودروهای الکتریکی، شارژ هماهنگ، توان راکتیو، V2G
.1 مقدمه
اخیرا در کشورهای دارای خودروهای برقی (PEV) حوزهی جذابی برای تحقیقات دانشمندان بوجود آمده است. مهمترین ویژگی جذاب این حوزه کاهش مصرف سوختهای بنزینی و بالطبع کاهش انتشار گازهای گلخانهای در مقایسه با خودروهای معمول میباشد.[1] خودروهای الکتریکی با مجموعه باتریهای با ظرفیت بزرگ میتوانند با شارژ از منابع تغذیه شبکه برق این امر را محقق سازند. به علاوه با استفاده از ارتباط دو طرفه انتقال انرژی بین خودروی برقی و شبکه برق (Vehicle to Grid)، مجموعهی خودروهای برقی میتوانند به عنوان منابع تولید پراکنده (DG) عمل کنند تا در مواقع مورد نیاز انرژی را به شبکه یا بارهای مصرفی تحویل دهند. برای اینکه بتوان خودروهای برقی را به عنوان DG درنظر بگیریم اندازه گیری هوشمند (Smart meter) دوطرفه، هم برای اندازه گیری انرژی شارژ شده در خودرو و هم برای اندازهگیری انرژی داده شده به شبکه از طرف خودرو مورد نیاز است » .[2]شکل «1 خودروهای الکتریکی و شارژ آنها را در یک شبکه هوشمند نشان میدهد:
خاصیت قابل پیشبینی بودن این خودروها به طور موفقیتآمیزی میتواند در انتقالات V2G مورد استفاده قرار گیرد. در طی عملیات V2G مجموعهی PEV ها میتوانند خدمات شبکهای زیادی را فراهم کنند، مثل تنظیم و رزرو چرخان ، تنظیم سطح بار، استفاده به عنوان ذخیره خارجی برای منابع تجدیدشونده و تولید سود با خرید و فروش برق در زمانهای مختلف مطابق با منحنیهای متغیر قیمت. اما کاربرد مهم دیگری که این پارکینگهای هوشمند خودرو قابلیت انجام آن را دارا میباشند تقویت توان راکتیو است. PEV ها در حالی که در ایستگاههای شارژینگ پارک شدهاند حاوی مقادیر فراوانی توان اکتیو و راکتیو نهفته بوده و میتوانند برای برآوردن نیازمندیهای شبکه بدون هزینه زیر بنایی جدی مورد استفاده قرار گیرند. مهمتر از همه، مزیت دیگر توان راکتیو آن است که میتواند بدون کاهش دادن حالت شارژ باتری (SOC) به شبکه ترزیق شود.[3]
.2 جبرانسازی توانراکتیو
ولتاژ سیستم قدرت, در حالت ایده ال باید متعادل باشد. متعادل بودن در این جمله عبارت از برابری دامنه آنها و اختلاف فازی 120 درجه آنها از همدیگر است. درعمل با وجود این که فقط ولتاژهای ژنراتورها این معیار و شرایط را تامین میکنند ولتاژ جاری در شبکه ممکن است نامتعادل بوده و دچار اختلال باشد. تاثیر ولتاژ نامتعادل در شبکه, شامل افزایش تلفات در سیستم قدرت و عملکرد نامناسب مبدل های ادوات الکترونیک صنعتی و درایوهای القایی است.
بر همین اساس لزوم کنترل توان راکتیو مطرح می شود.کنترل توان راکتیو از نکته های اساسی در بهبود کیفیت توان در سیستم های قدرت است بطوریکه عدم کنترل مناسب توان راکتیو موجبات افزایش تلفات انتقال,کاهش قابلیت اطمینان و کاهش تنظیم ولتاژ در انتهای بار را فراهم می کند. ادوات سیستم انتقال انعطاف پذیر (FACTS) AC برای کنترل دینامیکی ولتاژ، امپدانس و زاویه بار خطوط ولتاژ بالای AC به کار میروند. این ادوات گران قیمت قابلیت جبران سازی توان راکتیو مورد نیاز شبکه را دارا میباشند. از انواع ادوات FACTS بکار رفته برای دستیابی به اهداف فوق میتوان به UPFC, STATCOM, TCSC, SVC و ... اشاره کرد.[4]
ما در این مقاله به بررسی استفاده از انرژی بالقوهی موجود در پارکینگهای هوشمند خودروهای الکتریکی جهت جبران توان راکتیو مورد نیاز شبکه میپردازیم تا ضمن استفاده از این انرژی بالقوه از بکار بردن ادوات FACTS که هزینهی بالایی دارند جلوگیری کنیم. در این قسمت، نتایج حاصل از اعمال شارژ هماهنگ خودروهای برقی در تامین توان راکتیو شبکه مورد مطالعه قرار گرفته و با مدلسازی در نرم افزار MATLAB/Simulink انجام گرفته شده است.
1.2. شبکه قدرت مورد مطالعه
دیاگرام تک خطی شبکه قدرت مورد مطالعه در »شکل «2 نشان داده شده است:
این شبکه 12 باسه (شش باس 230kV، دو باس 345kV و چهار باس (22kV در فرکانس 60 هرتز کار میکند. این شبکه آزمایش, سه منطفه جغرافیایی (منطقه 1، 2 و (3 را پوشش میدهد. منطقه یک عموماً شامل ژنراتورهای آبی است. منطقه دو به عنوان یک سیستم انتقال مابین منابع نصب شده در منطقه یک و بار (منطقه سه) در نظر گرفته شده است. برخی منابع نیز در این منطقهی بار نصب شدهاند. لیکن ظرفیت تولیدی آنها برای تغذیه بار کافی نیست. فاصله مناطق یک و سه در حدود 500km است.منطقه دو نیز دارای ظرفیت محدودی برای تولید انرژی میباشد. انرژی مورد نیاز میبایست از شبکه انتقال 230kV عبور کند (به غیر از ارتباط بین نواحی یک و سه که با یک خط انتقال 345kV بین باسهای هفت و هشت مدل شده است) . منطقه دو و سه دارای خازن های موازی جهت حفاظت ولتاژ می باشند.
همانطور که در »شکل «3 نشان داده شده است، به منظور جبران دقیق توان راکتیو شبکه، 10 واحد پارکینگ هوشمند PL1) تا (PL10 به صورت مجتمع در باس چهار از ناحیه سه نصب شده است که در حالت عادی باس چهار کمترین ولتاژ را دارد.
2-2 مدل Smartpark
مدل Smartpark در این مقاله توسط یک باتری بر طبق یک مبدل دوسویه ی سه فاز که در »شکل«4 نشان داه شده است، نمایش داده می-شود. اینورتر یک ولتاژ سه فاز 208 rms ولت (خط به خط) ایجاد می کند که سپس از یک ترانسنفورماتور افزاینده 208V/22KV می گذرد و به شین Smartpark متصل می شود. بین مبدل و ترانسفورماتور یک اندو کتانس کوچک (0/5mH) گذاشته شده است. کنترل های Smartpark (اینورترها) طوری طراحی شده اند که قادر به تبادل توان 30MW با شبکه میباشند. با در نظر گرفتن این موضوع که قابلیتهای تبادل توان میانگین خودروهای مدنظر ±30kW میباشد هرکدام از این پارکینگهای خودروها تقریبا حاوی 1000 خودرو درنظر گرفته شده اند تا توان 30MW از هر کدام از Smartpark ها به دست آید.
در این جا برای توان خودروها علامت + به معنای آن است که خودرو در حال فروش توان به شبکه است. یعنی این که در حالت تخلیه به سر میبرد و علامت – نشان میدهد که در حال خرید توان از شبکه است یا اینکه در حالت شارژ به سر می برد. استراتژی کنترلی برای Smartpark در »شکل «5 نشان داده شده است.
در قاب مرجع d-q توان های اکتیو و راکتیو خارج شده از اینورتر به صورت زیر میباشند :
:P توان اکتیو خروجی از اینورتر
:Q توان راکتیو خروجی از اینورتر
در یک قاب مرجع دوار سنکرون ولتاژ خط به خنثی روی محور q میافتد و 0 می باشد. بنابراین اساس عملکرد سیستم کنترل، فرمان دادن به جریانهای متناظر با توان مورد تقاضا میباشد و به صورت زیر بیان میشود:
جزء اول سمت راست (3) و (4) بر پایه معادلات توان (1) و (2) بوده و Vpeak ولتاژ پیک فیلتر شده خط به خنثی است. این جزء پاسخ های سریع به تغییرات ناگهانی در توان در خواستی را ایجاد می کند. عبارت انتگرالی خطای حالت ماندگار را از بین می برد. همانطور که در »شکل«5 نشان داده شده، محدودیتی روی جریان فرمان داده شده گذاشته شده که برای جلوگیری از جاری شدن جریان بزرگ در اینورتر و باتری خودرو در طی انتقالات شبکه می باشد. براساس قابلیت توان اکتیو و راکتیو یک خودروی مشخص مدل Smartpark بسط داده شده است. یک مدل مشابه باتری-اینورتر یک Smartpark شامل صدها خودرو را نشان می دهد »شکلSmartpark .«7 از طریق یک ترانسفورماتور افزاینده 208V/22KV به باس Smartpark مربوطه وصل شده است. مقادیر اینورتر و پارامترهای کنترل بر طبق آن تصحیح می شونددر. یک شهر معمولی کاملاً منطقی است که فرض شود انبوه پارکینگ ها (در فروشگاهها و مراکز خرید، فرودگاهها و غیره) وجود دارند به طوری که در شهر با فواصل یک تا چند کیلومتری, با تعداد خودروهای برابر و یا حتی بزرگتر توزیع شده اند. قابلیت های توان راکتیو هر خودرو نیز به اندازه ±30kVar طراحی شده اند و لذا توان ±30MVar از هر ایستگاه پارکینک انتظار میرود. وقتی Smartpark ها در حالت کنترل ولتاژ بکار برده شوند یک
