بخشی از مقاله
چکیده
برای حل مشکلات ناشی از استفاده از خودروهای بنزینی، انتظار میرود که خودروهای الکتریکی رفته رفته جایگزین این خودروها شوند. از آن جایی که برای شارژ برخی خودروهای الکتریکی، باید آنها را به شبکه متصل کرد؛ با نفوذ این خودروها، بار جدیدی به شبکه برق معرفی خواهد شد که عدم کنترل آن، آثار نامطلوبی بر روی شبکه خواهد داشت.
در این مقاله پس از مدل کردن منحنی شارژ خودرو الکتریکی، تاثیر نفوذ آن بر دیماند شبکه در دو سناریو شارژ کنترل نشده و شارژ کنترل شده بررسی شدهاست. شارژ کنترل شده با هدف کمینه کردن هزینه برق مصرفی خانوار و با در نظر گرفتن برق سه تعرفهای صورت گرفتهاست. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که عدم کنترل زمان شارژ خودرو پیک دیماند را افزایش میدهد، در صورتی که در شارژ کنترل شده نه تنها پیک دیماند بیتغییر میماند، بلکه موجب مسطحتر شدن منحنی توان نیز میگردد.
-1 مقدمه
سالهاست که سوختهای فسیلی اصلیترین منبع تامینکننده انرژی در جهان هستند. اما نگرانیهای ناشی از نوسانات قیمت، امنیت انرژی و هم چنین مسائل زیستمحیطی مانند انتشار گازهای گلخانهای ناشی از سوزاندن این سوختها، باعث شدهاست که صنایع مختلف به دنبال جایگزینی برای سوختهای فسیلی باشند
بخش حملونقل یکی از عمدهترین مصرفکنندگان سوختهای فسیلی به ویژه نفت میباشد. سهم این بخش از کل نفت مصرفی جهان در سال 2012، 63,7% گزارش شدهاست.[3] همچنین 23% دی اکسید کربن تولید شده توسط سوختهای فسیلی در سال 2012 مربوط به این بخش بودهاست .[4] جایگزینی خودروهای احتراق داخلی مرسوم با خودروهای الکتریکی هیبریدی - HEV - ، خودرو الکتریکی هیبرید قابل اتصال به شبکه - PHEV - و خودرو تمام الکتریکی - BEV - از بهترین راهحلها برای حل مسائل زیستمحیطی و اقتصادی در بخش حملونقل میباشد .[5] با توجه به مزایای خودروهای الکتریکی انتظار میرود که تعداد آنها در چند دهه آینده به سرعت افزایش یابد. پیشبینی شدهاست که درسال 2022، بیش از 35 میلیون خودرو الکتریکی در جادهها وجود داشتهباشد .
EVها و PHEVها برای شارژ باتریشان باید به شبکه برق متصل شوند. بنابراین با نفوذ گسترده این خودروها، عملکرد سیستم قدرت به خصوص در شبکه توزیع تغییر خواهدکرد. شارژ کنترل نشده باتری میتواند موجب آثار نامطلوبی مانند اضافه بار، اضافه ولتاژ، افزایش تلفات، بار نامتعادل، هارمونی ک و ناپایداری شود 5] و .[7 با مدیریت سمت بار نه تنها میتوان از بروز چنین مشکلاتی جلوگیری کرد، بلکه منحنی توان نیز مسطحتر میشود و از ظرفیتی از شبکه که تنها برای پاسخگویی به پیک توان نصب شدهاست و تنها در مدت زمان بسیار محدودی از سال از آن استفاده میشود، بهره بیشتری برد .
مطالعات زیادی در زمینه تجمیع خودروهای الکتریکی با شبکه قدرت انجام گرفتهاست. در [9] اثر شارژ PHEVها بر روی سیستم توزیع ارزیابی شدهاست. در این مطالعه پروفیل شارژ بهینه با هدف کمینه کردن تلفات محاسبه شده و از آنجایی که پیشبینی دقیق بارهای خانگی ممکن نیست از یک برنامه آماری برای پیشبینی آن استفاده شده است. در [10] یک روش برنامهریزی نوین جهت شارژ خودروهای الکتریکی با در نظر گرفتن محدودیتهای شبکه، ولتاژ و توان، در حالی که به نیازهای تک تک مصرفکنندگان نیز پاسخ داده میشود، پیشنهاد شدهاست و صحت روش پیشنهادی با شبیهسازی بر روی یک شبکه الکتریکی، تایید شدهاست. [11] به بررسی اثر شارژ کنترل نشده و کنترل شده PHEVها با محاسبه تلفات توان وانحراف ولتاژ در سه سناریو مختلف پرداختهاست.
در این مطالعه شارژ کنترل شده با هدف کمینه کردن تلفات بوده و از برنامهنویسی درجه دو و تکنیکهای برنامه نویسی دینامیک برای حل این مسئله بهینهسازی استفاده شدهاست. در [12] یک مطالعه موردی با در نظر گرفتن درصد نفوذ مختلف EVها و الگوهای شارژ متفاوت صورت گرفته که در آن حداکثر EVهایی که شبکه قدرت، بدون گرفتگی و با در نظر گرفتن معیار قابلیت اطمینان N-1، میتواند انرژی مورد نیاز آنها را هنگام شارژ تامین کند، تخمین زدهاست.
در رابطه با شبکههای کوچکتر، مراجع [13] و [14] بر روی تجمیع EV ها با ترانسفورمر توزیعی که انرژی تعداد کمی خانه را تامین میکند، کار کردهاند و روشهای کنترلی جدیدی برای برطرف کردن مشکل اضافه بار ترانسفورمر پیشنهاد دادهاند.
در روشی بر اساس پاسخ به قیمت برق در زمان مصرف، برای کنترل شارژ خودرو الکتریکی پیشنهاد شدهاست. هدف بهینهسازی در این مطالعه کمینه کردن هزینه شارژ بوده و از روش استعماری برای بهینه کردن هزینه شارژ، با در نظر گرفتن وضعیت شارژ - SOC - و توان قابل قبول برای شارژ باتری، استفاده شدهاست. مقایسه نتایج شارژ بهینه با شارژ کنترل نشده نشان میدهد که شارژ کنترل شده علاوه بر کمینه کردن هزینه شارژ موجب افزایش تقاضا در زمانهای کم باری و در نتیجه مسطحتر شدن منحنی توان میشود.
در این مقاله الگوریتمی برای مدیریت شارژ خودرو الکتریکی و افزایش پایداری سیستم مورد ارزیابی قرار گرفتهاست. در ابتدا مدلی برای دیماند خودرو الکتریکی ارائه شدهاست، در گام بعدی دو سناریوی متفاوت برای شارژ خودروی الکتریکی بیان شدهاست. این دو سناریو بر روی سیستم نمونه متشکل از 1000 خانه مورد بررسی قرار گرفته و در انتها برتری شارژ کنترل شده خودرو الکتریکی و هوشمندسازی منازل در افزایش پایداری سیستم نشان دادهخواهد شد.
-2 مدل خودرو الکتریکی
توان مصرفی خودرو الکتریکی وابسته به مشخصه دشارژ باتری و الگوی رانندگی صاحب خودرو است .[6] خودرو الکتریکی در نظر گرفته شده در این مقاله Nissan Altra میباشد که باتری آن از نوع لیتیوم -یون است .[16] در شکل 1، SOC و میزان دیماند خودرو الکتریکی بر حسب زمان شارژ باتری نشان داده شده است .[17] همانطور که در شکل مشاهده میشود، مدت زمان مورد نیاز برای شارژ باتری 5 ساعت است. دیماند خودرو الکتریکی وابسته به نقطه شروع شارژ و SOC اولیه است.
در معادله - 1 - ، رابطه دیماند خودرو بر حسب نقطه شارژ بیان شده است.
در رابطه بالا، f - x - دیماند را بر حسب کیلووات و x نقطه شارژ را بر حسب دقیقه مشخص میکند. از سوی دیگر بنابر شکل نشان داده شده رابطه SOC و نقطه شارژ از معادله - 2 - به دست میآید.
در معادله - 2 - ، SOC بر حسب درصد و x بر مبنای دقیقه است. معکوس این تابع، رابطه x بر حسب SOC را بیان میکند که در معادله - 3 - نشان داده شده است.
معادله - 3 - مبنایی برای محاسبه x0، نقطه شارژ اولیه، بر حسب soc0، وضعیت شارژ اولیه، است. وضعیت شارژ اولیه خودرو را می توان توسط توزیع نرمال، معادله - 4 - ، مدل کرد .[18]
در این معادله، μ میانگین وضعیتهای شارژ اولیه و σ انحراف معیار این دادهها را نشان میدهد. بنابر [19]، مسافتی که خودرو الکتریکی می تواند طی کند، متناسب با SOC آن است؛ بنابراین μ را می توان از رابطه - 5 - به دست آورد.
شکل:1 مشخصه شارژ باتری Nissan Altra - لیتیوم-یون -
در رابطه - - 5، Range برد خودرو الکتریکی هنگامی که باتری آن کاملا شارژ شده را مشخص میکند، که این مقدار بنابراین برابر 140 مایل است.
میانگین مسافت طی شده روزانه، به بیان دیگرمیانگین مسافتی که یک خودرو در یک روز طی می کند، است. این مقدار برای خودروها در سال 2001 برابر 32,73 مایل گزارش شده است .[20] از آن جایی که امروزه مسافت بیشتری با خودروها پیموده می شود، این مقدار در این مقاله 35 مایل در نظر گرفته شده است. با جایگزینی این مقادیر در رابطه - 5 - مقدار برابر % 75 به دست میآید. بنابراین توزیع نرمال soc0، با مقادیر میانگین 0,75 و فرض انحراف معیار 0,1 مشخص میشود.
میزان دیماند هر خودرو الکتریکی به عنوان تابعی از زمان شارژ در 24 ساعت، نقطه شارژ باتری و وضعیت شارژ اولیه در معادله - 6 - نشان داده شده است.
زمان شارژ در طول روز بر حسب دقیقه در بازه 0 تا 1440 دقیقه قرار میگیرد. تابع f - x-t - همان تابع نشان داده شده در شکل 1 می باشد که منطبق بر زمان روزانه انتقال یافته است. x0 با معلوم بودن soc0 از معادله - 3 - محاسبه می گردد، و میزان soc0 خودروها با توجه به توزیع نرمال معادله - 4 - و مقادیر میانگین و انحراف معیار ذکر شده، به دست میآید.
-3 سناریوهای شارژ خودرو الکتریکی
در این مقاله دو سناریو متفاوت برای شارژ خودرو الکتریکی در نظر گرفتهشدهاست، که در بخش بعدی به تفصیل توضیح داده خواهند شد. در سناریو اول، خو دروهای الکتریکی پس از رسیدن به خانه شارژ میشوند و زمانی برای شارژ خودرو الکتریکی انتخاب نمیشود. در سناریو دوم، زمان شارژ خودرو الکتریکی بر مبنای قیمت برق انتخاب میشود تا هزینه برق خانوار به مینیمم مقدار ممکن کاهش یابد.
دیماند مجموعه خودروهای الکتریکی اضافه شده به سیستم از معادله - 7 - به دست میآید.
در این رابطه k، تعداد خودروهای الکتریکی را نشان میدهد. اندیس i نمایانگر شماره خودرو الکتریکی بوده و Ptotal دیماند کل خودروهای الکتریکی را مشخص میکند.
-1-3 سناریو اول: شارژ کنترل نشده
در این حالت، هیچگونه مشوقی برای تعیین زمان شارژ خودرو الکتریکی در نظر گرفته نشده است؛ بنابراین خودروهای الکتریکی پس از رسیدن به منزل شارژ خواهند شد. زمان رسیدن به خانه خودروهای الکتریکی، tarrival با توزیع نرمال مطابق معادله - 8 - مدل میشود
در این رابطه برابر 17 و برابر 2,8 است؛ از سوی دیگر زمانهای بین 0 تا 10 به عنوان زمان رسیدن به خانه قابل قبول نیستند و در صورت وجود در دادهها با زمان دیگری جایگزین میشوند.
-2-3 سناریو دوم: شارژ کنترل شده
در این مقاله، معیار و مشوق اصلی برای تعیین زمان شارژ خودرو الکتریکی، زمان مصرف - TOU - است. این معیار بر اساس زمان کمباری، میانباری و اوجبار قیمتهای متفاوتی را برای مصرفکننده تعیین میکند. بر این اساس قیمت در این سه بازه زمانی در ایران 150، 300 و 600 ریال بر کیلووات ساعت است - این قیمت بر مبنای پلکان اول مصرف سی روزه یعنی در بازه 0 تا 100 کیلووات ساعت تعیین شده است - .[22] در نیمه اول سال، ساعات کمباری، میانباری و اوج بار به ترتیب برابر 23 تا 7، 7 تا 19 و 19 تا 23 تعریف شدهاست؛ به همین صورت در نیمه دوم سال، ساعات کمباری در بازه 21 تا 5، ساعات میانباری در بازه 5 تا 17 و ساعات اوج بار در بازه 17 تا 21 قرار دارند
در بستر شبکه هوشمند و در یک خانه هوشمند، برنامه مدیریت انرژی به گونهای تنظیم میشود که هزینه برق مصرفی خانه را به حداقل ممکن برساند و این مهم در زمینه خودروهای الکتریکی از طریق تعیین زمان شارژ خودرو الکتریکی ممکن خواهد شد؛ بنابراین در رابطه - 9 - بایستی زمان به گونهای انتخاب شود که هزینه مینیمم شود.
در رابطه - 9 - ، M - t - هزینه برق، P - t - دیماند خودرو الکتریکی، t0 و t1 به ترتیب زمان شارژ و زمان خروج خودرو الکتریکی را مشخص مینمایند. زمان خروج خودرو الکتریکی، tleaving از خانه با یک توزیع نرمال مطابق معادله - 10 - مدل می-شود.
