چکیده: وسیله نقلیه الکتریکی یک بار بزرگ (و گاهی اوقات یک ژنراتور نیز) را تشکیل می دهد که مقاومتی نیست اما احتمالاً دارای ویژگی غیرخطی است. این ممکن است بر کیفیت برق شبکه توزیع تأثیر بگذارد و احتمالاً باعث ایجاد مزاحمت جدی برای سایر مصرف کنندگان شود. اگر قبل از گسترش رونق وسایل نقلیه الکتریکی به این امر رسیدگی نشود، ممکن است آسیب جدی رخ دهد.
کلمات کلیدی: کیفیت توان، THD، یکسو کننده، هارمونیک
فهرست
معرفی
تقاضا برای وسایل نقلیه الکتریکی قطعا در آینده افزایش خواهد یافت تا میزان انتشار CO ۲ کاهش یابد و همچنین استفاده از انرژی های تجدیدپذیر افزایش یابد. منابع انرژی فسیلی کاهش می یابد و بنزین قبل از پایان یافتن گرانتر و گرانتر می شود. اگر یک باتری با ارزش متوسط معرفی شود، مقدار وسایل نقلیه الکتریکی منفجر می شود. حجم عظیمی از خودروهای الکتریکی شامل منابع انرژی زیادی است و در کنار شارژ ممکن است برای تغذیه برق در شبکه نیز استفاده شود. تأثیرات بر کیفیت توان شبکه در هر دو مورد در مورد هارمونیک کاملاً مشابه خواهد بود، اما افت ولتاژ در برخی موارد به عنوان نوسان ولتاژ تبدیل می شود. این امکان وجود دارد که محدودیت های EN 50160 [1] همیشه به دلیل این روند برآورده نشوند.
اندازه بار
یکسو کننده ها را می توان به روش های مختلفی ابعاد داد، اما اصول اولیه احتمالی برای اندازه گیری اندازه فیوز تغذیه خواهد بود. احتمالاً هنگام شارژ وسایل نقلیه از حداکثر توان استفاده می شود زیرا در این صورت زمان شارژ کوتاه ترین خواهد بود. با این حال در بسیاری از موارد حداکثر منبع تغذیه یک فاز با فیوز ۱۰ A است. بنابراین حداکثر توان شارژ ۲٫۳ کیلو وات است. اگر خودرو به طور متوسط ۵۰ کیلومتر در روز رانندگی می کند، تقریباً به ۱۰ کیلووات ساعت نیاز دارد که تا ۴ ساعت زمان شارژ می شود. مقدار زیادی از عدم قطعیت وجود دارد، اما با فرض اینکه ۴۰٪ از خودروها ممکن است بین ساعت ۴ بعد از ظهر تا ۱۰ شب به شبکه متصل شوند. اگر با استفاده از فنلاند، به عنوان مثال، این تقریباً با ۲٫۱۲ میلیون خودروی سواری به حداکثر توان ۲۰۰۰ مگاوات P = زمانی که از نظر آماری همه خودروها به طور همزمان بارگیری نشده اند، می شود. اوج توان سالانه تقریباً Pm است= ۱۵۰۰۰ مگاوات، بنابراین می توان آن را افزایش قابل توجهی در نظر گرفت. با این حال، این اوج قدرت معمولاً در صبح‌های زمستان اتفاق می‌افتد، بنابراین نیاز به ظرفیت نیروگاه بر این اساس افزایش نمی‌یابد. در صورت طراحی هوشمندانه، می توان از این وسایل نقلیه برای تغذیه شبکه نیز استفاده کرد. هر دو مورد مشکل ساز هستند زیرا ویژگی بار مقاومتی نیست بلکه غیر سینوسی است. بار تقریباً ۱۵ درصد حداکثر بار را نشان می دهد. بنابراین ممکن است بار در کشورهای دیگر به طور قابل توجهی بیشتر باشد.
مشخصه بارگیری
هنوز مشخص نیست که چه نوع شارژی برای خودروهای الکتریکی آینده مونتاژ خواهد شد. در اینجا دو نوع مختلف برای یافتن محدودیت هایی که می توان به آنها دست یافت مورد مطالعه قرار می گیرد [۲]. هارمونیک های ولتاژ و جریان در جدول ۱ و همچنین جریان ها در جدول ۲ نشان داده شده است. هارمونیک ولتاژها فقط دارای خصوصیت تصویری هستند، در حالی که این ارقام به خصوصیات شبکه تامین نیز بستگی دارند [۲].
جدول ۱٫ هارمونیک در ولتاژ تغذیه
| u ۱ [%] | u ۳ [%] | u ۵ [%] | u ۷ [%] | u THD [%] |
| ۱۰۰ | ۲،۱ | ۱,۰ | ۰,۷ | ۲،۱ |
جدول ۲٫ هارمونیک در جریان عرضه
| من ۱ [%] | من ۳ [%] | من ۵ [%] | من ۷ [%] | i THD [%] |
| ۱۰۰ | ۷۹،۵ | ۴۸,۰ | ۱۹,۰ | ۹۵,۰ |
سایر ویژگی های شارژر (خودرو B) در شکل ۲ نشان داده شده است.
هارمونیک های شبکه
مقدار کمی از خودروهایی که باید شارژ شوند، شبکه را مختل نکنید همانطور که در جدول ۱ مشاهده می شود، که در آن محتوای هارمونیک به طور قابل توجهی کمتر از استاندارد EN 50160 است. اما وقتی مقدار بیشتری از شارژرها وصل می شوند، تأثیر آن بیشتر خواهد بود. البته ولتاژ فرکانس پایه نیز مانند بار مقاومتی کمی کاهش خواهد داشت. اما جریان های هارمونیک به شبکه جریان می یابد و امپدانس شبکه X i را برآورده می کند (مقاومت در اینجا نادیده گرفته شده است). این فرکانس خطی در نظر گرفته می شود که نشان می دهد بانک های خازن متصل نیستند. در برخی موارد ممکن است رزونانس ایجاد کنند و مقادیر عددی شبیه سازی که بعدا نشان داده شده است ممکن است به طور قابل ملاحظه ای بالاتر باشد. اگر منبع U n = ۲۰ کیلو ولت با جریان اتصال کوتاه I k = 5 kA معرفی کنیم، می توانیم امپدانس شبکه را روی U n ثانویه تعریف کنیم.ضلع ۴۰۰ ولت = X Q1 = ۰,۴ mΩ، امپدانس Sn = ۱۰۰۰ کیلو ولت آمپر معمولاً دارای X T1 = ۸,۸ mΩ است. امپدانس کل در فرکانس f ۱ = ۵۰ هرتز را می توان X ۱ = ۹٫۲mΩ در نظر گرفت. شبیه سازی درجه بار ۵۰ درصد با نتایج نشان داده شده در جدول ۳ مطالعه شده است.
جدول ۳٫ هارمونیک در ترانسفورماتور ثانویه
| من | من من [A] | X i [mΩ] | U i [V] |
| ۱ | ۷۲۱,۷ | ۹،۲ | ۶،۶ |
| ۳ | ۶۸۵,۶ | ۲۷,۶ | ۱۸،۹ |
| ۵ | ۳۴۶،۴ | ۴۶,۰ | ۱۵،۹ |
| ۷ | ۱۳۷،۱ | ۶۴,۰ | ۸،۸ |
این باعث محتوای هارمونیک کل می شود
که U THD = ۱۱، ۴٪ را می دهد، که در مقایسه با استاندارد EN 50160 بسیار زیاد است، که در آن THD حداکثر ۸٫۰٪ تعریف شده است. مقادیر مجزا در مقادیر f ۳ = ۱۵۰ هرتز و f ۵ = ۲۵۰ هرتز بسیار زیاد هستند حتی بار فقط ۵۰٪ از مقدار اسمی ترانسفورماتور است. درصدها در جدول ۴ نشان داده شده است. مقدار زیاد هارمونیک سوم باعث جریان گردشی زیاد در سیم پیچ های ترانسفورماتور Dy-coupled و گرم شدن اضافی شد [۳].
جدول ۴٫ هارمونیک در ترانسفورماتور ثانویه
| من | U i [A] | U i [mΩ] | U ENi [V] |
| ۱ | ۶،۶ | ۲،۹ | – |
| ۳ | ۱۸،۹ | ۸،۲ | ۳,۰ |
| ۵ | ۱۵،۹ | ۶،۹ | ۶,۰ |
| ۷ | ۸،۸ | ۳،۸ | ۵,۰ |
اثرات بر اعوجاج ولتاژ در تصویر ۳ ارائه شده است، که در آن ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور در نیم بار ارائه شده است.
این مقادیر خیلی زیاد هستند که قابل قبول نیستند. بنابراین حداکثر بارگذاری ترانسفورماتور می تواند تقریباً ۳۰ درصد اسمی باشد و این باعث ایجاد مقدار هارمونیک بسیار بالایی نیز می شود.
بارگیری ترانسفورماتور
فراتر از بارگذاری محتوای هارمونیک مؤلفه شبکه نیز ضروری است. با استفاده از بارهای نیمه هادی نمی توان به بار اسمی رسید، اما کمتر است. بارگذاری ترانسفورماتور را نیز می توان تقریبی کرد [۳]:
ثابت “a” مخفف اثر پوست و “q” برای افزایش مقاومت متناظر است. مقادیر ثابت “a” تا حدی شناخته شده است، اما مقادیر “q” متاسفانه معمولاً در دسترس نیستند. از این رو استفاده از این فرمول دقیق نیست، اما برخی از تقریب ها را به دست می دهد. این معمولاً نشان می دهد که توان اکتیو اسمی ترانسفورماتور ممکن است در بالاترین حد تقریباً ۷۵٪ باشد. این بدان معنی است که اجزای شبکه بالاتر و چرخه عمر آنها کوتاهتر خواهد بود.
ارزش مالی این اثرات به راحتی قابل تعریف نیست، اما قابل چشم پوشی نیست. با این حال، کیفیت توان ثانویه ترانسفورماتور تقریباً در بارگذاری ۳۰ درصد در حد حداکثر استاندارد است، با این فرض که هیچ بار غیرخطی دیگری به طور همزمان جفت نشده است. حتی این ممکن است منجر به مشکلاتی برای سایر کاربران شود.
این مشکلات را می توان تا حدودی با فیلتر هارمونیک حل کرد، اما می توان آن را یک عمل بسیار گران قیمت در نظر گرفت. و نیاز به توان راکتیو با این رکتیفایرها حداقل است، بنابراین ضریب توان ممکن است به شدت خازنی شود و ممکن است یک مشکل فنی باشد و در بسیاری از موارد ممکن است تعرفه ها باعث قبوض بیش از حد برای کاربران شود. فیلتر هارمونیک فعال از نظر فنی راه حل بهتری است، اما هزینه سرمایه گذاری به طور قابل توجهی بالاتر است. اگر ترانسفورماتور ثانویه برای شارژ وسایل نقلیه الکتریکی استفاده شود، اصلاح ضریب توان معمولی حتی در صورت لزوم امکان پذیر نیست.
خواص یکسو کننده – Rectifier
شبیه‌سازی‌های قبلی با استفاده از یکسو کننده معمولی محاسبه شده‌اند که عملاً بدترین حالت را نشان می‌دهد. در صورتی که اعمال نوع دیگری که بسیار نزدیک به اثر کاراکتر سینوسی است به کیفیت توان بسیار کوچکتر است. آینده ناشناخته است، اما با استفاده از این دو تغییر می توان نتیجه گرفت که استفاده از نوع بسیار ابتدایی یکسو کننده، ممکن است اثراتی بر کیفیت توان بسیار جدی داشته باشد و در توزیع برق و به ویژه توسط مصرف کنندگان مشکلاتی ایجاد کند.
نتیجه گیری تأثیر خودروهای الکتریکی بر کیفیت برق شبکه توزیع
تعداد خودروهای برقی در آینده به شدت افزایش خواهد یافت. این امر باعث نیاز به تقویت شبکه توزیع می شود، اما در صورت استفاده از یکسو کننده های ساده در هنگام شارژ خودروها ممکن است مشکلات جدی در توزیع برق و برای مصرف کنندگان ایجاد کند. حل این مشکل در شبکه توزیع ممکن اما پرهزینه است. در صورت استفاده از یکسو کننده های پیچیده تر، می توان از این مشکلات تا حد زیادی جلوگیری کرد. این تنها در صورتی امکان پذیر است که این الزامات در استانداردها در نظر گرفته شود. از این رو مهم است که استانداردهای آینده در این زمینه به این سؤالات رسیدگی کنند تا از مشکلات جلوگیری شود.
بیشتر بخوانید:
- پایش کیفیت برق قسمت ۱: اهمیت اندازه‌گیری کیفیت توان مطابق با استانداردها
- درک کیفیت توان و اهمیت آن: اطمینان از تامین برق کارآمد و قابل اطمینان
- چرا کیفیت برق مهم است؟ اهمیت کیفیت توان الکتریکی (کیفیت برق) در چیست؟ راههای افزایش کیفیت توان کدامند؟
- بهبود کیفیت برق در صنعت پتروشیمی
- استاندارد کیفیت برق – IEEE 519-2022
- بارهای بحرانی – نحوه تامین و استفاده از واحدهای UPS
- نسل بعدی فناوری مانیتورینگ کیفیت توان – کمک به سلامت تجهیزات صنعتی
- پایش کیفیت برق قسمت ۲: ملاحظات طراحی برای کیفیت برق مطابق با استانداردها
- تجزیه و تحلیل کیفیت توان
- اهمیت کیفیت توان الکتریکی
- تجزیه و تحلیل داده های اندازه گیری شده در نقطه شکایات تا کیفیت قدرت
منابع
[۱] استاندارد EN 50160: 2009: مشخصه های ولتاژ در سیستم های توزیع عمومی
[۲] Pöllänen Minna: “Power Quality in Charging Elecric car” پایان نامه کارشناسی، دانشگاه علوم کاربردی متروپولیا هلسینکی، فنلاند، ۲۰۱۱٫
[۳] دوگان، مک گاناگان، : ۱۹۹۶: کیفیت سیستم قدرت الکتریکی، McGraw-Hill