القياس والتحليل التوافقي أثناء شحن المركبات الكهربائية

1. مقدمة

في ضوء الاستخدام العالي للطاقة، والتلوث البيئي، وارتفاع أسعار الوقود الأحفوري، يجب تقليل الاعتماد الحالي على تكنولوجيا محركات الاحتراق الداخلي (ICE) المستخدمة في المركبات، والاستخدام الواسع النطاق للسيارات الكهربائية كوسيلة نقل وينبغي زيادة الاختيار في غضون 20 إلى 30 سنة. وتشير التقديرات إلى أن انتشار المركبات الكهربائية سيزداد تدريجياً، حيث من المتوقع أن يصل إلى 35% في عام 2020 ويصل إلى 50% بحلول عام 2024 [1-2].

سيكون التأثير العام على أنظمة التوزيع الناجم عن انتشار المركبات الكهربائية هو زيادة كبيرة في الحمل وزيادة كبيرة في جهد النظام والتشوه التوافقي. هناك مشكلة أخرى يجب أخذها في الاعتبار وهي التزامن بين وقت بدء الشحن وفترة الذروة النهائية للتحميل المسائي، والتي تختلف باختلاف العميل والبلد. للشحن، تحتاج بطاريات السيارات الكهربائية إلى تيار مستمر، لذلك سيتم تحويل تيار التيار المتردد للشبكة إلى تيار مستمر بواسطة شاحن البطارية. الشاحن هو في الأساس مقوم/عاكس مزود بوحدة تحكم مدمجة مع دائرة حماية. هذا هو المكان الذي يرتفع فيه القلق لأن العاكس/المقوم يُعرف بالمصدر التوافقي. لذا فإن أحد المخاوف المتعلقة بشحن المركبات الكهربائية هو التلوث التوافقي للشبكة الكهربائية.

ومع ذلك، لا يوجد اتفاق حول مقدار التشوه التوافقي الكلي (THD) الذي يمكن إطلاقه على الشبكة أثناء الشحن. في أحد التقارير المنشورة، تم الإبلاغ عن التشوه التوافقي للتيار الإجمالي (THDi) بين 2.36% إلى 5.26% في بداية الشحن ويصل إلى 28% في نهاية الشحن. ومع ذلك، يُزعم أن التشوه التوافقي للجهد الإجمالي (THDv) يتراوح فقط بين 1 و2% مع عامل قدرة قريب من الوحدة. بالنسبة للشواحن التجارية، تتراوح قيم تسجيل القياس THDi بين 60% إلى 70% [1,3-4].

إن ما يثير قلق المهندسين والباحثين هو عندما يتم شحن عدد كبير من المركبات الكهربائية في وقت واحد إلى شبكة نظام الطاقة. ما هو مجموع THD عندما تتضاعف EV في الأرقام؟ يعتقد الكثيرون أن THD سيزداد مع عدد المركبات. ولكن من الصعب العثور على تقرير يناقش هذه القضية. علاوة على ذلك، فإن القيم المشار إليها في الفقرة السابقة تم الإبلاغ عنها [3-4] منذ أكثر من 10 سنوات، لذا فإن القيم لا تمثل المقدار الفعلي للتوافقيات المتولدة من تقنيات الشحن الحديثة المستخدمة في الكهرباء الحديثة المركبات.

تحاول الدراسة الواردة في هذا البحث دراسة التشوه التوافقي الناتج عن EV واحد ومجموعة من EVs. تم إجراء القياس على نوع قديم من المركبات الكهربائية ونوعين حديثين من المركبات الكهربائية. نتائج الدراسة مفيدة في فهم مساهمة التشوه التوافقي من المركبات الكهربائية المتصلة بشبكة الشحن.

تم تنظيم هذه الورقة على النحو التالي. أولاً، يتم مراجعة تقنية المركبات الكهربائية بشكل موجز. ثم يتم تسليط الضوء على حد التشوه التوافقي. يتم بعد ذلك عرض القياس التوافقي أثناء شحن مركبة واحدة. وأخيراً تمت مناقشة التشوه التوافقي أثناء شحن مجموعة من المركبات الكهربائية والتعليق عليه.

2. تكنولوجيا المركبات الكهربائية

المركبات الكهربائية التي ستُرى وهي تسبب مشكلات في شبكة نظام الطاقة ستكون من نوعين. النوع الأول هو الهجين الإضافي، حيث يوجد مزيج من ICE والبطارية. أما النوع الثاني فسيكون عبارة عن مركبة كهربائية بالكامل، حيث تعتمد هذه المركبة على البطارية فقط. بالنسبة لكلا النوعين من المركبات الكهربائية، هناك حاجة إلى الطاقة الكهربائية من الشبكة للشحن.

يوضح الشكل 1 مثالاً لترتيب أجهزة PHEV النموذجي. وهذا مخصص للنوع الموازي من PHEV. يوجد أيضًا نوع متسلسل من السيارات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن (PHEV)، لكن تركيز هذه الورقة ينصب على مشكلة الاتصال بالشبكة، لذلك ليس من المهم أن تكون السيارة الكهربائية من النوع المتوازي أو المتسلسل. بالنسبة للسيارات الكهربائية بالكامل، ليست هناك حاجة للمكونات الموجودة في خطوط الشرطة الخضراء الفاتحة ويتم إزالتها، ولم يتبق سوى البطاريات والشاحن ومحرك الطاقة الإلكتروني ومحرك الدفع الكهربائي.

عند شحن السيارة الكهربائية، فإن المكونات النشطة الوحيدة هي الشاحن والبطارية لأن السيارة الكهربائية لا تتحرك. بالنسبة لدراسات التواصل مع الشبكة، يمكن تمثيل EV كهربائيًا كما هو موضح في الشكل 2. شاحن البطارية هو في الأساس مقوم يحول تيار التيار المتردد من الشبكة إلى تيار مستمر لشحن البطارية. يكون المقوم عادةً من النوع النشط حيث يتم استخدام أجهزة الطاقة الإلكترونية لتبديل الأجهزة. في هذا المخطط، أجهزة الطاقة الإلكترونية هي IGBT.

عادةً ما تكون أجهزة شحن المركبات الكهربائية من النوع الموصل، على الرغم من توفر النوع الاستقرائي. تحتوي أجهزة الشحن الموصلة على اتصال مباشر بمصدر الإمداد، على سبيل المثال، باستخدام سلك طاقة إضافي للتوصيل من مقبس الحائط بالمركبة الكهربائية. من ناحية أخرى، تستخدم أجهزة الشحن الحثية الاقتران المغناطيسي كوسيلة لنقل الطاقة. وبمقارنة هذين النوعين، فإن أجهزة الشحن الموصلة هي أبسط في التصميم، ولها كفاءة أعلى، وأكثر شعبية.

3. حد تشويه التوافقيات

لتشوه التوافقيات تأثيرات ضارة على المعدات الكهربائية داخل نظام الطاقة. يتم تحديد شدة التوافقي من خلال النسبة المئوية لتشوه الجهد التوافقي الكلي. يُشار إلى الجهد التوافقي على أنه جهد جيبي له تردد يساوي مضاعفًا صحيحًا للتردد الأساسي للإمداد 50/60 هرتز. يتم حساب التشوه التوافقي الإجمالي على النحو التالي [7]:

في ماليزيا، قامت شركة المرافق الرئيسية، Tenaga Nasional Berhad، بوضع حد لتشوه الجهد التوافقي الإجمالي وفقًا لمستوى الجهد كما هو موضح في الجدول 1. بالنسبة للتيار، لا يوجد حد محدد للتشوه.

4. القياس التوافقي

تم إجراء بعض أنشطة القياس الميداني لفحص التوافقي أثناء شحن السيارة الكهربائية. يتم إجراء القياس باستخدام مقياس جودة الطاقة Fluke. يتم عرض صورة المقياس في الشكل 3. يتمتع المقياس بالقدرة على عرض أشكال موجة الجهد والتيار مباشرة في الوقت الفعلي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن حفظ بيانات القياس في ذاكرة جهاز القياس لمزيد من التحليل.

بالنسبة للتوافقي الفردي، تتم مقارنة ثلاثة أنواع من المركبات الكهربائية. النوع الأول من المركبات الكهربائية هو النوع التجاري من المركبات الكهربائية الحديثة (EV1). النوع الثاني هو نموذج أولي حديث للمركبة الكهربائية (EV2). النوع الثالث هو عربة الغولف. نظرًا لقضايا سرية وحساسة، لم يتم الكشف عن أسماء الشركات المصنعة والعلامات التجارية لهذه المركبات الكهربائية.

ويبين الشكل 4 أشكال موجة الجهد والتيار لـ EV 1. ويبين الشكلان 5 و6 THDv وTHDi لـ EV 1 على التوالي. THDv وTHDi بعد التحليل هما 1.5% و11.6% على التوالي. بالنسبة لـ EV 2، يظهر الشكل الموجي للجهد والتيار في الشكل 7. THDv وTHDi لـ EV 2 هو 1.2% (الشكل 8) و9.2% (الشكل 9) على التوالي. يوضح الشكل 10 شكل موجة الجهد والتيار لعربة الجولف. يوضح الشكلان 11 و12 THDv وTHDi لعربة الجولف والتي تبلغ 1.1% و34.4% على التوالي.

تكشف نتائج القياس أن THDi الصادر عن أجهزة الشحن منخفض بالنسبة للمركبات الكهربائية الحديثة ولكن بالنسبة إلى THDv، تصدر المركبات الكهربائية الحديثة تشويهًا أعلى. يمكن تفسير انخفاض THDv من عربة الجولف بسبب انخفاض حجم التيار المسحوب أثناء الشحن. بالنسبة للمركبات الكهربائية الحديثة، على الرغم من أن THDi أقل، إلا أن THDv أعلى من المقاس لعربة الجولف. ويرجع ذلك إلى ارتفاع حجم التيار الذي ترسمه المركبات الكهربائية الحديثة.

5. توافقي من مجموعة من المركبات الكهربائية

في القسم السابق، تم عرض THDv المقاس من EV واحد. تم تسجيل القيمة أقل من الحد الذي حددته الأداة المساعدة. لكن القلق بشأن التوافقي هو عندما يتم توصيل مجموعة من المركبات الكهربائية بالشبكة في وقت واحد للشحن. يعتقد العديد من المهندسين أن مجموع THD من مجموعة من المركبات الكهربائية يكون خطيًا مع مجموع المركبات الكهربائية. ولمعرفة الإجابة يتم إجراء قياس لقياس THD من مجموعة من المركبات الكهربائية.

في ماليزيا، لم يتم تسويق المركبات الكهربائية الحديثة بعد، لذلك لا يمكن إجراء الدراسة على المركبات الكهربائية التجارية. ولكن هناك العديد من عربات الجولف المتاحة والتي يمكن استخدامها في الدراسة. لن تمثل النتائج توافقيات EV الحديثة، ولكن الهدف الرئيسي هو التحقق من مجموع THD من EV واحد ومجموعة من المركبات الكهربائية. في القسم السابق، تم تقديم THDv المقاس من EV واحد. تم تسجيل القيمة أقل من الحد الذي حددته الأداة المساعدة. لكن القلق بشأن التوافقي هو عندما يتم توصيل مجموعة من المركبات الكهربائية بالشبكة في وقت واحد للشحن. يعتقد العديد من المهندسين أن مجموع THD من مجموعة من المركبات الكهربائية يكون خطيًا مع مجموع المركبات الكهربائية. ولمعرفة الإجابة يتم إجراء قياس لقياس THD من مجموعة من المركبات الكهربائية.

تم إجراء القياس في نادي الجولف بجامعة كيبانجسان الماليزية. تم إجراء القياس في يوم عمل. في ذلك اليوم، هطلت الأمطار من الصباح الباكر حتى الساعة 10:00 صباحًا. لكن أنشطة الجولف كانت نشطة حيث غادرت جميع عربات الجولف نقطة الشحن بحلول الساعة 9:00 صباحًا. عادت عربة الجولف الأولى إلى محطة الشحن بعد الساعة 11 صباحًا. يتم تفصيل الوقت وعدد المركبات والخط الذي يتم توصيلها فيه في الجدول 2. الكميات المقاسة هي تشويه توافقيات الجهد والتيار. تم تسجيل بيانات القياس مبدئياً كل ساعة حتى الساعة 6:00 مساءً. بدءًا من الساعة 7:00 مساءً، بدأت عربات الجولف في الوصول بشكل أكبر، لذلك تم أخذ القياس كل 15 دقيقة.

يتم عرض البيانات من خلال رسم بياني كما هو موضح في الشكل 14 لـ THDv والشكل 15 لـ THDi. وبدلاً من الوقت، يتم استخدام عدد المركبات للمحور السيني لتسهيل نمط الاستهلاك من هذه المركبات الكهربائية. كما تم تحديد الخط الذي تتصل به عربات الجولف هذه. يبدأ الاستهلاك في الزيادة بشكل كبير بدءًا من الساعة 6:30 مساءً (18:30 مساءً) عندما يبدأ لاعبو الجولف في إعادة عربة الجولف إلى نقطة الالتقاط.

يتم أيضًا قياس THD لكل من الجهد والتيار كما هو موضح على التوالي في الشكلين 14 و15. على الرغم من قياس THDv لكل مركبة على حدة بنسبة 1.1%، في PCC، تبلغ القيمة 0.7% فقط لمركبة واحدة. ومع زيادة المركبات المتصلة، يزداد THDv بشكل مطرد. بالنسبة لثماني مركبات على L1، يبلغ THDv المسجل 1.9% فقط.

بالنسبة لـ THDi لمركبة واحدة، يتم تسجيل THDi بنسبة 34.4%، ولكن في PCC، يتم تسجيل THDi بنسبة 47.8%. مع زيادة شحن عربة الجولف، تنخفض قيمة THDi في PCC إلى 16.6% لـ 3 مركبات ولكنها تزيد مرة أخرى لـ 12 مركبة. والمثير للدهشة أن THDi لا يزيد كثيرًا عندما يزيد عدد المركبات من 16 إلى 22 على L1.

6. الخلاصة

في هذا البحث تم عرض دراسة وتحليل القياس التوافقي أثناء شحن المركبات الكهربائية. يتم إجراء القياس على عربات الجولف ونوعين حديثين من المركبات الكهربائية. تظهر نتيجة القياس أن المركبات الكهربائية الحديثة تطلق THDi أقل مقارنة بعربة الجولف المتوقعة. لسوء الحظ، بالنسبة لـ THDv، تسبب المركبات الكهربائية الحديثة نسبة أعلى من التشويه. بالنسبة لمجموعة شحن المركبات الكهربائية، وجد أن THD لكل من الجهد والتيار لا يمثل مجموعًا مباشرًا لـ THD من مركبة واحدة. نتائج الدراسة مفيدة في فهم مساهمة التشوه التوافقي من المركبات الكهربائية المتصلة بالشبكة للشحن.

7. دمج المرشح التوافقي النشط لشركة YT Electric

للتخفيف من التشوه التوافقي الناتج عن شحن السيارة الكهربائية، المرشح التوافقي النشط من YT Electricيمكن دمجها بشكل فعال في النظام الكهربائي. يقوم هذا الفلتر المتقدم بمراقبة وتعويض التيارات التوافقية بشكل فعال في الوقت الفعلي، مما يضمن الحفاظ على مستويات THDi وTHDv ضمن الحدود المقبولة. من خلال التكيف ديناميكيًا مع الأحمال التوافقية المتنوعة، يساعد المرشح التوافقي النشط في الحفاظ على جودة الطاقة وحماية البنية التحتية الكهربائية من الأضرار المحتملة الناجمة عن التوافقيات.

تتضمن عملية التكامل توصيل المرشح التوافقي النشط بنقطة الاقتران المشترك (PCC) حيث يتم توصيل شواحن المركبات الكهربائية. يقوم المرشح بتحليل المحتوى التوافقي للنظام الكهربائي بشكل مستمر ويحقن تيارات تعويضية لتحييد التوافقيات. يؤدي هذا إلى انخفاض كبير في كل من THDi وTHDv، مما يعزز جودة الطاقة الإجمالية وموثوقية الشبكة.

في الختام، يوفر دمج المرشح التوافقي النشط من YT Electric حلاً قويًا للتحديات التي يفرضها التشوه التوافقي أثناء شحن السيارة الكهربائية. فهو يضمن بقاء الشبكة الكهربائية مستقرة وفعالة، حتى مع تزايد انتشار السيارات الكهربائية.