Внедрение электромобилей растет и быстро. По мере дальнейшего снижения их стоимости, развития отрасли, роста стимулов и совершенствования зарядной инфраструктуры, к 2050 году электромобили могут составить подавляющее большинство на дорогах США. Федеральное правительство также поставило цель, чтобы к 2030 году электромобили составляли половину всех продаж новых автомобилей.
Многими научными коллективами изучалось, как повышенный спрос на электроэнергию повлияет на энергосистему США, но публичный анализ влияния на распределительную систему менее распространен. Планировщикам распределительных систем необходимо больше информации о том, чего следует ожидать, чтобы проводить стратегическое планирование модернизации системы, внедрять методы управления зарядкой и разрабатывать новые рыночные решения, если это необходимо.
Именно поэтому важно понимать, как наилучшим образом интегрировать сразу большое количество электромобилей в системы распределения электроэнергии. Мы обнаружили, что при правильном планировании распределительных систем не требуется значительная дополнительная нагрузка на сеть, и проектировщики систем могут избежать дорогостоящей модернизации, что приведет к снижению розничных тарифов.
Большая часть работ, посвященных электромобилям и распределительной системе, была сосредоточена на подключаемых гибридных электромобилях, которые имеют меньшие батареи. Однако все больше людей переходят на полностью электрические автомобили. Также редко рассматриваются задачи при общем уровне внедрения электромобилей свыше 40%.
И наконец, в большинстве исследований рассматривались только новые распределительные сети, где живут первые жильцы и зарядка в домашних условиях легко доступна. Но если в 2030 году половина продаж будет приходиться на электромобили, им придется заряжаться в большом количестве населенных пунктов с широким спектром распределительных сетей, включая более старые и уже подверженные нагрузке сети.
Таким образом, очевидно, что нам необходимо более полномасштабное, реалистичное моделирование распределительных систем, чтобы отразить весь спектр напряжений распределительных систем и возраст инфраструктуры.
В рамках нашей работы в Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (NREL) мы расширяем исследовательские усилия, направленные на изучение высоких темпов внедрения электромобилей, более крупных систем распределения с большим количеством узлов и более совершенных методов управления зарядокой электромобилей.
Электрические компании традиционно определяют размеры распределительных фидеров на основе исторических уровней и прогнозов будущей нагрузки. Многие фидеры не оборудованы для размещения дополнительных нагрузок, которые могут возникнуть в результате нескоординированной зарядки электромобилей — в любое время и в любом месте — при высоком уровне их внедрения.
Некоторые первые работы показали, что нескоординированная зарядка может значительно изменить размер и форму нагрузки и привести к более высоким пикам. Это создает потенциальное воздействие № 1: Если изменение нагрузки не учитывается при планировании распределения, результатом может стать перегрузка системы — когда мощность, потребляемая по линии, превышает пределы ее компонентов. Перегрузки могут привести к перегреву распределительных трансформаторов и линий, если они не будут модернизированы для работы с возросшими нагрузками.
Потенциальное воздействие № 2 — это перегрузка фидеров, когда инфраструктура распределения и передачи стареет, а генерация и нагрузка не размещены в одном месте. Модернизация инфраструктуры для размещения дополнительных нагрузок может быть дорогостоящим и длительным процессом.
Потенциальное воздействие № 3 — качество электроэнергии при большом количестве нескоординированных зарядок. Если зарядные нагрузки не совпадают с пиками распределенной генерации, могут возникнуть проблемы с напряжением. Провалы или скачки напряжения означают снижение качества электроэнергии.
Мы обнаружили, что существует множество решений для смягчения потенциального воздействия повышенной нагрузки в ситуации преобладающего уровня внедрения электромобилей.
Модернизация инфраструктуры: Проблемы качества электроэнергии и перегрузки также могут быть смягчены при тщательном планировании инфраструктуры зарядки. Правильное планирование может минимизировать затраты на модернизацию для расширения возможностей приема электромобилей как для крупных зарядных станций, так и для индивидуальных зарядных устройств. Размещение зарядных станций на линиях с большей пропускной способностью и совместное размещение распределенной генерации и накопителей с зарядными станциями позволит избежать дорогостоящей модернизации и снизить розничные тарифы.
Подходы к управлению: Стандарт IEEE 1547 требует, чтобы инверторы распределенной генерации осуществляли минимальное регулирование напряжения для обеспечения лучшей взаимосвязи и взаимодействия между системами электроснабжения внутри сети. Этот стандарт стимулировал большой прогресс в отрасли — то же самое можно сделать и на стороне нагрузки при использовании электромобилей.
Многие современные схемы управляют напряжением и перегрузками, возникающими при зарядке автомобиля (интеллектуальное управление зарядкой). Для этого используют инверторы на зарядных станциях или сами электромобили для координации зарядки других — помогая контролировать напряжение и поддерживать частоту как в месте расположения зарядной станции, так и в целом по сети. В перспективе такие системы могут даже предоставлять поддержку реверсивных мощностей в качестве услуги.
Рыночные решения: Рыночные стимулы могут стимулировать водителей электромобилей заряжаться в то время и в том месте, которые лучше всего подходят для этого, снижая перегрузки, напряжение и другие местные ограничения распределения. Такие стимулы включают в себя тарифы по времени использования, ценообразование в режиме реального времени, плату за пиковое пользование спросом и многое другое.
Сверхвысокое внедрение электромобилей ставит еще множество других интересных вопросов, которые мы продолжим изучать в NREL. Например, в рамках проекта “Интеллектуальная зарядка электромобилей в масштабе” исследуются различные стратегии интеллектуальной зарядки для оптимизации преимуществ и снижения рисков, связанных с широким распространением электромобилей.
