CC BY
2
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Рожицкий Дмитрий Борисович
Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (АО «ВНИИЖТ»).
3-я Мытищинская ул., д. 10, г. Москва, 129626, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, начальник отдела ЦНК.
Тел.: +7 (906) 788-01-18.
E-mail: [email protected]
Чепиль Александр Валерьевич
Центральная Дирекция по тепловодоснабже-нию - филиал ОАО «РЖД».
Каланчевская ул., д. 15 а, г. Москва, 127078, Российская Федерация.
Магистр, заместитель начальника отдела.
Тел.: +7 (499) 260-73-80.
E-mail: [email protected]
Рыбак Алексей Андреевич
Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (АО «ВНИИЖТ»).
3-я Мытищинская ул., д. 10, г. Москва, 129626, Российская Федерация.
Магистр, руководитель проектов ЦНК.
Тел.: +7 (495) 602-80-93.
E-mail: [email protected]
Галуша Андрей Николаевич
Российский университет транспорта (МИИТ).
Часовая ул., д. 22/2, г. Москва, 125190, Российская Федерация.
Кандидат наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика и водоснабжение на транспорте».
Тел.: +7 (916) 058-49-46.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
О разработке методологии определения энергетического эффекта при реализации энергосервисного контракта для структурных подразделений железнодорожного транспорта / Д. Б. Рожицкий, А. В. Чепиль, А. А. Рыбак, А. Н. Галуша. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. -№ 3 (55). - С. 94 - 106.
Rozhitsky Dmitry Borisovich
Research Institute of Railway Transport (JSC «VNIIZHT»).
10, 3rd Mytischinskaya st., Moscow, 129626, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, docent, head of the department of the Central Committee.
Phone: +7 (906) 788-01-18.
E-mail: [email protected]
Chepil Alexander Valerievich
The Central Directorate for Heat and Water Supply - a branch of JSC «Russian Railways».
15a, Kalanchevskaya st., Moscow, 127078, the Russian Federation.
Master, deputy head of the department.
Phone: +7 (499) 260-73-80.
E-mail: [email protected]
Rybak Alexey Andreevich
Research Institute of Railway Transport (JSC «VNIIZHT»).
10, 3rd Mytischinskaya st., Moscow, 129626, the Russian Federation.
Master's degree, project manager of the central research center
Phone: +7 (495) 602-80-93.
E-mail: [email protected]
Galusha Andrey Nikolaevich
Russian University of Transport (MIIT).
22/2, Chasovaya st., Moscow, 125190, the Russian Federation.
Ph. D., associate professor of the department of Heat and Power Engineering and Water Supply in Transport.
Phone: +7 (916) 058-49-46.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Rozhitsky D.B., Chepil A.V., Rybak A.A., Galusha A.N. On the development of a methodology for determining energy effect during application of an energy service contract for structural units railway transport. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 3 (55), pp. 94-106 (In Russian).
УДК 621.311.4
Т. В. Мятеж, В. Я. Любченко, Е. А. Могиленко
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г. Новосибирск, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕРТОРНОГО РЕЖИМА ЗАРЯДНЫХ СТАНЦИЙ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ ПОДСТАНЦИИ ТЕАТРАЛЬНАЯ НОВОСИБИРСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
Аннотация. В последнее время воздействие технологий на окружающую среду стало сопоставимо по своим масштабам с воздействием природных явлений, поэтому особую актуальность принимают вопросы
повышения экологичности технологических производств и вопросы энергосбережения. Особая роль в решении названных вопросов отводится электрическому транспорту как наиболее экологичному. Рынок электромобилей и зарядных станций развивается динамично: темпы прироста - до 80 % ежегодно. К 2030 г. количество электромобилей достигнет 1,5 млн единиц. Подписано распоряжение, согласно которому выделено около 1,37 млрд руб. на создание зарядной инфраструктуры для электротранспорта в России. Так, при организации и разработке систем электроснабжения более правильным решением является применение инверторно-аккумуляторной резервной системы электроснабжения. Такая система обеспечит надежную и бесперебойную работу потребителей в здании. Более того, при переходе к рыночной модели электроэнергетики, основанной на заключении двухсторонних договоров, производитель и потребитель могут меняться местами, т. е. потребитель, у которого образуется излишек электроэнергии, может продавать ее в сеть. Поэтому в статье рассмотрено решение задачи проектирования инверторного режима системы электроснабжения для подключения зарядной станции электромобилей к подстанции города Новосибирска. Подключенное зарядное устройство электромобиля, являясь нелинейной нагрузкой, приводит не только к увеличению нагрузки на электросетевую инфраструктуру, но может быть и источником электроснабжения. При этом данные потребители получают льготы на оплату электроэнергии при дальнейшей зарядки своего устройства. Было выполнено имитационное моделирование зарядной станции с использованием программного пакета MATLAB Simulink и проведено технико-экономическое обоснование ее работы.
Ключевые слова: инверторный режим, инвертор, ведомый сетью, энергосбережение, зарядная станция, электромобиль, эколого-экономический критерий, литий-титанатный аккумулятор, время заряда, ресурс батареи, температурный режим.
Tatiana V. Myatezh, Valentina Ya. Lyubchenko, Egor A. Mogilenko
Novosibirsk State Technical University (NSTU), Novosibirsk, the Russian Federation
STUDY OF THE CHARGING STATION INVERTER MODES FOR ELECTRIC VEHICLES ON THE EXAMPLE OF THE NOVOSIBIRSK ENERGY SYSTEM
TEATRALNAYA SUBSTATION
Abstract. Recently, the impact of technologies on the environment has become comparable in scale to natural phenomena, therefore, the issues of improving the environmental friendliness of technological production and energy saving issues are of particular relevance. A special role in solving this issue is given to electric transport as the most environmentally friendly. The market for electric vehicles and charging stations is developing dynamically: the growth rate is up to 80 % annually. By 2030, the number of electric vehicles will reach 1.5 million units. An order was signed that allocated about 1.37 billion rubles for the creation of a charging infrastructure for electric transport in Russia. Therefore, when organizing and designing power supply systems, a more correct solution is to use an inverter-battery backup power supply system. Such a system will ensure reliable and uninterrupted operation of consumers in the building. Moreover, during the transition to a market model of the electric power industry based on the conclusion of bilateral agreements, the producer and consumer can change places, i.e. a consumer who has a surplus of electricity can sell it to the network. The paper considers the solution of the problem of designing the inverter mode of the power supply system for connecting the charging station of the electric car to the substation of the city of Novosibirsk. The connected electric car charger, being a non-linear load, leads not only to an increase in the load on the power grid infrastructure, but can also be a source of power supply. They can also cause deterioration in power quality by generating harmonic distortion. Therefore, special attention is paid to the effect of the inverter mode of electric vehicle charging stations on the quality ofpower supply to the consumer in the power system. Simulation modeling of the charging station was performed using the MATLAB Simulink software package and a feasibility study of its operation was carried out.
Keywords: inverter mode, grid-driven inverter, energy saving, charging station, electric car, environmental and economic criteria, lithium-titanate battery, charge time, battery life, temperature conditions.
Одним из действенных инструментов предотвращения потепления климата на Земле является широкомасштабное внедрение электромобилей, особенно в условиях мегаполиса. В среднем от электромобилей в два раза меньше выбросов CO2, чем от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Кроме этого следует отметить в качестве одного из важных стимулов внедрения электротранспорта поддержку промышленной политики, в том числе политики инновационного развития страны.
Рынок электромобилей и зарядных станций развивается динамично: темпы прироста - до 80 % ежегодно. К концу первого квартала 2021 г. в России было зарегистрировано 12,4 тыс.
;n3if ИЗВЕСТИЯ Транссиба 107
электромобилей. В 2025 г. ожидается увеличение продаж электромашин до объема 100 тыс. единиц. К 2030 г. количество электромобилей достигнет 1,5 млн единиц [1].
Основными барьерами для развития электромобилей в России являются их высокая стоимость и неразвитость сети заправочных станций. Актуальность проблемы подтверждается тем, что в марте 2022 г. премьер-министр Михаил Мишустин подписал распоряжение, которым выделил около 1,37 млрд руб. на создание зарядной инфраструктуры для электротранспорта в России.
Следует отметить, что масштабный переход на использование электромобилей будет способствовать росту электропотребления. Кроме того, для снабжения энергией электромобилей необходимо создание соответствующей зарядной инфраструктуры с применением инверторного режима. Все это, в свою очередь, потребует ввода дополнительных энергетических мощностей и возможного изменения характера графика электрической нагрузки. Поэтому актуальными становятся вопросы организации инверторного режима зарядных станций электромобилей.
Современные тенденции показывают, что с повышением количества бюджетного предложения по электромобилям нужно конкурентно развивать публичную зарядную инфраструктуру - около торговых и бизнес-центров и жилых комплексов.
Повысить окупаемость зарядных станций позволяют умные сервисы, в первую очередь снижающие стоимость технологического присоединения через динамическое распределение мощности между основным объектом и зарядной станцией, объединение с системами smartgrid и с региональными энергосистемами за счет организации инверторного режима для сети зарядных станций. Перспективной представляется технология V2G (Vehicle-to-Grid), позволяющая подключать автомобиль в общую энергосеть для своевременной подзарядки автомобиля или возвращения лишней электроэнергии обратно [1].
Наиболее перспективным вариантом построения автономных систем представляются зарядные станции электромобилей с применением инверторного режима, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с ветровыми, ветродизельными и ветро-, фотодизельными энергетическими установками, которым присущ стохастический характер выработки электроэнергии, что является их существенным недостатком. В штатном режиме работы, при малой потребляемой мощности блок аккумуляторных батарей заряжается, чтобы в будущем при возникновении каких-либо аварийных ситуаций отдать накопленный заряд и поддержать работу энергетической установки до момента включения дизель-генератора.
При переходе к рыночной модели электроэнергетики, основанной на заключении двухсторонних договоров, производитель и потребитель могут меняться местами, т. е. потребитель, у которого образуется излишек электроэнергии, может продавать ее в сеть. Это в свою очередь позволит решить проблему энергодефицитности отдельных регионов нашей страны, т. е. «расшить» «узкие места» в электроснабжении. Технически этот вопрос может быть реализован с использованием схемы инверторного режима (Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 2013).
Более того, перспектива применения инверторного режима позволяет решить ряд эколого-социальных задач, а также проблему энергосбережения.
Различают три основных класса систем непрерывного электроснабжения (СНЭС).
1. Система «on-line». Это система, в которой инвертор работает постоянно. В нормальном режиме - от выпрямленной сети переменного тока, а в аварийном - от аккумуляторной батареи.
2. Источники резервированного питания «off-line». Инвертор включается при отклонениях напряжения сети за допустимые пределы или полном его отсутствии.
3. Гибридные, в которых обычные системы «on-line» дополняются устройствами, ограничивающими импульсные перенапряжения в сети переменного тока (Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 2013).
В данной статье реализована задача проектирования и организации инверторного режима
зарядной станции, учитываемой как нагрузка системы электроснабжения (СЭС). Также учитывается ее влияние на качество электроэнергии в сети. В качестве объекта исследования выбрана подстанция Театральная города Новосибирска.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
проанализировать принципы работы зарядных станций электромобилей и основы организации их инверторного режима;
выполнить анализ основных видов зарядных станций: зарядных станций для заряда грузового транспорта, электробусов, автомобилей, а также их местоположения: для мегаполисов, на протяженных трассах за городом, для частного пользования (собственная), с точки зрения максимизации ресурса, и улучшения эксплуатационных показателей транспортного средства (ТС);
спроектировать схему электроснабжения для организации инверторного режима и подключения зарядных станций электромобилей;
провести анализ высших гармоник при ведении инверторного режима работы зарядной станции в пакете МА^АВ Simulink на предмет качества электроснабжения.
В статье реализовано реверсирование работы инвертора для обеспечения возможности передачи электроэнергии от сети переменного тока к сети постоянного тока и обратно. Реверсирование позволяет постоянно поддерживать аккумуляторную батарею в работоспособном состоянии, одновременно обеспечивая возврат энергии в сеть переменного тока. Помимо этого достигается высокая безотказность электропитания ответственных потребителей на объектах различного назначения [2].
Организация инверторного режима зарядных станций для электромобилей. В настоящее время воздействие технологий на окружающую среду стало сопоставимо по своим масштабам с воздействием природных процессов. Поэтому для поддержания нормального экологического фона в мире требуется разработка технологий, дружественных по отношению к окружающей среде. Имеются существенные достижения по исследуемому вопросу как в отечественной, так и в зарубежной практике [1].
В данной статье это реализуется на примере организации инверторного режима для функционирования зарядных станций электромобилей.
Часто требуется настолько глубокое регулирование управляемых выпрямителей, что они переходят в качественно новый режим работы, характеризующийся встречным направлением тока относительно преобразованной ЭДС. Такой режим работы называется инверторным. В более широком смысле инвертор в преобразовательной технике - это устройство для преобразования постоянного тока в переменный [3].
Инверторный режим управляемого выпрямителя возможен только в тех преобразователях, у которых в цепи нагрузки имеется либо источник ЭДС, либо индуктивность, либо то и другое.
При угле управления вентилем а более 90 ° среднее значение выпрямленного напряжения меняет знак и выпрямитель переходит в инверторный режим. В этом режиме большую часть работы вентиля его ток направлен против фазной ЭДС, и активная мощность из цепи нагрузки передается в анодные цепи преобразователя, т. е. в источник переменного тока.
Процесс инвертирования представляет собой преобразование постоянного тока, протекающего в нагрузке преобразователя, в переменный ток, протекающий в анодных цепях преобразователя [4].
По сравнению с традиционной схемой электроснабжения, которая предусматривает четкую градацию «производитель - потребитель», организация инверторного режима позволяет, позволяет реализовать следующее.
1. Выравнивание нагрузок, т. е. обеспечение бесперебойного питания в случае потери напряжения от источника электроснабжения.
2. Обеспечивает более гибкое тарифообразование по сравнению с традиционной, сложившейся в регионах схеме установления цен на электроэнергию.
3. Улучшает экологическую обстановку в регионах, снимает социальную напряженность.
4. Способствует решению задач энергосбережения.
Можно привести примеры нескольких наиболее типичных устройств зарядной станции: устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее МПК 8 H02J 7/34, зарядно-разрядный преобразователь ЗРП-150/50, двухкаскадный преобразователь напряжения с интеллектуальной защитой от режимов перегрузки и токов коротких замыканий и т. д.
Устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее, МПК 8 H02J 7/34. Известно устройство бесперебойного электропитания (Патент РФ №2221320 (фамилии патентообладателей: Никитин И. Е., Бушуев В. М.).
Описываемое стройство содержит сетевой выпрямитель, выводами переменного тока подключенный к промышленной сети электроснабжения переменного тока, а выводами постоянного тока - к входным выводам зарядно-буферного преобразователя (ЗБП). Выходные выводы постоянного тока подключены к резервной аккумуляторной батарее и входам преобразователей напряжения (ПН) постоянного тока в постоянный.
ЗБП и ПН выполнены по схеме высокочастотного преобразования и состоят из инвертора, узла управления с ШИМ-регулятором и трансформаторно-выпрямительного узла (ТВУ), первичная обмотка трансформатора которого подключена к выводам переменного тока инвертора, а выходы постоянного тока ТВУ образуют выходные выводы устройства.
Недостатком данного устройства бесперебойного электропитания является то, что в нем не обеспечена возможность рекуперации энергии аккумуляторной батареи в питающую промышленную сеть переменного тока.
Зарядно-разрядный преобразователь ЗРП-150/50. Известен зарядно-разрядный преобразователь ЗРП-150/50, поставляемый обществом с ограниченной ответственностью «Элмашпром», представляющий собой трехфазный тиристорный реверсивный преобразователь, предназначенный для заряда, тренировочного заряда, формования в режиме автоматического оптимального заряд-разряда аккумуляторных батарей.
В режиме разряда энергия, вырабатываемая аккумуляторными батареями, инвертируется в трехфазную питающую сеть 50 Гц, 380 / 220 В.
Недостатком данного зарядно-разрядного преобразователя является то, что переключение режимов работы преобразователя (заряд, тренировочный заряд, формование аккумуляторных батарей в режиме автоматического заряд-разряда) производится вручную, что не позволяет обеспечить бесперебойность электропитания (при аварийном отключении питающей сети).
Двухкаскадный преобразователь напряжения с интеллектуальной защитой от режимов перегрузки и токов коротких замыканий. Известен двухкаскадный преобразователь напряжения (Патент РФ № 2314621 на изобретение «Двухкаскадный преобразователь напряжения с интеллектуальной защитой от режимов перегрузки и токов коротких замыканий», МП К 8 H02J 9/06).
Двухкаскадный преобразователь напряжения состоит: из первого канала преобразования напряжения основной сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей и из второго канала преобразования напряжения резервной сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей.
Главный недостаток данного устройства двухкаскадного преобразователя напряжения состоит в том, что он не является реверсивным, так как в нем не обеспечена возможность передачи электроэнергии в питающую сеть постоянного тока и соответственно возможность заряда аккумуляторной батареи, подключенной к этой сети.
Особенностью предложенного в статье подхода является наличие двунаправленного автономного инвертора напряжения. Данное устройство предназначено для преобразования постоянного тока в переменный с протеканием энергии в одном из двух указанных направлений в соответствии с внутренним управляющим сигналом: от звена постоянного тока
3(55)
(АКБ) к звену переменного тока (разряд / генерация) и от звена переменного тока к звену постоянного тока [5, 6].
Применение трехфазных автономных инверторов напряжения (АИНов) в современных условиях. Как известно, трехфазные транзисторные инверторы применяются на практике для создания трехфазных сетей переменного тока на автономных объектах и для управления электродвигателями переменного тока. Из многообразия схемных решений трехфазных инверторов практическое применение находит лишь одна схема - мостовая, представленная на рисунке 1. Здесь нагрузка соединена в звезду и подключена прямо к выходным зажимам А, В и С инвертора без трансформатора. Нагрузка может соединяться и в треугольник, а для согласования уровней напряжений инвертора и нагрузки могут использоваться три однофазных трансформатора либо один трехфазный, как и в обычных трехфазных системах переменного напряжения.
-L Л
m 1 \
j
РТ4 2 Î Р'/Д
m 21 гт
УТЬ 2Ï№6
ч
m il и»
1
172 2ïim
г Г J
Рисунок 1 - Трехфазный мостовой инвертор напряжения
Электромагнитные процессы и характеристики инвертора определяются следующими факторами:
1) схемой соединения нагрузки - в звезду или в треугольник;
2) способом управления современными управляемыми полупроводниками -180-градусное или 120-градусное управление;
3) характером нагрузки, который определяется коэффициентом
K = —
M
jh-
(1)
При 180-градусном управлении каждый из современных управляемых полупроводников находится в открытом состоянии 180 пары транзисторов, образующих вертикальные стойки, как и в однофазных двухтактных схемах, работают в противофазе, управление вертикальными стойками современных управляемых полупроводников осуществляется со сдвигом на 120 ° [7].
При проектировании зарядных станций электромобилей необходимо учесть ряд требований согласно стандартам и ГОСТам, таким как EN-61851-1 и IEC 62196. Допустимые режимы зарядки описаны в разделе 1 стандарта IEC 62196, который определяет основные варианты [8]. Одним из основных стандартов для зарядных станций является IEC 61851-12013, определяющий общие требования как к сети, так и к преобразователям, входящим в состав зарядных станций. Классификация зарядных устройств согласно регламентным документам, а именно ряду стандартов ГОСТ МЭК, 1ER, SAE, приведена в таблице 1.
В настоящее время цифровое общение реализовано только на зарядках третьего уровня. Интерфейс между зарядкой и авто работает примерно так: электромобиль говорит «я готов заряжаться, мне нужно 15 ампер», а зарядка определяет максимальное количество тока, которое авто может потребить. Тот же стандарт ISO15118 идет с функцией plug-in-charge, благодаря которой автомобиль сам авторизуется в системе, т. е. пользователю не обязательно проводить карточкой по зарядке, чтобы войти в свой аккаунт и получать электроэнергию.
Сейчас самая сложная коммуникация реализована на уровне «зарядка - сервер», а не между авто и зарядкой [9].
Таблица 1 - Классификация зарядных устройств электромобилей
Уровни напряжения Расположение и конфигурация ЗУ Мощность, кВт Время заряда, ч Запас энергии (кВт • ч) Тип коннектора
Уровень 1 120 В (США) 230 В (ЕС) Бортовое однофазное < 3,7 11 - 36 16 - 50 SAE J1772 IEC 62196-2 Type 1
Уровень 2 240 В (США) 380 В (ЕС) Бортовое однофазное или трехфазное 3,7 - 22 1 - 6 16 - 80 IEC 62196-2 Type 2 CHAdeMO
Уровень 3 240-600 В (США) 380-600 В (ЕС) Стационарное постоянного тока > 50 < 240 0,1 - 1 20 - 100 IEC 62196-2 «Hybrid» SAE J1772 «Hybrid» CHAdeMO
Что касается стандартов в этой теме, то можно отметить, что универсальные стандарты задействованы пока не везде, их продолжают внедрять, и они продолжают меняться, так как рынок еще достаточно сырой, и не все стабилизировалось. Невозможно создать один общий стандарт. Есть определенные стандарты, которые решают определенные задачи. Например, есть стандарт OpenADR, который позволяет удаленно управлять электроэнергией подключенных электроустройств - он балансирует всплески потребления электроэнергии, и зарядки в него отлично вписываются. Указанный стандарт является частью умного города, но решает конкретную задачу. И таких специализированных стандартов будет достаточно много [10].
Необходимо отметить, что массовое применение электромобилей и организация инверторного режима позволит осуществить следующее:
существенно повысить эффективность применения и проектирования электрических распределительных сетей за счет управляемой распределенной нагрузки;
увеличить полезный отпуск электроэнергии в сеть за счет организации инверторного режима;
обеспечить выравнивание «провала» в ночное время суток профиля нагрузок энергосистемы;
при внедрении новейших технологий V2G рассматривать электромобили как распределенные накопители электроэнергии для покрытия пиковых нагрузок энергосистемы;
существенно повысить эффективность применения электрических распределительных сетей и увеличить полезный отпуск электроэнергии;
снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, что улучшит экологическую обстановку в мире.
Причем поскольку основные генерирующие источники энергии и прочие производства находятся в черте крупных мегаполисов, то наиболее актуальным направлением развития зарядных станций являются именно мегаполисы.
Схемные решения системы электропитания на базе трехфазного АИН. Рассмотрим структурную схему устройства электромобиля, которая представлена на рисунке 2.
Зарядное устройство преобразует переменное напряжение внешней сети в постоянное для заряда аккумуляторных батарей, тяговой и вспомогательной.
Устройство защиты (блок реле и предохранителей) состоит из выключателей, реле, предохранителей, которые включены между аккумуляторной батареей и остальной электрической схемой - потребителями. При возникновении неисправности цепь переменного тока и аккумуляторы отключаются.
Тяговая аккумуляторная батарея обеспечивает энергией двигатель электромобиля. В настоящее время наиболее популярными являются калиевые, натриевые и титанатные аккумуляторные батареи [11].
Бортовой компьютер контролирует состояние основных функциональных компонентов и бортовых систем электромобиля, при необходимости инициирует средства защиты.
Дополнительный источник электроэнергии (обычно вспомогательная аккумуляторная батарея на 12 В) обеспечивает работу осветительных приборов, панели приборов, стеклоподъемников, стеклоочистителей и т. д.
Электронный контроллер электродвигателя формирует требующийся вид напряжения питания, управляет числом оборотов и тяговым моментом на валу по командам водителя или автоматически.
Рисунок 2 - Блок-схема устройства электромобиля
Заряд основной батареи осуществляется от зарядного устройства, располагаемого на борту электромобиля или вне его. Задача данного устройства состоит в том, чтобы обеспечить необходимый ток в кратчайший период времени с соблюдением алгоритма заряда аккумуляторной батареи, рекомендованного заводом-изготовителем.
Такие системы могут использоваться как для резервного электроснабжения, так и для полностью автономного электропитания объекта (РМ-2696 - Инструкция по расчету электрических нагрузок. М.: Изд-во стандартов, 2001). В инверторах предусмотрены настройки, позволяющие приоритетно использовать альтернативные источники энергии, а
центральная сеть или генератор будут подключаться только по мере необходимости. Такие режимы позволяют значительно экономить сетевую электроэнергию или топливо для генератора (РД 34.03.603 - Правила применения и испытания средств защиты, используемых в электроустановках, технические требования к ним. М.: Изд-во стандартов, 2003).
В случае применения системных контроллеров и панелей управления пользователь может дистанционно, через Интернет, контролировать работу инверторной системы с помощью компьютера, планшета или смартфона. Схема инверторного режима показана на рисунке 3.
Основной задачей данной статьи является моделирование работы оп-Нпе-системы, состоящей из газо-, дизель-генератора (источник сети) и инвертора напряжения, на примере зарядной станции электромобиля (рисунок 4).
эаридчое устройство
Рисунок 3 - Схема инверторного режима на базе зарядной станции электромобиля
Газогенератор создает трехфазное напряжение сети 380 В (50 Гц). При наличии избыточной мощности на нагрузке автономный инвертор напряжения начинает заряжать АКБ до достижения уровня заряда 90 % (после 90 % происходит сброс избыточного тока на резистор). При невозможности газогенератора обеспечить необходимую мощность на нагрузке АИН начинает отдавать мощность на нагрузку в режиме ведомого, используя заряд АКБ. При выключенном генераторе АИН полностью обеспечивает мощность на нагрузке в режиме ведущего, после включения генератора АИН переходит в режим ведомого (Инструкция по устройству молниезащиты зданий, строений и производственных коммуникаций. СО 153343.21.122-2003).
Моделирование системы электропитания на базе трехфазного АИНа в пакете МА^АВ 81тиНпк. Имитационное моделирование автономной системы электропитания на
базе трехфазного инвертора осуществлено в пакете МА^АВ Simulink и состоит из генератора, инвертора, системы управления инверторами нагрузки (рисунок 5).
Рисунок 4 - Схема исследуемой энергетической установки: Тр-р - силовой трансформатор; AC/DC -
двунаправленный инвертор; СУ - система управления; СБ - зарядная станция электромобиля; АКБ - аккумуляторная батарея
Рисунок 5 - Схема собранной модели организации инверторного режима зарядной станции электромобиля
С использованием предложенной модели проведен анализ влияния инверторного режима зарядных станций электромобилей на качество электроэнергии в сети 10/0,4 кВ Новосибирских электрических сетей.
Вопросы надежного и качественного энергоснабжения потребителя, «расшивки узких мест», а также решение проблемы энергосбережения обосновывают актуальность организации инверторного режима при создании зарядных станций электромобилей (Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 10 - 110 кВ).
Проблема качества электроэнергии (КЭ) в системах электроснабжения в настоящее время является одной из наиболее важных проблем в энергетике, так как КЭ является существенным фактором, влияющим на эффективность режимов энергосистемы и потребителей, особенно в эру «капризного потребителя». Качество электроэнергии определяется надежной и устойчивой работой электропередачи [11].
Особенно актуальна данная проблема в сетях низкого напряжения, так как увеличение количества мелких нелинейных электропотребителей (компьютерная техника, телеаппаратура, аудио- и видеотехника, бытовые электроприборы, зарядные устройства и др.) происходит очень быстро.
Одной из причин снижения качества электроэнергии являются нелинейные нагрузки, которые генерируют электромагнитные помехи, а те, в свою очередь, приводят к искажениям синусоидальности кривых тока и напряжения, что снижает качество электроэнергии.
Поскольку зарядное устройство электромобиля при организации инверторного режима является нелинейной нагрузкой и помимо увеличения нагрузки на электросетевую инфраструктуру может быть причиной ухудшения качества электроэнергии за счет генерирования гармонических искажений, то необходим анализ влияния электромобилей на качество электроснабжения потребителя согласно ГОСТ 32144-2013 [12].
Зададим ток 10 А. На рисунке 6 представлены значения напряжения и тока инвертора в режиме ведомого, а также тока нагрузки, напряжения и тока генератора при разряде АКБ.
а)
б)
в)
г)
д)
Рисунок 6 - Напряжение (а) и ток (б) генератора, напряжение (в) и ток (г) инвертора в режиме ведомого и ток нагрузки (д)
№ 3(55) 2023 ^■ИЗВЕСТИЯ Транссиба 115
= -
Гармонические искажения приводят к увеличению потребляемой мощности и к снижению качества электроэнергии, тем более что в сетях до 1000 В основные потери мощности происходят именно от наличия несинусоидальности кривой тока и напряжения. Наиболее значимой с точки зрения отражения физической природы потерь мощности является несинусоидальность кривой тока, которая нормируется ГОСТ 30804.3.2-2013 и ГОСТ 30804.3.12-2013).
Несинусоидальный ток электрической сети приводит к ряду последствий, среди которых отмечают такие:
появление дополнительных потерь энергии в распределительных трансформаторах и проводах [12];
появление помех, мешающих нормальному функционированию подключаемого оборудования (РД 34.03.603 - Правила применения и испытания средств защиты, используемых в электроустановках, технические требования к ним. М.: Изд-во стандартов, 2003);
снижение срока службы и пропускной способности электрической сети;
повышение опасности производства на опасных производственных объектах.
Хотя в работе применение инвертора на базе высокочастотных современных полупроводниковых элементов позволяет достичь высокого уровня фильтрации гармонических составляющих, поиск и оценка эффективности способа коррекции формы кривой выходного напряжения и тока для трехфазных инверторов и приближение этой кривой к синусоидальной форме для устранения негативного воздействия высших гармоник напряжения являются довольно актуальными задачами.
Индуктивности трансформаторов выступают как фильтровые устройства, поскольку их индуктивность рассеяния в схеме замещения можно рассматривать как продольную индуктивность. В этом случае систему, включающую в себя инвертор и силовой трансформатор, можно рассматривать как обычный инвертор, дающий модифицированный синус.
В такой схеме вместо многократной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) за период достаточно использовать фазовую модуляцию, которая в данном случае будет рассматриваться как однократная ШИМ за рабочий период.
Исследование в среде Simulink показало, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения не будет превышать 16 %.
Технико-экономическое обоснование проекта организации инверторного режима зарядной станции электромобиля. С целью определения эффективности рассматриваемого проекта был произведен расчет его себестоимости в годовом исчислении. В таблицу 2 сведены данные по экономии указанных выше эксплуатационных затрат.
Для обоснования эффективности функционирования зарядной станции в рамках энергосистемы проведем технико-экономические расчеты.
Величина годовых эксплуатационных затрат по зарядной станции приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Годовые эксплуатационные затраты
Статья затрат Базовый вариант, тыс. руб. /год
Амортизационные отчисления 80,084
Расходы на содержание оборудования внедряемого варианта 39,06
Фонд заработной платы 1207,3
Отчисления на социальные нужды 365,9
Прочие эксплуатационные затраты (10 %) 169,344
Итого 1861,7
Таким образом, себестоимость проекта составляет 1861,7 тыс. руб. /год. Величина прибыли от реализации проекта (годовой прирост прибыли от внедрения мероприятия) формируется за счет реализации услуг по зарядке электромобилей.
Средняя стоимость полной зарядки электромобиля Сзар составляет в среднем 500 руб. Полный заряд обеспечивает электромобилю запас хода в Ьзар = 280-320 км. При среднем пробеге в год Ьгод = 25000 км стоимость заряда одного автомобиля
-■обсл
= Смр • -год = 500
зар
■^зар
25000 300
= 41667 руб./год.
Тогда при среднем количестве электромобилей, обслуживаемых на данной станции, п = 60 величина годовой прибыли от реализации проекта
П = 41,667 • 60 = 2500 тыс. руб.
При тарифе по Новосибирской области 2,68 руб. /кВт • ч получаем выработку электроэнергии: ВЭ = 2500000 = 932835 кВт • ч.
^ 2,68
Далее рассчитываем себестоимость производства электрической энергии для зарядной станции:
СС =
1861700 932835
= 1,99 руб./кВт • ч.
Таким образом, себестоимость производства электроэнергии составляет 1,99 руб. /кВт • ч. И это означает, что строительство данной зарядной станции для электромобилей является эффективным, поскольку себестоимость электроэнергии при питании от системы электроснабжения (СЭС) ниже, чем при питании от стационарной сети, следовательно, зарядная станция будет пользоваться спросом.
Исходя из технико-экономических расчетов можно сделать вывод о том, что себестоимость электроэнергии при питании от зарядной станции электромобиля ниже, чем при питании от стационарной сети, следовательно, зарядная станция будет пользоваться спросом: СС = 1,99 руб. /кВт • ч. Конкурентоспособность данного источника электроснабжения обосновывается отсутствием вредного воздействия на окружающую среду, а также дает возможность существенно повысить эффективность применения и проектирования электрических распределительных сетей за счет управляемой распределенной нагрузки; увеличить полезный отпуск электроэнергии в сеть за счет организации инверторного режима; обеспечить выравнивание «провала» в ночное время суток профиля нагрузок энергосистемы; при внедрении новейших технологий V2G рассматривать электромобили как распределенные накопители электроэнергии для покрытия пиковых нагрузок энергосистемы; существенно повысить эффективность применения электрических распределительных сетей и увеличить полезный отпуск электроэнергии.
В статье рассмотрены организация и проектирование инверторного режима для зарядной станции электромобилей, осуществлены моделирование и анализ режимов работы зарядной подстанции в пакете МА^АВ Simulink и решены следующие основные задачи:
проанализированы принципы работы зарядных станций и возможности организации инверторного режима их работы;
показано, что при составлении рациональных схем трехфазных инверторов напряжений целесообразно использовать основы теории структурного синтеза выпрямителей, где статический преобразователь рода тока представлен как совокупность топологических структур из ветвей, образованных силовыми полупроводниками (СПП) и обмотками силового трансформатора. Такое представление позволяет исключить из общего перечня реактивные элементы и связанные с ними ограничения, приводящие к недостаткам в работе трехфазных инверторов напряжений;
реализовано моделирование и проведен анализ режимов работы зарядной подстанции в пакете Matlab Simulink и показано, что применение современных управляемых полупроводников в мостовой схеме выпрямителя в сочетании с силовыми трансформаторами на высоких частотах позволяет достичь высокого уровня фильтрации и соответствовать требованиям стандарта по качеству электроэнергии ГОСТ 32144-2013;
проведено технико-экономическое обоснование проектирования зарядной подстанции электромобилей в условиях мегаполиса. Исходя из технико-экономических расчетов получена себестоимость электроэнергии при питании от зарядной станции электромобиля, которая оказалась ниже, чем при питании от стационарной сети, следовательно, зарядная станция будет пользоваться спросом, СС = 1,99 руб. /кВт • ч. Все это делает зарядные станции конкурентоспособными с точки зрения выдачи электроэнергии в сеть по сравнению с традиционным источникам энергоснабжения, поскольку наряду с приведенными выше преимуществами достигается улучшение экологической обстановки в регионах.
Список литературы
1. Ситуация на рынке и перспективы развития зарядных станций для автомобилей в России // vc.ru : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://vc.ru/u/229919-kate-skvortsova/272232-perspektivy-razvitiya-rynka-elektromobiley-i-zaryadnoy-infrastruktury-rossii/ (дата обращения: 24.05.2023).
2. Маньков, В.Д. Основы проектирования систем электроснабжения : справочное пособие. - Санкт-Петербург : НОУ ДПО «УМИТЦ Электросервис», 2010 - 664 с. - Текст : непосредственный.
3. Скундин, А. М. Современное состояние и перспективы развития исследований литиевых аккумуляторов / А. М. Скундин, О. Н. Ефимов, О. В. Ярмоленко. - Текст : непосредственный // Успехи химии. - 2002. - Т. 71. - № 4. - С. 378-398.
4. Проценко, Н. А. Расчетно-экспериментальная оценка распределения температур в случае технологических сбоев в работе литий-ионного аккумулятора космического назначения / Н. А. Проценко, В. Ю. Лапшин, Ж. М. Бледнова. - Текст : непосредственный // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - Т. 12. - № 4-3. -С. 596-600.
5. Ютт, В. Е. Перспективные системы тягового электрооборудования для транспортных средств / В. Е. Ютт, К. М. Сидоров, Т. В. Голубчик. - Текст : непосредственный // Вестник МАДИ. - 2012. - № 1 (28). - С. 56а-63.
6. Борс, Н. И. Электромобили как транспорт будущего / Н. И. Борс, Д. Ш. Муратов, Л. А. Пимукова. - Текст : непосредственный // Итоги 2015 года: идеи, достижения : сборник материалов региональной студенческой научно-практической конференции с всероссийским участием / Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ. - Казань, 2015. - С. 105-108.
7. Джайлаубеков, Е. А. Электромобили - будущее городского транспорта. Перспективы развития / Е. А. Джайлаубеков, М. А. Нартов. - Текст : непосредственный // Вестник КазАТК. - 2014. - № 1 (86). - С. 47-53.
8. Строганов, В. И. Моделирование систем электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой в процессах проектирования и производства : монография / В. И. Строганов, В. Н. Козловский. - Москва : Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), 2014. - 264 с. - Текст : непосредственный.
9. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д. Л. Файбисовича. -Москва : Энас, 2006. - 320 с. - Текст : непосредственный.
10. Мировой рынок электромобилей 2021 г. // e-cars.tech : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://e-cars.tech/analitika/skolko-elektromobiley-v-mire-svodnaya-analitika-na-konets-2021-goda/ (дата обращения: 24.05.2023).
11. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин / И. П. Копылов. - Москва : Высшая школа, 2001. - 327 с. - Текст : непосредственный.
12. Беспроводная зарядка автомобилей // en.habr.com : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://habr.com/en/company/vdsina/blog/559978/ (дата обращения: 24.05.2023).
References
1. Situatsiya na rynkeiperspektivy razvitiya zaryadnykh stantsij dlya avtomobilej v Rossii [Market situation and prospects for the development of car charging stations in Russia]. Available at: https://vc.ru/u/229919-kate-skvortsova/272232-perspektivy-razvitiya-rynka-elektromobiley-i-zaryadnoy-infrastruktury-rossii (accessed 24.05.2023).
2. Mankov V.D. Osnovy proektirovaniya system elektrosnabzheniya. Spravochnoe posobie [Fundamentals of designing power supply systems. Reference manual]. Saint-Petersburg, NOU DPO UMITTS Elektroservis Publ., 2010, 664 р. (In Russian).
3. Skundin A.M., Efimov O.N., Yarmolenko O.V. The state-of-the-art and prospects for the development of rechargeable lithium batteries. Uspekhi khimii - Russian Chemical Reviews, 2002, vol. 71, no. 4, pp. 378-398 (In Russian).
4. Protsenko N.A., Lapshin V.Yu., Blednova Zh.M. Computational and experimental assessment of temperature distribution in case of technological failures in the operation of a lithium-ion battery for space purposes. Izvestiia Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk - Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2010, vol. 12, no. 4-3, pp. 596600 (In Russian).
5. Yutt V.E., Sidorov K.M., Golubchik T.V. Advanced propulsion systems for electric and hybrid vehicles. Vestnik MADI- Bulletin of MADI, 2012, no. 1 (28), pp. 56a-63 (In Russian).
6. Bors N.I., Muratov D.Sh., Pimukova L.A. [Electric vehicles as transport of the future]. Itogi 2015 goda: idei, dostizheniia : sbornik materialov regional'noi studencheskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s vserossiiskim uchastiem [Results of 2015: ideas, achievements : collection of materials of the regional student scientific and practical conference with All-Russian participation]. Kazan, 2015, pp. 105-108 (In Russian).
7. Dzhajlaubekov E.A., Nartov M.A. Electric vehicles are the future of urban transport. Prospects for development. VestnikKazATK- Bulletin of KazATK, 2014, no. 1 (86), pp. 47-53 (In Russian).
8. Stroganov V.I., Kozlovskii V.N. Modelirovanie sistem elektromobilej i avtomobilej s kombinirovannoj silovoj ustanovkoj v processax proektirovaniya i proizvodstva: monografiya [Modeling of systems of electric vehicles and vehicles with a combined power plant in the processes of design and production: monograph]. Moscow, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI) Publ., 2014, 264 p. (In Russian).
9. Faibisovich D.L. ed. Spravochnikpoproektirovaniyu elektricheskikh setej [Electrical Network Design Handbook]. Moscow, Enas Publ., 2006, 320 p. (In Russian).
10. Mirovoj rynok elektromobilej 2021 [Global Electric Vehicle Market 2021]. Available at: https://e-cars.tech/analitika/skolko-elektromobiley-v-mire-svodnaya-analitika-na-konets-2021-goda (accessed 24.05.2023).
11. Kopylov I.P. Matematicheskoe modelirovanie Elektricheskikh mashin [Mathematical modeling of electrical machines]. Moscow, High School Publ., 2001, 327 p. (In Russian).
12. Besprovodnaya zaryadka avtomobilej [Wireless car charging]. Available at: https://habr.com/en/company/vdsina/blog/559978/ (accessed 24.05.2023).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мятеж Татьяна Владимировна
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ).
Карла Маркса пр., д. 20, корпус 2, г. Новосибирск, 630073, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы электроснабжения предприятий», НГТУ.
Тел.: +7 (3833) 46-15-51. E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Myatezh Tatiana Vladimirovna
Novosibirsk State Technical University (NSTU).
20, building 2, Karl Marx av., Novosibirsk, 630073, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Power Supply Systems for Enterprises», NSTU.
Phone: +7 (3833) 46-15-51. E-mail: [email protected]
Любченко Валентина Яковлевна
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ).
Карла Маркса пр., д. 20, корпус 2, г. Новосибирск, 630073, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы электроснабжения предприятий», НГТУ.
Тел.: +7 (3833) 46-15-51.
E-mail: [email protected]
Могиленко Егор Александрович
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ).
Карла Маркса пр., д. 20, корпус 2, г. Новосибирск, 630073, Российская Федерация.
Магистр кафедры «Системы электроснабжения предприятий», НГТУ.
Тел.: +7 (3833) 46-15-51.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Мятеж, Т. В. Исследование инверторного режима зарядных станций электромобилей на примере подстанции Театральная Новосибирской энергосистемы / Т. В. Мятеж, В. Я. Любченко, Е. А. Могиленко. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. - № 3 (55). - С. 106 - 120.
УДК 621.311.001.57
Lubchenko Valentina Yakovlevna
Novosibirsk State Technical University (NSTU).
20, building 2, Karl Marx av., Novosibirsk, 630073, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Power Supply Systems for Enterprises», NSTU.
Phone: +7 (3833) 46-15-51.
E-mail: [email protected]
Mogilenko Egor Aleksandrovich
Novosibirsk State Technical University (NSTU).
20, building 2, Karl Marx av., Novosibirsk, 630073, the Russian Federation.
Master of the department «Power Supply Systems for Enterprises», NSTU.
Phone: +7 (3833) 46-15-51.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Myatezh T.V., Lubchenko V.Ya., Mogilenko E.A. Study of the charging station inverter modes for electric vehicles on the example of the Novosibirsk energy system Teatralnaya substation. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 3 (55), pp. 106-120 (In Russian).
Ю. А. Секретарев, А. А. Горшунов
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г. Новосибирск, Российская Федерация
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ С РАЗЛИЧНЫМИ СХЕМАМИ ПИТАНИЯ
Аннотация. В статье рассматривается результат моделирования значений текущего технического состояния электрооборудования на основе раннее разработанных математических моделей. В процессе моделирования было рассмотрено 72 схемы и выбрано для моделирования четыре типовых схемы с различным количеством одновременно работающего оборудования: одноцепные воздушные линии без трансформаторов, двухцепные воздушные линии без трансформаторов, одноцепные воздушные линии с трансформатором и двухцепные воздушные линии с трансформаторами. Моделируемое значение текущего состояния в зависимости от количества оборудования, за которым осуществляется мониторинг, меняет свои пределы. В ходе работы для каждой из схем был получен ряд значений, имитирующий выборочную совокупность индекса технического состояния. Была выдвинута гипотеза о нормальном распределении генеральных совокупностей и проведена их проверка с помощью критерия согласия Пирсона. При увеличении числа учитываемого в процессе мониторинга электрооборудования замечено уменьшение среднего значения индекса технического состояния. Данный показатель имеет накопительную оценку технического состояния всей рассматриваемой системы электроснабжения. При комплексной оценке надежности систем электроснабжения резервируемые и нерезервируемые элементы учитываются при расчетах схемной надежности. Чтобы снизить вероятность отказа электрооборудования, необходимо проводить регулярную оценку его технического состояния, а также выполнять плановое техническое обслуживание и ремонтные работы. Для получения более точной оценки надежности можно использовать дополнительную информацию о состоянии оборудования, такую как данные о техническом обслуживании, ремонтах, дефектах. Эти данные могут быть использованы для определения периодов технического обслуживания и ремонта, что поможет снизить риски простоя оборудования.
