P O Z NA N UN I V E R S ITY O F TE C H N O LO GY A C A D E M IC J O U R N AL S
No 95 Electrical Engineering 2018
DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0024
__________________________________________
* Politechnika Poznańska
Leszek KASPRZYK
*, Robert PIETRACHO
*POJAZDY ELEKTRYCZNE,
A STRATY MOCY W SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ
Niniejszy artykuł dotyczy problematyki odpowiedniego wykorzystania dostępnych mobilnych magazynów energii i jej dystrybucji do odbiorców. Przedstawiono w nim krótką charakterystykę systemu elektroenergetycznego oraz metody regulacji parame- trów sieci z wykorzystaniem magazynów energii. Zaprezentowano symulację analizują- cą starty mocy w wybranych liniach sieci elektroenergetycznej. Wyniki obliczeń zostały przedstawione dla założonego modelu obciążenia sieci z uwzględnieniem wpływu ma- gazynów energii, podłączonych do sieci pojazdów elektrycznych.
SŁOWA KLUCZOWE: pojazdy elektryczne, eksploatacja, starty mocy, parametry sieci elektroenergetycznej, ładowanie, rozładowywanie.
1. WPROWADZENIE
Sieć elektroenergetyczna jest kluczowym elementem systemu energetyczne- go. Dzięki tej sieci istnieje możliwość dostarczenia energii elektrycznej do klien- tów indywidualnych i przemysłowych, korzystających z usług dystrybutorów.
Obecna struktura sieci elektroenergetycznej pozwala na zaspokojenie potrzeb odbiorców, jednakże dalszy wzrost zapotrzebowania wskazuje na to, że brak modernizacji sieci przyczynić się może do występowania licznych awarii i w konsekwencji przerw w dostawach energii. Jak wynika z danych Krajowego Systemu Energetycznego i Rynku Bilansującego, zużycie energii elektrycznej wzrosło o 7,2% w okresie 10 lat (od roku 2006 do 2016). Wzrost ten przedsta- wiono na rysunku 1. Na pracę sieci elektroenergetycznej ma ponadto wpływ kilka czynników, takich jak: wykonywanie pomiarów w trybie zdalnym, monito- rowanie systemów składowych, które nadzorują poprawną eksploatacje urzą- dzeń i linii na każdym poziomie napięć. W przypadku braku tych rozwiązań system narażony jest na lokalne nieplanowane wyłączenie z eksploatacji.
Na pod prowadze mogę wią i monitoru przesyłow czych. Od możliwoś przedstaw
Sieć S odnawialn ności pra SAIFI, SA obciążeni
Rys. 1. Zużyc
dstawie dany enie niezbędn ązać się z ujących prac wych i rozdz dnawialne źr ści moderniz wione korzyś
Rys. 2. Korzyś
mart Grid po nych, dlatego acy sieci ele
AIDI itp. ora a.
ie energii elektr (dane PS
ych z rysunk nych inwesty
zainstalowan cę sieci (Sm zielczych or ódła energii zacji sieci el ci wnikające
ści związane z z
ozwala na ko o takie połąc ektroenergety az pokrycie
rycznej na pods SE z dnia 22.04
ku 1 można ycji w sekto niem intelig mart Grid), z raz zwiększe i ich integra lektroenerget e z zastosowa
zastosowaniem
ontrolę produ czenie pozw ycznej i obn
lokalnych st
stawie raportów 4.2017 r.)
stwierdzić, ż orze energety gentnych sys zwiększeniem eniem genera acja z siecią S tycznej [6].
ania tych sys
inteligentnych
ukcji energii woliłoby na z niżenie wart trat mocy w
w miesięcznych
że konieczne ycznym. Inw stemów pom m przepustow acji z źróde Smart Grid je
Na rysunku stemów.
sieci i OZE [3]
elektrycznej zwiększenie
tości współc sieci w zale
h
e jest prze- westycje te
miarowych wości linii eł wytwór-
est jedną z u 2 zostały
]
j ze źródeł niezawod- czynników eżności od
Nagłe mogą pow doprowad wyłączeni stawiono cy sieci z
Rys. 3. T
Popraw ryzyka aw którymi w zespoły u niepowod w sposób Więks efektywno getycznym żenia i du mogą stan których źr przedstaw we zapotr Eksplo zapotrzeb strat syste cy, spadk wykorzys
Pojazdy ele
2. RE E
i niekontro wodować w dzić do zadz ia elektrown przykładowy oraz bez maTeoretyczny wp
wę jakości en warii można u według rozp urządzeń słu dujące emisj pozwalający zość magazy ości zarządz m. Ponadto c użą dyspozyc nowić system
ródeł [2] (tur wiono potenc rzebowanie m oatacja syste bowania na m
emowych [5]
ków napięć i staniu obecn
ektryczne, a st
EGULACJA ELEKTRO
olowane zmi występowanie ziałania auto ni z systemu y wpływ zm agazynu enerpływ nagłej zm
nergii w siec uzyskać wyk porządzenia m użących do p
i substancji, y na jej częśc ynów energi ania procesa charakteryzuj cyjność. Wra m hybrydowy
rbiny wiatro cjalny wpływ mocy w Kraj emu elektroe moc i energi ], dlatego za i częstotliwo ych technolo
traty mocy w
A PARAM OENERGE
iany zapotrz e wahań czę omatyki zabe u elektroener mian obciążenrgii.
iany obciążenia
ciach elektro korzystując r ministra [8]
przechowyw , która moż ciowe odzysk ii posiada ce ami energety ują się krótkim
az z odnawia y, który poz we, moduły w wykorzyst owym Syste nergetyczneg e przez jedn chodzi konie ości. Bilans m
ogii magazy
sieci elektroe
METRÓW S ETYCZNEJ
zebowania n ęstotliwości ezpieczeniow rgetycznego.
nia na podsta
a w sieci na nap
oenergetyczn różnego rodz są wyodręb wania energii
e być szkod kanie.
echy, które p ycznymi w p
m czasem re alnymi źródła zwoli na leps
fotowoltaicz ania magazy emie Elektroe go polega na nostki wytwó
eczność stałe mocy może ynowania en
energetycznej
SIECI J
na energię e i napięć, kt wej i w kon Na rysunku awowe param
pięcie i częstotli
nych oraz zm zaju magazyn
bnione urząd i w dowolne dliwe dla śr pozwalają na polskim syste akcji na zmi ami energii, sze wykorzy zne itd.). Na ynów energii energetyczny a ciągłym po órcze oraz po ej kontroli bi
być realizow nergii elektry
257
elektryczną tóre mogą nsekwencji u 3 przed- metry pra-
iwość [5]
mniejszenie ny energii, dzenia lub ej postaci, rodowiska, a poprawę emie ener- ianę obcią- magazyny stanie nie-
rysunku 4 i na dobo- ym.
okrywaniu okrywaniu ilansu mo- wany przy ycznej. Na
rysunku 5 w zależno
Rys.
System dostosowy poziomu gię elektr większego gię elektr
5 przedstawi ości od ich sp
4. Teoretyczny elekt
Rys. 5. Wy
m elektroene ywać genera zużycia ener ryczną mógł o zapotrzebo ryczną korzy
iono możliw pecyfiki.
wpływ wykorz troenergetyczne
ykorzystanie ma w zależno
ergetyczny p ację w taki rgii w godzi ł jednocześn owania. Wyr ystnie wpłyni
wości wykorz
zystania magazy ego (dane PSE
agazynów ener ości od ich specy
powinien bil sposób, by inach najmni nie obniżyć
równanie dob ie na stabiln
zystania różn
ynów energii n z dnia 22.04.20
rgii do poprawy yfikacji [1]
lansować ob przy jedno iejszego zap zapotrzebow bowego zap ność systemu
nego typu m
a obciążenie sy 017 r.)
y pracy sieci
bciążenie i o czesnym po otrzebowani wanie mome otrzebowani u i efektywno
magazynów
ystemu
optymalnie odniesieniu ia na ener-
ntach naj- ia na ener- ość wyko-
rzystania standardo wione w f
Rys. 6. P
3. W
Na pod można za to związa baterii, kt sprzedawa
Znaczą nia mode rzystywan ścią pojem nawet do będzie wp przypadku rozłożenie powinny z
Pojazdy ele
odnawialnyc owych warun formie grafic
Przykładowa kr
WYKORZY I IC
dstawie dany auważyć wzr ane z rozwojetóre są najdr anych pojazd ący wzrost li ernizacji w i
ne do magaz mności (rzęd 120 kW, dl pływać na st u opracowan e w czasie pr zachodzić w
ektryczne, a st
ch źródeł en nków pracy cznej na rysu
rzywa zmian ob
YSTANIE P CH WPŁYW
ych statystyc rost liczby poem technolog roższym ele dów na teren iczby pojazd stniejącej sie zynowania en du kilkudzies
latego wzros tan sieci elek
nie systemu rocesów łado
godzinach, w
traty mocy w
nergii. Ponad systemu. Op unku 6.
bciążenia dla sy
POJAZDÓ W NA PRA
cznych Europ ojazdów elek gii i obniżen ementem sam nie Europy zo dów niesie za eci elektroen nergii w poj sięciu kWh), st liczby tyc ktrycznej w p u ładowania,
owania samo w których si
sieci elektroe
dto zminimal pisane założ
ystemu polskieg
ÓW ELEKT CĘ SYSTE
pejskiej Age ktrycznych n niem kosztów mochodu. Dy ostała przeds a sobą konie nergetycznej azdach cech , a moce stach odbiornikó przyszłości.
, który pozw ochodów elek eć jest najmn
energetycznej
izuje to odch żenia zostały
go, na dzień 22.0
TRYCZNY EMU
encji Środow na terenie Eu w produkcji,
ynamika zm stawiona na r eczność przep
j. Akumulato hują się wyso cji ładowania ów w znacz
Konieczne j woliłby na
ktrycznych.
niej obciążon
259
hylenia od y przedsta-
04.2017 r
YCH
wiska EEA, uropy. Jest zwłaszcza mian liczby rysunku 7.
prowadze- ory wyko- oką warto- a wynoszą zny sposób jest w tym optymalne Procesy te na.
Rys. 7
Taka s spowodow fakt, że ce nych. W wykorzys stać jej na nej. Ważn nieczność tryczny ze w ciągu d Właścicie na stan si rozliczani stywania j Ze wz liczby szc łaby na b konieczne wyposażo lity w Eur Ponadt nych źród
7. Wzrost sprze
sytuacja poz wanej przeci ena jednostk ciągu dnia stywana w w
admiar do po nym aspekte ć kontrolowa
e względu na doby, dlatego el pojazdu po ieci elektroen a między dy jego akumula zględu na uw czytowo-pom bezpieczną i e jest wyko one w baterie
ropie jest to c to korzystan deł energii pr
edaży pojazdów na ry
zwoliłaby nie ążeniem, ale kowa energii energia zgro większości pr okrywania lo em problema ania poziom a swoją funk o nie można
owinien być nergetycznej ystrybutorem atorów do ce warunkowani mpowych ma i stabilną pr
rzystanie ro e akumulator cel możliwe nie ze zmag rzyczynia się
w elektrycznych ynku europejski
e tylko na zm e również na
jest najniższ omadzona w rzypadków.
okalnych stra atyki wykorz mu naładowa kcję musi by
dopuścić do w stanie ko j. Kolejnym m a właścicie elów regulacy
ie geograficz agazynów en racę całego ozproszonych
rów. Biorąc p do zrealizow azynowanej ę do obniżeni
h i hybrydowych im [4]
mniejszenie obniżenie k za w godzina w akumulato Z tego wzg at mocy w si zystania tego ania akumul yć dyspozycy całkowitego orzystać z sam
aspektem jes elem pojazdu yjnych w syst zne Polska n nergii, który
systemu ene h magazynów
pod uwagę st wania.
energii poc ie emisji CO
h w latach 2010
ryzyka awa osztów, ze w ach wieczorn rach, nie jes ględu można
ieci elektroen o rozwiązani latorów. Poj yjny w każde o rozładowan
mochodu be st określenie u w zakresie
temie energe nie ma wyst ych obecność ergetycznego w, jakimi s topień rozwo chodzącej z O2. Jest to waż
0-2015
arii w sieci względu na nych i noc-
st w pełni wykorzy- nergetycz- ia jest ko- jazd elek- ej godzinie
nia baterii.
ez względu sposobów e wykorzy-
etycznym.
tarczającej ć pozwoli- o. Dlatego są pojazdy oju emobi-
odnawial- żny aspekt
Pojazdy elektryczne, a straty mocy w sieci elektroenergetycznej 261
biorąc pod uwagę coraz wyższe wymagania stawiane krajom członkowskim EU, dotyczące ograniczanie emisji gazów do atmosfery wynikające z produkcji ener- gii elektrycznej.
4. PRZYKŁAD OBLICZENIOWY
Głównym celem symulacji jest określenie wpływu grupy pojazdów elek- trycznych na rozpływ mocy w przykładowym systemie elektroenergetycznym.
W proponowanej symulacji zakłada się, że proces ładowania i rozładowywania akumulatorów pojazdów elektrycznych zachodzi w sposób kontrolowany.
W tym celu opracowano aplikację, której algorytm składa się z następujących etapów:
1. Wybór modelu sieci, na podstawie którego obliczony zostanie rozpływ mocy w tej sieci. Dla przykładowych obliczeń został wybrany model sieci IEEE 5 z zadeklarowanymi parametrami opisującymi tę sieć (rys. 8).
2. Wybór profilu ładowania i rozładowywania pojazdu elektrycznego. Pojazdy elektryczne w określony sposób wpływają na warunki pracy sieci w zależno- ści od godziny w ciągu dnia. W obliczeniach uwzględniono profil przedsta- wiony na rysunku 9.
3. Określenie krzywej zmiany obciążenia i strat w liniach między węzłami.
Aplikacja pozwala na wykreślenie charakterystyk, które obrazują zmianę rozpływu mocy w systemie w zależności od przyłączonych do węzłów po- jazdów elektrycznych.
Rys. 8. Model sieci IEEE 5 bus [7]
W celu określenia rozpływu mocy konieczne jest zadeklarowanie parame- trów linii przesyłowych, które opisują sieć. Parametry te zostały przedstawione
w tabeli 1. Profil generacji został określony dla każdego węzła zgodnie danymi przedstawionymi na z rysunku 10. Wartości generowanych mocy zostały przed- stawione w tabeli 2. Na rysunku 9 przedstawiono shemat zastępczy linii przesyłowej łączącej dwa węzły, stanowiący czwórnik typu π. Parametrami strukturalnymi opisującymi ten czwórnik są: rezystancja R, reaktancja X oraz dwie poprzecznie włączone susceptancje B/2 (pominięto konduktancję pomiędzy liniami oraz między liniami, a ziemią).
Rys. 9. Linia elektroenergetyczna ˗ schemat zastępczy [5]
Tabela 1. Zestawienie parametrów linii przesyłowych [7].
Numer linii Z węzła Do węzła R [Ω] X [Ω] B [S]
L1 W1 W2 0,02 0,06 0,030
L2 W1 W3 0,08 0,24 0,025
L3 W2 W3 0,06 0,18 0,025
L4 W2 W4 0,06 0,18 0,020
L5 W2 W5 0,04 0,12 0,015
L6 W3 W4 0,01 0,03 0,010
L7 W4 W5 0,08 0,24 0,025
Tabela 2. Parametry węzłów generacyjnych.
Nr
węzła Moc czynna
[MW] Moc bierna [Mvar]
W1 0 0
W2 4 3
W3 4 0
W4 4 0
W5 5 0
Rys. 10.
W celu zostały za a) bez uw b) z uwz
dów el Na po punktów g energetyc (rys. 12) w
R r
W przy niach osią Wartość t nie, repre
Pojazdy ele
Profil ładowani
u przedstawi aimplemento względnienia zględnieniem lektrycznych odstawie prze
generacji prz cznej tzn. kr w liniach łąc
Rys. 11. Profile rozpatrywanych
ypadku, gdy ągają najwię tych strat wy ezentując ob
ektryczne, a st
ia i rozładowyw
ienia różnic w wane następ a dodatkowy m dodatkowy h podłączony eprowadzone zedstawiono rzywej obci zących posz
obciążenia h węzłów
y sieć pracuje ększe wartoś ynosi około 2
ciążenie cha
traty mocy w
wania grupy poj
w rozpływie pujące przypa ych punktów ych punktów ych do węzła ej symulacji wykresy, kt iążenia (rys.
czególne wę
Rys.
e bez dodatk ści dla linii 5
2,2 MWh. Pr arakterystycz
sieci elektroe
jazdów wykorz
mocy w siec adki:
generacji, w generacji w
3.
i nieuwzględ tóre reprezen . 11) oraz d ęzły zgodnie
12. Dobowe str liniach an
kowej genera 5 (łączącej w
rofile obciąż zne dla dane
energetycznej
zystywanych w
ci IEEE 5, d
w postaci gru dniającej dod ntują stan sie dobowe stra z tabelą 1.
raty energii we nalizowanej siec
acji, straty en węzeł drugi żenia nie uleg
ego węzła. W 263
symulacji
o aplikacji
upy pojaz- datkowych eci elektro- aty energii
wszystkich ci
nergii w li- z piątym).
gają zmia- W wyniku
analizy m generacji otrzymano
R r
Na pod obciążeni trycznych dowywan czas ich p węzły zo dodatkow tość strat w stosunk
Rys. 15.
modelu tego s w postaci p o wykresy, k
Rys. 13. Profile rozpatrywanych
dstawie otrzy a dla węzła h. Pojazdy te nia i jednocz ponownego ł ostały zmniej wych źródeł (
t mocy na ku do obliczo
. Porównanie c
samego syste pojazdów ele które zobrazo
obciążenia h węzłów
ymanych wy 3, do które e stanowiły ź ześnie pracow
ładowania. S ejszone w p
(rys. 15). Dla poziomie 2 onego model
całkowitych stra
emu lecz po ektrycznych owano na rys
Rys.
ykresów moż ego została p
źródło energ wały jako od Straty mocy
orównaniu z a porównani 2 MW. Jest lu bez podłąc
aty mocy (we w
dołączeniu d z możliwoś sunkach 13 i
14. Dobowe str liniach ana
żna zaobserw podłączona gii elektryczn
dbiornik ene w liniach łą z wariantem a w linii 5 m to wartość czonych poja
wszystkich anali
dodatkowych cią oddawan
14.
raty energii we alizowanej siec
wować zmian grupa pojaz nej podczas ergii elektryc ączących pos m nieuwzglę można odnoto
mniejsza o azdów.
izowanych linia
h punktów nia energii
wszystkich ci
nę krzywej zdów elek-
ich rozła- cznej pod- szczególne ędniającym ować war- o 0,2 MW
ach sieci)
Pojazdy elektryczne, a straty mocy w sieci elektroenergetycznej 265
5. PODSUMOWANIE
W przypadku wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną konieczne jest uwzględnienie dodatkowych źródeł energii, które w przyszłości mogą stanowić źródła interwencyjne. Możliwe jest zaplanowanie generacji na podstawie prze- widywanego obciążenia w systemie elektroenergetycznym, lecz planowanie to może być nieskuteczne w przypadku wystąpienia sytuacji losowych, na przykład awarii urządzeń wytwórczych. Wówczas magazyny energii mogą wspierać sys- tem nie dopuszczając jednocześnie do wystąpienia blackout’u.
Przeprowadzona analiza potwierdza pozytywne oddziaływanie pojazdów elektrycznych na parametry sieci elektroenergetycznej, w tym na kształt dobo- wego profilu obciążenia. Pojazdy te mogę służyć przede wszystkim jako źródła energii do pokrywania lokalnych strat mocy. Na podstawie otrzymanych wykre- sów można zaobserwować zmiany w rozpływie mocy w systemie i redukcję strat występujących w liniach sieci elektroenergetycznej.
Wykorzystanie pojazdów elektrycznych jako magazynu energii wiąże się ze zwiększeniem intensywności procesów starzeniowych ich baterii, dlatego ko- nieczne jest również określenie aspektu ekonomicznego emobilności. Takie działania są możliwe jedynie przy wykorzystaniu nowych technologii komuni- kacyjnych w energetyce.
LITERATURA
[1] ABB, Magazyn dla klientów ABB w Polsce 3/13, http://new.abb.com/docs/
librariesprovider28/dzisiaj/dzisiaj-013_3.pdf?sfvrsn=4, dostęp: 24.06.2017.
[2] Dobrzycki A., Kamiński J., Pietracho R., Koncepcja algorytmu optymalnego po- działu mocy źródeł hybrydowej elektrowni wiatrowo-solarnej, Poznań University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, Issue 87, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, pp. 143-154, Poznań, 2016.
[3] Fan Z., Kulkarni P., Gormus S., Efthymiou C., Kalogridis G., Sooriyabandara M., Zhu Z., Lambotharan S., Chin H.W., Smart Grid Communications: Overview Of Research Challanges, Solutions and Standardization Activities, IEEE Communica- tions Surveys & Tutorials, pp. 21-38, ISSN 1553-877X , 2012.
[4] Jóźwicka M., Hacker F., Hulsmann F., Kuhnel S., Minnich L., Purwanto J., Bolech M., Electric vehicles in Europe, European Environment Agency, ISSN 1977-8449, 2016.
[5] Kahl T., Sieci Elektroenergetyczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, ISBN 83-204-0261-1, Warszawa, 1984.
[6] Mwasilu F., Justo. J. J, Eun-Kyung K., Duc Do T., Jin-Woo Jung., Electric vehicles and smart grid interaction: A review on vehicle to grid and renewable Energy sources integration, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 34, pp 501-516, 2014.
[7] Srikanth P., Rajendra O., Yesuraj A., Tilak M., Raja K., Load Flow Analysis Of Ieee 14 Bus System Using Matlab, International Journal of Engineering Research &
Technology, Volume 2, Issue 5, ISSN 2278-0181, 2013.
[8] Ustawa o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 r., Dz.U. z 2015 r.
poz. 478.
ELECTRIC VEHICLES AND POWER LOSSES IN A TRANSMISSION NETWORK
This article deals with the issue of appropriate use of energy stores and its distribu- tion to customers. It presents a short characteristic of the power system and methods for regulating network parameters using energy storages. A simulation analyzing power losses in selected power network lines was presented. The results of the calculations were presented for the assumed load model of the network, taking into account the im- pact of energy storage, which is represented by electric vehicles
(Received: 24.01.2018, revised: 09.03.2018)
