۲-۹ وسایل ذخیره انرژی
این وسایل با ذخیره انرژی در ساعات خاص و سپس پس دادن انرژی در ساعات تعیین شده به عنوان منبع توان تولید پراکنده در شبکه توزیع شناخته شده اند. وسایل ذخیره انرژی شامل باتری، SEMS ، سوپر خازنها، سدهای ذخیره آب و CAES می باشند. این وسایل معمولاً با انواع دیگر تولید پراکنده ترکیب می شوند تا در زمان پیک بار مورد استفاده قرار گیرند.
به کارگیری این وسایل مزایا و معایبی دارد که در زیر شرح داده شده اند.
مزایا:
۱- اصلاح کیفیت توان و قابلیت اطمینان
۲- کاهش اندازه تولیدات پراکنده
۳- صرفه جویی انرژی/ تقاضا از تقسیم بندی بار
۴- کاهش دادن احداث تجهیزات جدید در شبکه انتقال و توزیع
معایب:
۱- هزینه بالای سیستم ذخیره در مدت طولانی
۲- تلفات توان کنار سایت جهت حفظ انرژی شارژ شده
۳- نرخ تعمیرات بالا
با به کارگیری وسایل ذخیره انرژی می توان از اضافه توان شبکه در زمان پیک بار استفاده نمود و شبکه ای با قابلیت مانور بالایی داشت.
سیستم ذخیره سازی انرژی، یک قسمت مهم از شبکه هوشمند می باشد اما هزینه اصلی سیستم نیز به شمار می آید. اکثر سیستم های قدرت از باتریها برای عدم تطابق میان منابع انرژی تجدیدپذیر و بارها استفاده می کنند. یک مدل ساده از باتری در [۲۷] استفاده شده که در شکل ۲-۱۲ نشان داده شده است.
شکل۲-۱۲: بلوک دیاگرام از مدل باتری
فرمان شارژ و دشارژ باتری می باشد که توسط محدود می شود. ثابت زمانی برای باتری ، (۳/۰) ثانیه در نظر گرفته شده است. وضعیت شارژ باتری () که با انتگرال گیری از توان خروجی باتری () محاسبه می شود. وضعیت شارژ بین ۲۰% تا ۸۰% می باشد. یک توپولوژی مبدل باک- بوست نیز در [۳۴] بعد از مدل باتری قرار می گیرد.
وضعیت شارژ و دشارژ باتری طبق قواعد (۲-۱۳) می باشد.
| (۲-۱۳) | باتری در حالت شارژ | اگر ، آنگاه: |
| باتری در حالت دشارژ | اگر ، آنگاه: | |
| باتری در حالت طبیعی | اگر ، آنگاه: |
۲-۱۰ خودرو الکتریکی
در این بخش ابتدا، به تعریف و معرفی انواع خودروهای الکتریکی، تعریف اتصال خودرو به شبکه و کاربردهای آن پرداخته می شود، سپس فرصتها و چالشهای اتصال خودروی الکتریکی به شبکه و در نهایت مدل باتری و خودروی الکتریکی گفته خواهد شد.
.
۲-۱۰-۱ تعریف و معرفی انواع خودروهای الکتریکی
فناوری خودروهای الکتریکی اولین بار توسط گروه پورشه ابداع گردید اما اولین خودروی هیبرید با قابلیت اتصال به پریز برق را شرکت جنرال-موتورز در اواخر دهه ۱۹۶۰ معرفی کرد و بدین ترتیب آغاز (PHEV)[12] را می توان به آن زمان مربوط دانست. خودرو الکتریکی به خودرویی اطلاق می شود که از موتور الکتریکی برای تامین همه یا بخشی از توان مکانیکی لازم برای حرکت خودرو استفاده نماید. مرجع [۳۵] سه نوع خودروی الکتریکی را معرفی می کند که برای بحث اتصال خودرو به شبکه به کار می آیند: خودروی باتری دار[۱۳]، خودروی پیل سوختی[۱۴] و خودروی هیبرید[۱۵].
خودروهای باتریدار انرژی را به صورت الکتروشیمیایی در باتریها ذخیره می نمایند. از آنجایی که این خودروها باید برای شارژ به شبکه وصل شوند، هزینه های اضافی برای پیاد سازی (V2G)[16] در مورد این خودروها ناچیز است [۳۶].
خودروی باتریدار فاقد آلایندگی است و بازدهی بسیار بالایی دارد. اما قیمت تمام شده خودرو بالا بوده و مسافت اندکی را با یک بار شارژ طی می نماید. به دلیل وزن بالای باتری، باید از آلیاژهای سبک در ساخت آن استفاده گردد و در ضمن نیاز به نصب سیستم شارژ باتری در منازل یا محلهای پارک این خودرو وجود دارد.
خودروهای پیل سوختی انرژی را در قالب هیدروژن ذخیره مینمایند که از طریق ترکیب با اکسیژن جو در یک پیل سوختی، تولید برق می نمایند. مشکلاتی مثل ذخیره هیدروژن و تلفات تبدیل انرژی باعث پرهزینهشدن این نوع خودروها گردیده است.
برای استفاده در بحث V2G، برق تزریقی به شبکه از پیل سوختی به دست می آید که توسط ادوات الکترونیک قدرت به برق متناوب ۵۰ یا ۶۰ هرتز تبدیل می گردد [۳۶]. آلایندگی این خودرو نیز در حد صفر است و بازدهی ۵۰ تا ۶۰ درصدی و طی مسافت زیاد از سایر مزایای این نوع خودروها محسوب می شود. هر چند قیمت تمام شده این خودرو نیز بالاست و نیاز آن به ایجاد جایگاه های تامین سوخت هیدروژن نیز از جذابیتهای استفاده از این خودرو کاسته است.
خودروهای هیبرید از یک موتور احتراق داخلی استفاده می کنند که محور آن یک ژنراتور را می گرداند. یک باتری کوچک، انرژی ژنراتور و انرژی ترمز را ذخیره می نماید. باتری و ژنراتور، برق مورد نیاز یک یا چند موتور الکتریکی را که چرخها را می گردانند، تامین می کنند. توان موتور احتراق داخلی نیز به همین محور تزریق می شود [۳۶] قیمت این خودرو در مقایسه با خودروهای متعارف اندکی بالاتر است، اما کاهش مصرف سوخت به میزان تقریبی ۴ لیتر در هر صد کیلومتر و کاهش آلودگی هوا از مزایای اصلی آن به حساب می آید. مزیت این خودرو به خودروی پیل سوختی عدم نیاز به زیر ساخت ویژه برای تامین منبع انرژی بوده و مزیت آن نسبت به خودروی باتریدار طی مسافت زیاد است.
در آینده نزدیک، الکتریکی کردن ناوگان حمل و نقل راه کار مهمی برای کاهش آلودگی محیط زیست خواهد بود. با اتخاذ استراتژی های مختلف بهره برداری از خودروهای الکتریکی، پارکینگ این خودروها در دو نقش بار و یا منبع تولید انرژی برای شبکه توزیع عمل می کند. این استراتژیها شامل شارژ کنترل نشده، شارژ کنترل شده و شارژ و دشارژ هوشمند میباشند. بنابراین مکان قرار گرفتن این پارکینگها برای شرکتهای توزیع برق از نقطه نظر تلفات و ولتاژ شبکه بسیار حائز اهمیت است. مشخصه توان پارکینگ خودروهای الکتریکی ماهیتی غیر قطعی و احتمالاتی دارد.
از دیگر سو توان تزریقی پارکینگها می تواند، موجب جابجایی ساعات پیک بار سیستم گردد. بنابراین مکان یابی پارکینگ بر اساس بار پیک سیستم پاسخ حقیقی این مسأله را در بر نخواهد داشت.
با پیشرفت تکنولوژی باتری، استفاده از خودروهای الکتریکی(EV)[17] در برخی کشورها به سرعت در حال رشد می باشد. بر اساس مطالعه ای از سازمان مهارت و نوآوری انگلستان انتظار می رود ۳۷% از ناوگان خودروها تا سال ۲۰۳۰ خودروهای الکتریکی باشند[۳۷].
با افزایش نفوذ خودروهای الکتریکی، به دلیل ماهیت تصادفی شارژ باتری و حضور در مکانهای مختلف این خودروها، به شبکه توزیع، بار تحمیل می گردد. اگر این تحمیل بار در زمان پیک اتفاق بیفتد باعث تاثیرات نامطلوب بر شبکه توزیع از جمله افزایش تلفات و افت ولتاژ می گردد [۳۸]. از طرفی با رشد شبکه های هوشمند می توان با کنترل آنلاین، از قابلیت تبادل دو جهته توان خودروهای الکتریکی و به خصوص قابلیت دشارژ V2G خودروها استفاده کرد. از این رو می توان از پارکینگ خودروهای الکتریکی (EVP)[18] به عنوان نمونه جدیدی از منابع تولید پراکنده در آینده استفاده کرد [۳۹]. با اتخاذ استراتژی هوشمند شارژ و دشارژ خودروهای الکتریکی در محدوده پارکینگهای اداری و مسکونی می توان انرژی ذخیره شده در باتری خودروها را در بار پیک دشارژ و در درهی بار شارژ نمود و سبب اصلاح منحنی بار شد.
مرجع [۳۹] مکان یابی چند هدفه EVP را به منظور بهبود ولتاژ، قابلیت اطمینان و کاهش هزینه، بدون در نظر گرفتن مدل شارژ باتری خودروها انجام داده است. در [۴۰] نیز به تعیین ظرفیت و مکان EVP برای شارژ باتری خودروهای الکتریکی پرداخته شده است. در صورتیکه مدل سازی دقیق EVP، نیازمند در نظر گرفتن همزمان اثر شارژ و دشارژ و رفتار احتمالاتی خودروهای الکتریکی می باشد. میزان بار در طول روز متغیر است و مقدار تلفات در ساعات مختلف متفاوت میباشد. علاوه بر این، با اعمال استراتژی کنترلی هوشمند، به سبب دشارژ باتری خودروها در ساعات پیک، امکان جابجایی ساعت پیک در سیستم توزیع وجود دارد. در نتیجه نتایج واقعی با آنچه از مطالعه با بار پیک حاصل شده متفاوت خواهد بود.
۲-۱۰-۲ تعریف V2G و کاربردهای آن
هنگامی که به خودروهای الکتریکی پارک شده و متصل به شبکه به عنوان منابع ارائه دهنده خدمت به شبکه برق نگاه شود، ورود به بحث V2G صورت گرفته است. به بیان دیگر V2G به معنای استفاده از ظرفیت باتری خودروهای الکتریکی به عنوان ذخیره کننده انرژی الکتریکی برای ارائه توان الکتریکی یا خدمات جانبی به شبکه قدرت است. کاربردهای V2G علاوه بر مشارکت در بازارهای برق، شامل ایفای نقش مکمل برای تولیدات از منابع انرژی تجدیدپذیر نیز می باشند.
بدین معنی که نوسانات توان خروجی واحدهای تولید برق همچون بادی و فتوولتائیک توسط ذخیره انرژی در باتری خودروهای الکتریکی جبران شود. در [۴۱] V2G لازم برای پایدار کردن برق خورشیدی برای توان پیک و توان بادی برای بار پایه محاسبه شده است. چهار بازار مربوط به V2G از نظر [۴۱] عباتند از: بار پایه، پیک، رزرو گردان و تنظیم فرکانس. این مرجع ادعا می کند که V2G برای بار پایه مناسب نیست؛ تحت شرایطی برای پیک می تواند به کار رود؛ برای رزرو گردان رقابت پذیر است و برای تنظیم فرکانس به شدت رقابت پذیر است. بحث V2G در نقطه نظر [۴۲] دارای دو نوع یک سویه و دو سویه است که در نوع یک سویه جهت توان همواره از شبکه به سمت خودرو است ولی در نوع دو سویه امکان تزریق توان خودرو به شبکه نیز وجود دارد . در سایر مقالات همچون [۴۳] تنها به مورد دوم V2G اطلاق شده و مورد اول به عنوان [۱۹](G2V) نامیده شده است.
هنگامی که ایده ساخت خودروهای الکتریکی شکل گرفت، تصور می شد که این خودروها از دید شبکه قدرت تنها مانند یک بار معمولی به چشم می آیند. اما برخلاف بسیاری از مصارف خانگی برق مانند روشنایی، وسایل گرمایشی و سرمایشی، رایانه و …، مصرف واقعی انرژی الکتریکی توسط خودروها (هنگام رانندگی) از نظر زمانی بر مصرف برق این خودروها از شبکه (هنگام شارژ) منطبق نیست. شارژ بیشتر خودروهای الکتریکی حدود ۲ تا ۸ ساعت زمان می خواهد و لزومی ندارد که این زمان از همان لحظه اتصال شارژر آغاز شود.
بنابراین خودروی الکتریکی یک نوع بار منعطف است که می تواند از مصادیق پاسخ تقاضا[۲۰] محسوب شود. باید دقت داشت که برای پیاده سازی مفهوم پاسخ تقاضا برای مشترکین خانگی، نیاز به یک سطح حداقل از اتوماسیون وجود دارد. چرا که اصولاً مشترکین خانگی تمایل چندانی به واکنش نشان دادن به تغییرات خفیف قیمت برق ندارند. در [۴۴] به سه سناریوی مختلف برای فرایند شارژ خودروهای الکتریکی اشاره شده است که عبارتند از:
الف: شارژ فوری:
هنگامی که زیر ساختهای لازم برای اجرای بحث پاسخ تقاضا فراهم نباشد، مصرف کننده تمایلی به تغییر زمان شارژ خودروی برق خود ندارد. بنابراین مصرف کننده به محض رسیدن از محل کار به خانه، خودروی خود را به شارژ میزند. از قضا بازهی زمانی بازگشت به خانه با پیک بار انطباق داشته و بدین ترتیب افزایش پیک بار به وجود می آید.
