Способы оптимизации затрат при проектировании систем электроснабжения, использование которых в аварийном режиме не допускается, на примере систем электроснабжения электрических зарядных станций для наземного электротранспорта

В статье описывается возможный способ сокращения затрат на создание системы электроснабжения зарядных станций наземного электротранспорта на этапе проектирования с учётом отсутствия аварийного режима работы системы путём увеличения коэффициента загрузки силовых трансформаторов.

Ключевые слова: оптимизация в электроснабжении, аварийный режим работы, выбор мощности силовых трансформаторов, проектирование кабельных и воздушных линий электропередачи, коэффициент загрузки трансформатора.

С каждым годом электротранспорт находит всё более широкое применение как в повседневной, так и в промышленной отраслях жизни человека. В связи с потребностью в использовании электротранспорта возникла также и потребность в инфраструктуре, предназначенной для зарядки аккумуляторных батарей.

Современный электротранспорт использует в большинстве случаев аккумуляторные батареи, которые заряжаются путём подачи на них постоянного напряжения. Зачастую производитель аккумуляторной батареи находит наилучший алгоритм для зарядки аккумуляторной батареи. Этот алгоритм может выглядеть как графики, на которых отражаются значения изменения напряжения и/или тока в зависимости от времени, которое прошло от подключения аккумулятора к зарядной установке. Пример такого графика приведён на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде литий-ионного (Li-ion) аккумулятора [3]

На графике хорошо прослеживается ограничение по току, который идёт непосредственно на зарядку аккумулятора. Заметно что существует значение, выше которого ток не сможет подняться.

Конечно, существуют иные зарядные циклы, например, которые используются ПАО «КАМАЗ» в процессе эксплуатации электробусов.

Ввиду того что для общественного транспорта известна длина маршрута, который он должен пройти за один проезд по своему маршруту, и невозможность длинных остановок на маршруте с целью зарядки существует возможность однозначно определить меры для поддержания уровня заряда аккумуляторов. Из реализованных можно выделить использование полупантографа, который является механическим подвижным устройством и, соответственно, требует постоянного обслуживания и периодической замены контактного узла и который обеспечивает электробусу доступ к сети переменного тока, который необходимо выпрямить при помощи устройств, которые как ограничены в мощности, так и имеют не малую массу, что приводит к большим потерям электроэнергии. Помимо полупантографов возможно использование быстрых зарядных станций. На данный момент зарядные станции могут зарядить автобус менее чем за 45 минут. Этот показатель достигается за счёт оптимального способа заряда батарей. Для начала на несколько секунд на каждую ячейку батареи подаётся напряжение выше стандартного (4.2 В). Данный уровень постоянного напряжения держится менее десяти секунд, после чего напряжение падает. При необходимости цикл повторяется. Схематично способ зарядки батарей показан на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость напряжения, подаваемого на клеммы ячеек аккумуляторной батареи в зависимости от времени зарядки при ускоренном способе зарядки

В данном случае также прослеживается некоторое наибольшее напряжение, после которого идёт спад. Стоит заметить, что этот пик достаточно непродолжителен по времени.

Одной из структур системы электроснабжения зарядных станций для трёх одновременно заряжающихся электротранспортных средств может быть следующая топология, представленная на рис. 3:

Рис. 3. Блок-схема системы электроснабжения зарядных станций для электротранспорта

Согласно [1, п. 6], [2, п. 3], [4, п.2], [5 п. 1.2.18] выбирается необходимая мощность трансформаторов, их количество и перегрузочная способность.

Согласно [5 п. 1.2.18] станция для зарядки электрического транспорта будет относиться к третьей категории электроснабжения. При проектировании коэффициент загрузки трансформатора будет выбираться не более 0.95.

“Для трансформаторов цеховых подстанций следует, как правило, принимать следующие коэффициенты загрузки:

для цехов с преобладающей нагрузкой II категории при однотрансформаторных подстанциях с взаимным резервированием трансформаторов — 0,7–0,8;

для цехов с преобладающей нагрузкой II категории при возможности использования централизованного резерва трансформаторов и для цехов с нагрузками III категории — 0,9–0,95.” [6, п. 7.20]

Однако, имея информацию о роде нагрузки, приведённую в виде графиков выше, её характере и длительности, существует возможность оптимизации затрат путём увеличения коэффициента загрузки вплоть до 0,99.

Конечно, стоит учитывать допуски при проектировании трансформаторов, которые приведены в [1, таблица 2], т. к. мощность трансформатора, которая была заявлена производителем и которая будет использоваться при расчётах, будут отличаться от фактических значений, что может привести к тому, что трансформатор будет работать всегда в режиме перегрузки.

Основываясь на данных выше, можно сказать, что при проектировании систем электроснабжения зарядных станций для наземного электротранспорта коэффициент загрузки трансформатора может иметь значение близкое к единице.

Литература:

1. ГОСТ Р52719–2007.
2. ГОСТ 14209–97 (МЭК 354–91).
3. http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php.
4. ГОСТ 11677–85*.
5. ПУЭ. Правила устройства электроустановок. — Издание седьмое.
6. СН 174–75.