Đăng ký thành viên

Định cỡ đúng máy biến áp hộ sinh hoạt phù hợp dùng cho xe điện

Bộ sạc xe điện có thể gây quá tải máy biến áp, khiến chúng sớm bị hỏng, nhưng việc lên kế hoạch cẩn thận có thể giảm thiểu những tác động có hại này (Ảnh st)

Quá trình điện khí hóa giao thông vận tải đang tăng tốc nhanh chính xác đến mức độ nào vẫn còn là một câu hỏi mở. Các dự báo về việc áp dụng xe điện (EV) rất khác nhau, với nhiều nguồn cho thấy thị phần doanh số bán xe điện có thể lên tới đâu đó từ 35% đến 50% vào năm 2030. Theo hãng nghiên cứu và thu thập thông tin về ô tô Wards Intelligence (Mỹ), xe điện đã chiếm 11% doanh số bán xe hạng nhẹ tại Mỹ trong năm 2021.

Mặc dù hài hòa với các mục tiêu khử cacbon và điện khí hóa quyết liệt, nhưng các tỷ lệ tăng trưởng này đặt ra thách thức cho các công ty điện lực. Khi xe điện giành được thị phần và các nhà lập pháp triển khai chính sách thân thiện với xe điện để đẩy nhanh việc áp dụng, các công ty điện lực phải chuẩn bị cho những tốc độ gia tăng chưa từng thấy về phụ tải điện sinh hoạt do sạc xe điện. Việc đáp ứng phụ tải tăng thêm này có thể kéo theo những thay đổi đối với các tham số thiết kế đã thiết lập.

Để hiểu rõ hơn về tác động của sự gia tăng phụ tải EV đối với máy biến áp sinh hoạt vốn thiết yếu để giảm điện áp phân phối cho mục đích sử dụng cuối của sinh hoạt, Công ty POWER Engineers (Mỹ) đã sử dụng phần mềm CYME 9.0 để phân tích chuỗi thời gian gần như tĩnh trên một mô hình phân phối thực tế từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL, Mỹ). Điều này đòi hỏi phải phát triển một phương pháp dự báo và xây dựng các đường cong chuỗi thời gian sạc EV sinh hoạt để sử dụng trong phân tích.

Bằng cách sử dụng các công cụ này, POWER Engineers đã đánh giá những thay đổi về hệ số đa dạng, hệ số phụ tải và phụ tải sinh hoạt trung bình liên quan đến việc sạc xe điện. POWER Engineers cũng đã nhận dạng các nâng cấp máy biến áp có nhiều khả năng cần thiết để tích hợp một cách an toàn các phụ tải EV vào các hệ thống phân phối điện sinh hoạt đã xác lập. Điều này hỗ trợ việc cân nhắc rộng hơn các quy trình định cỡ máy biến áp hiện tại liên quan đến sự tăng trưởng của phụ tải EV.

Dự kiến, các tài sản như máy biến áp ​​sẽ có tuổi thọ từ 20 đến 30 năm hoặc dài hơn. Với thị phần xe điện ngày càng tăng qua từng năm, việc hiểu được tác động của những thay đổi phụ tải liên quan và những cải thiện về phương pháp luận hoặc nâng cấp công nghệ cần thiết để đáp ứng chúng là mối quan tâm đặc biệt của các công ty điện lực và các bên liên quan.

Cùng với nhu cầu kỷ lục về máy biến áp và các tắc nghẽn trong chuỗi cung ứng đang diễn ra, những thay đổi này trong thói quen của các hộ tiêu thụ đặc biệt quan tâm đến việc định cỡ chính xác máy biến áp, tiết kiệm chi phí và có ý thức về tài nguyên trong việc triển khai hiện nay và trong tương lai. Phân tích mô hình của NREL này đã giúp công ty điện lực hiểu chính xác hơn tác động của phụ tải EV lên máy biến áp sinh hoạt, điều này sẽ cho phép các nhà quy hoạch phát triển các thực hành thiết kế mạnh mẽ hơn nhằm hướng dẫn các quyết định nâng cấp quan trọng có lưu ý đến sự tăng trưởng áp dụng EV.

Các giả định trong nghiên cứu

Phát triển các đường cong sạc điện thực tế là rất khó. Cho đến nay, các nghiên cứu nhằm xây dựng các đường cong phụ tải xe điện thực tế thường dựa vào các cỡ mẫu nhỏ từ một số ít thành phố. Mặc dù là những bước đi nền tảng đầu tiên, nhưng các nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc còn hạn chế về những thói quen luôn thay đổi, đang tiến triển giữa các vùng và thống kê dân số. Sự khan hiếm dữ liệu đáng tin cậy cũng làm cho việc mô hình hóa trở nên phức tạp. Các bộ sạc công cộng thường thu thập dữ liệu về loại ô tô và thời lượng sạc, nhưng có nhiều khả năng đây không phải là cổng sạc chính đối với hầu hết những người dùng xe điện.

Ví dụ như EPRI báo cáo rằng 80% quá trình sạc diễn ra tại nhà, nơi các ổ cắm 240V thường không thu thập dữ liệu. Hầu hết dữ liệu sạc tại nhà đều đến từ công tơ thông minh do các đơn vị có thỏa thuận riêng với khách hàng của họ cung cấp. Thông tin này có thể được sử dụng để mô hình hóa các vị trí cụ thể nhưng có thể không hỗ trợ các kết luận thực tế, đáng tin cậy cho các công ty điện lực mong muốn hiểu về việc sạc xe điện ở các khu vực khác.

Để bù đắp cho những thách thức này đòi hỏi phải có những giả định. Theo các mục đích nghiên cứu của POWER Engineers, các phụ tải sinh hoạt đã được nhận dạng là các địa điểm sạc EV dựa trên các trường hợp áp dụng thấp, trung bình, cao và thời gian sử dụng trung bình, với 70% các địa điểm sạc được chỉ định một chiếc xe chạy bằng acquy có dung lượng 68,4kWh và 30% được chỉ định một chiếc xe điện hybrid có dung lượng 13,5kWh. Các bộ sạc cấp 2 với tốc độ sạc 7,2kW đã cấp điện cho các xe điện.

Để tìm ra khách hàng bắt đầu sạc xe của họ vào thời điểm nào trong ngày, POWER Engineers đã sử dụng các hàm mật độ xác suất từ ​​BEV (xe điện chạy bằng acquy) cũng như PHEV (xe hybrid kiểu ổ cắm). Điều này cung cấp cho POWER Engineers thông tin xác suất khách hàng sẽ bắt đầu sạc xe điện của họ dựa trên mức acquy hoặc trạng thái sạc (SoC) hiện tại của họ. Khi khách hàng bắt đầu sạc dựa trên SoC, hàm xác suất thứ hai đã được sử dụng để chỉ định thời điểm bắt đầu sạc trong mô hình.

Căn cứ vào xếp hạng công suất kWh/km trung bình của hai kiểu xe điện phổ biến (Tesla Model X và Chevy Volt), POWER Engineers đã chỉ định tốc độ xả trung bình 9,4 kWh/ngày (δ=10,25 kWh/ngày) cho các BEV và tốc độ xả trung bình 0 kWh/ngày (δ=7,3 kWh/ngày) cho các PHEV.

Thử nghiệm

Để đánh giá các tác động có nhiều khả năng xảy ra của việc tăng cường sử dụng xe điện và phụ tải sạc liên quan lên máy biến áp sinh hoạt, các bộ dữ liệu từ NREL đã cung cấp một nền tảng thử nghiệm để triển khai các phụ tải xe điện sinh hoạt trong một mô hình phân phối thực tế nhưng tổng hợp. POWER Engineers đã thực hiện phân tích chuỗi thời gian gần như tĩnh (QSTS) của dữ liệu chuỗi thời gian sạc EV sinh hoạt được tạo ra trong Python 3 cho ba cấp độ áp dụng EV thấp (áp dụng EV 5% trên khách hàng), trung bình (30% trên khách hàng) và cao (60% trên khách hàng).

Việc sử dụng nhiều xe điện có thể dẫn đến phụ tải đỉnh cao hơn và tăng độ hao mòn trên máy biến áp cấp phân phối (Ảnh st)

Mỗi khách hàng đã nhận được một PHEV, BEV hoặc không EV nào dựa trên tỷ lệ áp dụng đã nêu (thấp, trung bình, cao). Thời gian mang tải 365 ngày đã được mô phỏng bằng một đường cong mang tải có độ phân giải 15 phút duy nhất cho mỗi khách hàng. Các hàm mật độ xác suất dựa trên SoC được sử dụng để quyết định thói quen sạc của khách hàng. Nếu khách hàng sạc xe điện vào một ngày đã cho, POWER Engineers sử dụng hàm mật độ xác suất để xây dựng các đường cong thời gian chuẩn hóa các ngày trong tuần và cuối tuần nhằm xác định thời điểm xe bắt đầu sạc. Việc chuyển xác suất thời gian bắt đầu sạc vào ngày trong tuần lên cao nhất vào lúc 23:00 mà không sửa đổi đường cong sạc cuối tuần đã cho phép POWER Engineers đánh giá kế hoạch TOU (thời gian sử dụng).

Biểu diễn đơn giản hóa cấu trúc liên kết lộ xuất tuyến được sử dụng để mô phỏng (Ảnh st)

Để xem tác động của phụ tải EV lên máy biến áp hộ sinh hoạt, POWER Engineers đã sử dụng cấu trúc liên kết lộ xuất tuyến. Các tệp vị trí JSON, được cung cấp cùng với dữ liệu NREL đã xác định các mức độ áp dụng và vị trí phụ tải EV riêng biệt. Trường hợp tỷ lệ áp dụng cao bao gồm khả năng có xe điện thứ hai tại một số khu dân cư. Các mô hình đã xác định dữ liệu phụ tải theo chuỗi thời gian của khách hàng dân cư dưới dạng phần trăm của tổng phụ tải có thể có trong khoảng thời gian 15 phút trong 365 ngày, với cấu hình phụ tải sạc xe điện được thêm vào nơi xe điện được chỉ định. Tập lệnh Python so sánh cấu hình phụ tải theo chuỗi thời gian của khách hàng với tổng phụ tải nhìn thấy ở phía cao áp của máy biến áp và cung cấp hệ số đa dạng đồng thời cho từng máy biến áp trong toàn bộ khoảng thời gian 365 ngày.

Thay đổi hệ số đa dạng đối với máy biến áp có phụ tải EV (Ảnh st)

Để liên hệ sự thay đổi hệ số đa dạng đồng thời với phụ tải máy biến áp, POWER Engineers đã tính hệ số phụ tải theo mùa (mùa hè và mùa đông) cho từng máy biến áp. Để hiểu đầy đủ tác động của việc tăng phụ tải EV đối với phụ tải tổng thể của máy biến áp sinh hoạt, POWER Engineers đã phát triển một hàm để xác định khả năng thiệt hại máy biến áp dựa trên tỷ lệ phần trăm của phụ tải so với công suất trên bảng tên và khoảng thời gian ở mức danh định đó (được xác định dựa trên các tiêu chí do Eaton đặt ra cho máy biến áp một pha, loại khô, theo yêu cầu của ANSI).

Phụ tải của máy biến áp được tích hợp trong hơn 12 giờ, vượt quá chức năng được coi là dấu hiệu của thiệt hại tiềm ẩn. Mặc dù các tiêu chí được sử dụng để phát triển chức năng này không tính đến tất cả các biến liên quan nhưng nó vẫn cung cấp một cái nhìn đầy thông tin nếu được đơn giản hóa về thiệt hại máy biến áp tiềm ẩn dựa trên phụ tải EV.

Kết quả

Trong tất cả các trường hợp áp dụng, đại đa số máy biến áp đều có hệ số đa dạng đồng thời tăng lên. Nói chung, phụ tải EV nhiều hơn dẫn đến các hệ số phụ tải đồng thời cao hơn. Với tỷ lệ sử dụng EV cao, 60% máy biến áp có hệ số đa dạng đồng thời tăng lên trong khi 21% không thấy thay đổi. Thực tiễn thiết kế máy biến áp hiện tại định cỡ máy biến áp dựa trên hệ số phụ tải đồng thời đã đặt phải phù hợp trong hơn 81% trường hợp, không yêu cầu thay đổi cho đến tỷ lệ áp dụng EV cao. Thật vậy, trong 60% trường hợp, những biện pháp này thậm chí có thể mang tính bảo thủ, dẫn đến việc sử dụng máy biến áp không đúng mức.

Số lần nâng cấp máy biến áp để giảm thiểu tình trạng quá tải tiềm ẩn theo công suất KVA (Ảnh st)

Hàm sự cố máy biến áp được thảo luận ở trên xác định số lượng máy biến áp có thể bị thiệt hại do phụ tải EV tăng. Chức năng này không đảm bảo cho sự cố nhưng cho biết khả năng xảy ra thiệt hại, làm tăng khả năng xảy ra sự cố trong tương lai.

Để giảm thiểu khả năng thiệt hại, POWER Engineers cũng đã đánh giá việc nâng cấp máy biến áp. Các trường hợp áp dụng trung bình và TOU lần lượt yêu cầu 50 và 45 lần nâng cấp trên 688 máy biến áp được nghiên cứu để loại bỏ các sự cố vượt quá chức năng sự cố của máy biến áp. Trường hợp áp dụng cao cần 110 lần nâng cấp để giảm thiểu mọi thiệt hại tiềm ẩn, chiếm 16% số máy biến áp được nghiên cứu.

Thay đổi hệ số phụ tải theo mùa đối với các máy biến áp có phụ tải EV (Ảnh st)

Trong kịch bản áp dụng cao, POWER Engineers nhận thấy phụ tải đỉnh đạt 2,74kW, tăng 19% so với trường hợp phụ tải đáy. Trường hợp áp dụng trung bình cho thấy phụ tải đỉnh tăng 7,6% so với trường hợp phụ tải đáy. Mặc dù trường hợp áp dụng TOU yêu cầu nâng cấp máy biến áp ít hơn nhưng có rất ít sự khác biệt về mức tăng phụ tải sinh hoạt giữa nó và trường hợp trung bình. Mức tăng 0,95kW ở mức TOU và 1,10kW ở mức trung bình báo hiệu rằng mức TOU có thể không giảm phụ tải hiệu quả cho khu dân cư ở mức áp dụng cao hơn. Những mức tăng phụ tải tối đa này có thể quan sát được nhưng chỉ tạo ra những thay đổi nhỏ về hệ số phụ tải trong tất cả các trường hợp áp dụng. Hệ số phụ tải giảm mạnh hơn vào mùa hè so với mùa đông trong tất cả các trường hợp, có thể là do phụ tải đỉnh tăng.

Kết luận

Với việc các công ty điện lực hiện đang tập trung vào việc phát triển các kế hoạch nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xe điện, việc đánh giá cách xác định kích thước máy biến áp hiện tại cho công trình xây dựng mới và bảo trì định kỳ có thể giúp giảm chi phí và lãng phí. Dựa trên những phát hiện của POWER Engineers, tỷ lệ sử dụng xe điện 30% có thể yêu cầu 7,3% máy biến áp phải nâng cấp. Với tỷ lệ sử dụng 60%, số lượng máy biến áp cần nâng cấp đã tăng lên 16%.

Giả sử rằng 30 triệu trong số 50 triệu máy biến áp phân phối của Mỹ phục vụ phụ tải sinh hoạt thì 2,2 triệu máy biến áp có thể cần được thay thế để hỗ trợ việc tăng phụ tải liên quan đến tỷ lệ sử dụng xe điện 30%. Trong kịch bản áp dụng cao của POWER Engineers, với tỷ lệ áp dụng xe điện là 60%, con số đó đã tăng lên 4,8 triệu.

Với những nỗ lực tăng cường ở nhiều thành phố nhằm giảm mức sử dụng khí đốt tự nhiên để sưởi ấm và nấu ăn để thay thế bằng điện khí hóa, hàng triệu máy biến áp sinh hoạt có thể sẽ cần chịu phụ tải ngày càng lớn ngay cả khi không có sự gia tăng đồng thời của phụ tải EV. Những thay đổi về nhu cầu tiêu dùng và các quy định chính sách do biến đổi khí hậu gây ra cũng có thể ảnh hưởng đến nhu cầu cao nhất trong tương lai.

Với các vấn đề về chuỗi cung ứng đang diễn ra và sự không chắc chắn trong tương lai, việc xem xét cách sửa đổi thiết kế hiện tại và các phương pháp lập kế hoạch để chịu mức độ áp dụng xe điện ngày càng tăng là điều cần thiết. Xe điện là một phần tất yếu của một xã hội giàu năng lượng tái tạo, khử cacbon. Bây giờ là lúc để đánh giá các tác động có thể xảy ra của lưới điện ngày càng bão hòa EV và lên kế hoạch tích hợp các phụ tải EV một cách an toàn, đáng tin cậy.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “T&d world”, tháng 1/2024