ИНТЕГРАЦИЯ АВТОБУСОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ В УМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ SMART GRID

В современном мире с ростом численности населения и ускорением темпов технического прогресса перед человечеством стоят актуальные вопросы по улучшению экологических условий в городах, развитию инфраструктуры, снижению дефицита электроэнергии и рациональному её использованию.

Впервые вопрос развития «умных» электрических сетей был рассмотрен еще в 70-е годы прошлого века. Сейчас данная концепция эффективного распределения электроэнергии между потребителями «Smart Grid» (интеллектуальные электрические сети) получает широкое распространение благодаря поддержке государственных и частных компаний Дании, Австралии, Канады, Китая и США. Внедрение технологий «интеллектуальных сетей» в России находится в начальной стадии, однако, Калининградская область, г. Москва и г. Уфа уже запустили пилотные проекты.

Использование «Smart Grid» позволяет распределять электроэнергию и нивелировать пики или провалы её потребления в суточном цикле. Кроме того, возможно снизить энергетические потери и эксплуатационные затраты, диагностировать и решать часть проблем в автоматическом режиме. Предоставляет возможность интегрировать в общую энергосистему возобновляемые источники энергии (ВИЭ) тем самым снизить выбросы углекислого газа в атмосферу.

Применение «Smart Grid» в транспортной отрасли одно из перспективных направлений, способное обеспечить положительный технико-экономический эффект, в том числе при развитии связей с другими отраслями.

С точки зрения автомобильных транспортных средств (АТС) использование буферных автономных электрохимических накопителей энергии позволяет улучшить стабильность и упростить регулирование электроэнергии в промышленных сетях переменного тока. Суть способа заключается в следующем: ночью, в моменты статистического спада суточного потребления, электротранспорт обеспечивает дополнительную электрическую нагрузку в моменты заряда своих аккумуляторных батарей (АБ), оплачивая электроэнергию по более низкому ночному тарифу. Наоборот, днём в часы-пик часть энергии от аккумуляторных батарей (до 20-30% от ёмкости может отдаваться в промышленные сети), тем самым уменьшая дефицит электроэнергии (рис.1.) [1].

Рисунок 1. График суточной нагрузки на электросеть в Москве: где 1 – кривая потребления электрической нагрузки в течении суток; 2 – электроэнергия не участвующая в суточном потреблении

Рисунок 2. Функциональная схема взаимодействия электротранспорта и системы Smart Grid

Разделяют два основных типа совместного использования АТС с электроприводом и электросетей: технологии Grid to Vehicle («от сети к электромобилю») и Vehicle to Grid («от электромобиля к сети») (рис.2).. Первая технология предполагает, что электробусы и электромобили будут использоваться как дополнительная нагрузка на сеть в часы минимального потребления электроэнергии (ночью) (рис.1.). В соответствии с концепцией «Vehicle to Grid» предполагается, что тяговые АБ транспорта будут является дополнительным буферным накопителем, который при необходимости в часы-пик будет отдавать часть энергии в электросеть. Ввод данных технологий позволит обеспечить более равномерный график генерации и потребления электроэнергии. По оценке Робби Даймонда (презедента Electrification Coalition), для значимого технико-экономического эффекта от внедрения электротранспорта по технологии “V2G” в сети Smart Grid необходимо нахождение в эксплуатации более 10 млн. АТС. При увеличении плотности энергии АБ необходимое число АТС пропорционально будет уменьшаться, но в настоящее время использование метода «Vehicle to Grid» сдерживается указанными выше факторами. Поэтому в настоящей статье будет рассмотрена только технология Grid to Vehicle(«от сети к автомобилю»).

Интеграция автономного электротранспорта в «умные» электрические сети требует отслеживания режимов потребления энергии колёсным электротранспортом, в первую очередь - электробусов. Городские и транспортные службы г. Москвы провели обширную аналитическую работу с приглашением экспертов (специалисты МАДИ также направляли свои предложения к дополнению).

Предъявляемые требования были получены в том числе на основе опытной эксплуатации на городских маршрутах г.Москвы автобусов: ЛиАЗ-6274 (Россия, поколение 1 и 2), КАМАЗ-6782 (Россия), Белкоммунмаш 43303А (Белоруссия), Linker 13 (Финляндия), БКМ Е433 Vitovt Max Electro (Белоруссия), Youtong (Китай), Modulo (Венгрия) и др. Стоит отметить, что поддержание столь высоких показателей на протяжении 15 лет эксплуатации является трудновыполнимой задачей и зависит в том числе от выбранной конечной схемы эксплуатации АТС с электроприводом.  Важной задачей для развития электроавтобусов является оптимальный выбор и развитие соответствующей инфраструктуры, зависящей в том числе от конструкции АТС с электроприводом. Мировым сообществом накоплен определенный опыт, и на практике используются следующие схемы для электрических АТС:

1. с постоянным питанием в движении контактным и бесконтактным (крайне редко) способом («in-Motion-Feeding»);
2. с автономными ХИТ с периодическим подключением для подзаряда к контактной сети; («in-Motion-Charging»);
3. с автономными ХИТ с поднарядом на маршруте при помощи пантографа («Opportunity Charging»);
4. с автономными высокоёмкими ХИТ с длительным зарядом в автопарке («Overnight Charging»)

К первому типу относятся троллейбусы и их преимущества и недостатки общеизвестны.

Второй тип («in-Motion-Charging») подходит для городов имеющих контактную воздушную высоковольтную сеть. ХИТ используются для: выезда АТС на маршрут, на участках без контактной сети (например, в историческом центре города), при необходимости маневрирования (например, при ДТП) или отключении (аварии) в контактной сети. Решаются задачи повышения экологической безопасности городского транспорта, улучшения маневренности, устранения «визуального загрязнения» от кабельных воздушных линий в центре города и обеспечения достаточного запаса хода с возможностью почти круглосуточной эксплуатации при относительно небольшой нагрузке на ХИТ.  Данный тип АТС имеет меньшие по ёмкости (и соответственно массе) тяговые ХИТ, что соответственно снижает его начальную стоимость.

Тритий тип («Opportunity charging») используют для заряда на маршруте и конечных станциях ультрабыстрые зарядные устройства высокой мощности (продолжительность заряда 2-8 минут). Обеспечивается стабильный режим эксплуатации аналогичный автобусам с дизельными ДВС. С точки зрения тяговых ХИТ, быстрый заряд высокими токами приводит к ускорению деградации и снижению срока службы, а также снижается эффективность передачи энергии от электрической зарядной станции (ЭЗС). Поэтому заряд от стационарных ЭЗС более низкими токами в течении 2-4 часов с целью увеличения срока службы ХИТ более предпочтителен при обеспечении режимов эксплуатации.

Концепция «Opportunity charging» предусматривает подключение при помощи пантографа и 2-х контактных рельсов.  Механизм пантографа совместно с зарядным устройством (ЗУ) может быть размещен в зарядной станции или на борту АТС. В случае нахождения ЗУ и пантографа на борту АТС, подключение происходит к контактной группе на мачтовой опоре. С одной стороны, данный подход снижает инвестиционные затраты города на величину стоимости ЗУ и нагрузку на сервисные службы. С другой стороны, усложняется эксплуатация, увеличивается масса, снижается надежность и вместимость АТС, увеличивается его габаритная высота и начальная стоимость (рис. 3). В случае обратной концепции, силовая электроника с системой управления и механизм пантографа находится в «Г-образной» мачте ЭЗС, а позиционирование АТС для подключения осуществляется по радиометкам (например, Wi-Fi) (рис.4). В рамках этой концепции в соответствии со стандартом для ЭЗС ISO 15118-1:2013, проработан унифицированный стандарт «OOPCharge» для производителей, который находится на стадии обсуждения в Еврооюзе.

Рисунок 3. Г-образная конструкция пантографа для подключения электробусов к электрической сети

Четвертый тип («overnight сharging») не подходит для крупных мегаполисов с режимом эксплуатации АТС более 20 часов в сутки при существующих на данный момент типах ХИТ.

Рисунок 4. Размещение контактных выводов по стандарту OPPCharge на крыше АТС

При эксплуатации электробусов необходимо определить расчетную нагрузку от потребителей электроэнергии на борту АТС. Самый энергозатратным считается режим движения летом в городе днём. В этот период двухзонная климатическая установка кабины водителя и отдельно салона автобуса потребляет значительное количество энергии.  

Расчёт проводился методом эквивалентных токов по методике [4], на примере базовой комплектации городского автобуса ЛИАЗ- Ток нагрузки в режиме эксплуатации: «лето город день» Составил I_лгд=226,6 А. С учётом этого значения пересчитаны технические характеристики электробусов и скорректированы «идеальные» паспортные данные по общему удельному энергопотреблению на 1 км пробега с целью более точного прогнозирования реального запаса хода (Таблица 2).

При выборе электробусов для каждого города и маршрута городские службы ориентируются на городскую инфраструктуру, возможность её развития, масштабирования или модернизации, а также технических параметров самих АТС. Международные тенденции указывают на принятие концепции использования ультрабыстрых ЭЗС (УЭЗС) в мегаполисах. Соответственно, при выборе АТС необходимо учитывать тип ХИТ, в частности температурную стабильность и число циклов заряд-разряд. Чем выше температура ХИТ (даже в рамках рабочего диапазона), тем меньше их срок службы. Вследствие этого АТС должны оснащаться ХИТ с низким внутренним сопротивлением и климатическими установками для них, с целью охлаждения при перегреве и подогреве в зимнее время для обеспечения номинальных характеристик.

Таблица 2.

Технические характеристики электробусов с учетом всех электропотребителей

Одним из вариантов внедрения электробусов в общую городскую электросеть может быть комбинированная эксплуатация автоколонной троллейбусов и электробусов (рис. 5). В качестве объекта расчётного исследования был взят маршрут №63 в г. Москва с ежедневным круглосуточным режимом работы (протяженность маршрута в прямом/обратном направлении – 16,2/16.4 км). С целью детального анализа одного из вариантов развития городской инфраструктуры были проведены расчётные исследования варианта использования в дневное время электробусов, а в ночное (с 21-00 до 5-00) – троллейбусов. Такой вариант теоретически позволяет разгрузить городскую электросеть в дневное время, т.к. электробусы ездят за счёт энергии накопленной в ХИТ.

Рисунок 5. Способ нагрузки на электрическую сеть автоколонной: 1 – при комбинированном использование троллейбусов и электробусов; 2 – при эксплуатации автоколонной только троллейбусов

Как видно из графика, во время эксплуатации автоколонной троллейбусов (с 21-00 до 5-00), электробусы получают энергию от электросети с помощью медленного заряда. Однако, ёмкости АБ электробуса недостаточно при использовании данного вида АТС на всем городском маршруте. Поэтому необходим быстрый заряд в дневное время суток. Рассчитанные пики потребления мощности отображены на рис.5 (с 9-00 до 11-00, с 15-00 до 17-00). Интервалы подключения электротранспорта к сети выбраны исходя из 8 часового рабочего графика водителя с учетом перерыва на обед.  

При замене автопарком в дневное время суток тринадцати троллейбусов на электробусы даёт возможность сократить нагрузку на сеть на 1710 кВт (около 0,01% процента от общей нагрузки на сеть в дневное время). А при заряде автобусов с электрическим приводом ночью дополнительно нагрузить общую сеть на 3802,5 кВт (около 0,03% от общей нагрузки на сеть в ночное время суток). Например, при переходе 10 автоколонн, при использовании 20 транспортных средств, на данный режим эксплуатации АТС, возможно сократить нагрузку в дневное время на 0,155% , а в ночью нагрузить на 0,45%. Таким образом, в ночное время за счёт применения троллейбусов ночью и заряде ХИТ электробусов ночью дополнительно нагружаются электрические сети ночью, что положительно сказывается на суточном балансе электропотребления (рис.1.). Описанная концепция позволяет использовать «медленный» способ заряда ХИТ электробусов, что значительно повышает их срок эксплуатации и надёжность. К недостаткам следует отнести затраты на поддержание отдельно инфраструктуры для троллейбусов и электробусов.

Выводы:

1. Для интеграции в городскую инфраструктуру и расширения сети маршрутов электробусов ЭЗС должны иметь возможность подключения к источникам постоянного и переменного тока.  

2. С целью унификации с международными стандартами и увеличения потенциального числа поставщиков электробусов для мегаполисов РФ целесообразно ориентироваться на стандарт «OPPCharge» для УЭЗС с размещением зарядного модуля и пантографа в составе мачты.

3. При расчете баланса потребления энергии бортового электрооборудования автобусов с электроприводом необходимо учитывать при эксплуатации режим максимальный нагрузки для городского транспорта летом в городе днём.

Список литературы:

1. Цыпулев Д.Ю. Электротранспорт и его интеграция в интеллектуальные сети будущего [Электронный ресурс] //  Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 1.   URL: http://www.metaninfo.ru/aftmarchive/TAT12013.pdf  (дата обращения 15.05.2018).
2. Rodrigo Garcia-Valle and Joao A. Pecas Lopes Editors. Electric Vehicle Integration into Modern Power Networks, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark, 2013, 384р.
3. Bend M. Buchhols and Zbigniew Styczunski. Smart Grids – Fundamentals and Technologies in Electricity Networks, NTB Technoservice Pyrbaum, Germany and Universityof Magdeburg, Magdeburg, Germany, 2014, 396 p.
4. Фещенко А.И., Феофанов С.А., Феофанова Л.С. Расчёт баланса электроэнергии на автомобиле: методические указания к курсовому проекту. М.: МАДИ. 2016. 48 с.
5. Феофанов С.А., Чернов А.В., Мороз С.М., Фещенко А.И. Особенности системы "стоп-старт" для городских автобусов на основе бесщёточных стартеров и генераторных установок повышенной мощности // М.: Труды НАМИ. №261. 2015. С.58-67.
6. Колбасов А.Ф., Карпухин К.Е., Дебелов В.В. Исследование инфраструктуры для личного электротранспорта: актуальные проблемы, варианты решений // М.: ООО Издательский Дом ААИ ПРЕСС, Журнал автомобильных инженеров, 2017. №2. С.36-45.
7. Черников А.В. Государственное регулирование автомобильной промышленности: опыт стран мира и возможности его применения в России: дис. … канд. экон. наук: 08.00.14 утв. 15.12.16 – М., 2016. 172с.
8. Инюцын А.Ю. Умные технологии для умного города // М.: Практика муниципального управления, 2017. №2. С.46-55.
9.   Кутенев В.Ф. К вопросу об экологически чистом городском транспорте [Электронный ресурс] // Автомобили. Автомобильный транспорт. 2016. №2. С. 36-41. URL: http://www.aae-press.ru/f/97/36.pdf (дата обращения 15.05.2018 г.).
10. Болнокин В.Е., Нгуен Д.Ч., Феофанов С.А. Электронное управление распределенными транспортными процессами с помощью многосерверных систем обработки информации // М.: Электроника и электрооборудование транспорта. 2017. №3. С. 24-29.
11.  Оспанбеков Б.К., Голубчик Т.В., Сидоров К.М. Технологические аспекты зарядной инфраструктуры для электромобилей // М.: Электроника и электрооборудование транспорта. 2016. №4. С. 35-38.