Τεχνικές ελέγχου και διαχείρισης ενέργειας σε ηλεκτρικά οχήματα που φορτίζονται από το δίκτυο
Authors: Μπόγλου Βασίλειος 
Published: April 2023

Οι τεχνολογίες μεταβάλλονται και εξελίσσονται. Ιδιαίτερα ο τομέας της ενέργειας παρουσιάζει έναν παγκόσμιο μετασχηματισμό τα τελευταία έτη. Ένας από τους τομείς που εξελίσσεται ραγδαία είναι τα ηλεκτρικά οχήματα (ΗΟ). Τα ΗΟ έχουν διαδοθεί ευρέως την τελευταία δεκαετία λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν συγκριτικά με τα συμβατικά. Ωστόσο η εκτεταμένη διείσδυση των ηλεκτρικών οχημάτων στις (παγκόσμιες) μεταφορές έχει οδηγήσει σε αυξημένες απαιτήσεις ηλεκτρικής ενέργειας, κάτι που πρόκειται να επηρεάσει τη λειτουργία των συστημάτων διανομής ενέργειας. Η παρούσα διατριβή προσπαθεί να συμβάλει σημαντικά στην ομαλή ένταξη των ηλεκτρικών οχημάτων στα δίκτυα, καθώς σύμφωνα και με τη βιβλιογραφία, αναμένεται να επηρεαστεί σημαντικά και με αρνητικό πρόσημο η λειτουργία τους. Παράλληλα, εξετάζεται και η ένταξη των μονάδων ΑΠΕ, ως εξίσου σημαντικές τεχνολογίες, οι οποίες βρίσκονται στο επίκεντρο του παγκόσμιου μετασχηματισμού. Συνεπώς, στην παρούσα διατριβή γίνεται μια μελέτη των επιπτώσεων που θα έχει η ανεξέλεγκτη φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων σε δίκτυα χαμηλής τάσης και παρουσιάζεται μια στρατηγική ασαφούς διαχείρισης ενέργειας για τον συντονισμό της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων σε δίκτυα χαμηλής τάσης, λαμβάνοντας για πρώτη φορά υπόψη την απόσταση των ηλεκτρικών οχημάτων από τους μετασχηματιστές στα συστήματα ασαφούς διαχείρισης. Συγκεκριμένα, το σύστημα που αναπτύχθηκε λαμβάνει υπόψη την αρχιτεκτονική του δικτύου, τα θερμικά όρια των γραμμών και τις τάσεις στους ζυγούς. Επιπλέον, τα ΗΟ μελετώνται ως μοντέλα που βασίζονται σε πράκτορες, τα οποία χαρακτηρίζονται από το μοντέλο κάθε ηλεκτρικού οχήματος, την κατάσταση φόρτισης των μπαταριών τους και την ισχύ φόρτισης. Ειδικότερα, γίνεται διερεύνηση των επιπτώσεων της ανεξέλεγκτης φόρτισης, στην οποία εξετάζονται δύο προσεγγίσεις. Η πρώτη προσέγγιση εξετάζει τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρικών οχημάτων που είναι δυνατόν να φορτίζονται στο δίκτυο της μελέτης περίπτωσης και τον τρόπο με τον οποίο αυτός επηρεάζεται από τα φορτία των νοικοκυριών του δικτύου. Η δεύτερη προσέγγιση εξετάζει τον αριθμό των υποτάσεων του δικτύου και των υπερβάσεων του θερμικού ορίου των γραμμών σε ένα σύνολο σεναρίων προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα της πρώτης προσέγγισης δείχνουν ότι η απόσταση των ηλεκτρικών οχημάτων από τον υποσταθμό του δικτύου επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρικών οχημάτων που είναι δυνατό να φορτίζονται στο δίκτυο. Βάσει των αποτελεσμάτων που παρατηρούνται στις δύο προσεγγίσεις, σχεδιάζεται ένα ασαφές σύστημα διαχείρισης για τον συντονισμό της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων, το οποίο λαμβάνει υπόψη την απόσταση των σημείων φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων από τον υποσταθμό τροφοδοσίας, την κατάσταση φόρτισης των μπαταριών των ηλεκτρικών οχημάτων και τον χρόνο καθυστέρησης φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων. Η αναμενόμενη σημαντική αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, ακολουθούμενη από την υιοθέτηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οδηγεί στον εκσυγχρονισμό των δικτύων διανομής ενέργειας, όπως για παράδειγμα με την ανάπτυξη μικροδικτύων τα οποία μπορούν να βελτιώσουν την αξιοπιστία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Παράλληλα, η αυξημένη ενσωμάτωση των ηλεκτρικών οχημάτων αναμένεται να επηρεάσει αρνητικά την ποιότητα της ισχύος, την ομαλή λειτουργία και το κόστος επένδυσης των μικροδικτύων. Σε συνέχεια της διερεύνησης των προβλημάτων των διασυνδεδεμένων συστημάτων μελετήθηκε μια τοπολογία μικροδικτύου για την αυτόνομη λειτουργία ενός δικτύου διανομής χαμηλής τάσης. Η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων διαχείρισης ενέργειας είναι απαραίτητη για την εξασφάλιση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας αυτόνομων μικροδικτύων. Για το λόγο αυτό, αναπτύχθηκε ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας, βασισμένο σε συστήματα πολλαπλών πρακτόρων, για την αποτελεσματική φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων, επεκτείνοντας πλέον τη σύγχρονη στρατηγική διαχείρισης ενέργειας, η οποία χρησιμοποιεί ελεγκτή ασαφούς λογικής, σε συνδυασμό με έναν ελεγκτή ισχύος φόρτισης βασισμένο σε ασαφείς γνωστικούς χάρτες. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της διερεύνησης της βιβλιογραφίας, αυτή είναι η πρώτη φορά που η θεωρία των ασαφών γνωστικών χαρτών εισάγεται σε προβλήματα διαχείρισης φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων. Η συμπεριφορά του προτεινόμενου αποκεντρωμένου συστήματος διαχείρισης ενέργειας με πολλαπλούς πράκτορες επέφερε σημαντική μείωση του κόστους επένδυσης του μικροδικτύου, σε σύγκριση με τη χρήση στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας βασισμένης σε ελεγκτή ασαφούς λογικής. Το συνολικό κόστος του μικροδικτύου για μια επένδυση βάθους 20 ετών μειώνεται κατά περίπου 8,8%. Επιπλέον, η ενσωμάτωση του ελεγκτή ισχύος φόρτισης με βάση ασαφείς γνωστικούς χάρτες οδηγεί σε σημαντικό αριθμό φορτιζόμενων ηλεκτρικών οχημάτων. Ο μέσος όρος των ηλεκτρικών οχημάτων που είναι δυνατόν να φορτίζονται αυξήθηκε κατά 31%. Τέλος, το προτεινόμενο σύστημα διαχείρισης ενέργειας μειώνει το φορτίο αιχμής και τις διακυμάνσεις φορτίου κατά περίπου 17% και 29%, αντίστοιχα, χωρίς να μετατοπίζει και να καθυστερεί τη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων. Επομένως, το προτεινόμενο νέο σύστημα διαχείρισης φόρτισης προσφέρει μια έξυπνη προσέγγιση για αυτόνομα δίκτυα διανομής, λαμβάνοντας υπόψιν την υψηλή διείσδυση των ηλεκτρικών οχημάτων, παρουσιάζοντας λειτουργικά και οικονομικά οφέλη. Καθώς όμως τα υφιστάμενα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι ως επί το πλείστο διασυνδεδεμένα, μια σημαντική πρόκληση που πρόκειται να αντιμετωπίσουν τα οικιακά δίκτυα διανομής με την ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των ηλεκτρικών οχημάτων είναι η μη συγχρονισμένη παραγωγή ισχύος από τα οικιακά φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα με τα προφίλ κατανάλωσης των ηλεκτρικών οχημάτων. Συνεπώς η αναγκαιότητα των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας είναι κάτι παραπάνω από προφανής. Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας έχουν σημαντικά υψηλό κόστος κατασκευής, γεγονός που σημαίνει ότι το κόστος αγοράς για τους οικιακούς χρήστες μπορεί να είναι απαγορευτικό. Συνεπώς, σχεδιάζεται και προτείνεται μια στρατηγική βελτιστοποίησης της διαστασιολόγησης μικρών διανεμημένων φωτοβολταϊκών ενεργειακών συστημάτων, λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιαίτερες ενεργειακές ανάγκες κάθε κατοικίας και των ηλεκτρικών οχημάτων τους. Η στρατηγική διαμορφώνεται βάσει της ζήτησης των νοικοκυριών και της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων. Με εφαρμογή της θεωρίας των ασαφών γνωστικών γράφων, σχεδιάζεται μια δομή, με στόχο να οριστεί η συσχέτιση μεταξύ των ατομικών ενεργειακών παραμέτρων, δίνοντας έμφαση στα ΗΟ, και των χαρακτηριστικών των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης δείχνουν ότι η υιοθετούμενη υβριδική προσέγγιση μπορεί να μειώσει σημαντικά το ενεργειακό κόστος, έως και σχεδόν 40%, ενώ παράλληλα επιτρέπει στους διαχειριστές συστημάτων διανομής να ενσωματώσουν πρόσθετα φορτία, χωρίς να είναι αναγκαία η επέκταση του δικτύου. Τέλος, με βάση τα εξαγόμενα αποτελέσματα, παρουσιάζεται μια σύντομη συζήτηση σχετικά με την έννοια της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων από οικιακά ΑΠΕ. Τέλος, εξετάζονται υβριδικά δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας με ΗΟ, οικιακά Φ/Β συστήματα και διεσπαρμένες μπαταρίες κατά μήκος των δικτύων. Στην παρούσα προσέγγιση, γίνεται σχεδίαση μεθοδολογίας βέλτιστης διαστασιολόγησης των Φ/Β συστημάτων και των μπαταριών, ενώ παράλληλα, σχεδιάζονται βέλτιστα συστήματα διαχείρισης της ισχύος φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων αλλά και των μπαταριών του συστήματος, μέσα από τη χρήση της θεωρίας των πολυπρακτορικών συστημάτων και των ασαφών γνωστικών γράφων. Εξετάζονται έξι αντικειμενικές συναρτήσεις ταυτόχρονα, μέσα από τη χρήση του αλγορίθμου πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης NSGA-II. Στόχος της παρούσας μεθοδολογίας είναι να εξετάσει τη συμπεριφορά των σχεδόν βέλτιστων συνόρων Pareto για διαφορετικά ποσοστά ένταξης ηλεκτρικών οχημάτων, σε δύο διαφορετικά περιβάλλοντα ηλιακής ακτινοβολίας. Εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με τα σχεδόν βέλτιστα σύνορα Pareto που υπολογίζονται στα 8 διαφορετικά σενάρια που εξετάζονται.