Ограниченное количество ресурсов и экологические проблемы последних десятилетий активно подталкивают человечество отказаться от использования ископаемого топлива. Важным шагом на этом пути должен стать постепенный переход от машин с двигателем внутреннего сгорания к электромобилям. Так, в России обсуждается введение дополнительных льгот для владельцев электротранспорта.

Однако переход на автомобили с электроприводом принесет не только выгоды, но и проблемы, с которыми нужно будет справляться. По некоторым данным, уже в 2015 году в мире насчитывалось порядка 1 млрд легковых машин. Если заметная часть из них будет заменена на электромобили, это даст огромную дополнительную нагрузку на электрические сети, не все из которых рассчитаны на зарядку такого количества устройств. Причем дело не только в объеме потребляемой энергии.

«В настоящее время взгляды мирового сообщества направлены на электротранспорт и связанные с ним области, — рассказывает Галина Демидова, доцент факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО. — Как подключение новых потребителей в объемах, которые постоянно увеличиваются, скажется на состоянии электрических сетей? Само по себе потребление электроэнергии не так критично. В режиме медленной зарядки электромобиль потребляет до двух киловатт, что сопоставимо с обычным чайником. Куда важнее вопрос перегрузки электросети. Когда все, скажем, приехали с работы и одновременно поставили свои автомобили на зарядку».     

Впрочем, пиковые нагрузки — это не единственная проблема, которая встает при одновременном подключении большого количества приборов к одной сети. Также, важно помнить, что любые устройства, включая зарядные станции, могут влиять на поведение других систем, работающих от той же цепи.   

«Электроника, включенная в сеть, создает искажения, которые приводят к появлению электромагнитных волн, влияющих на работу других приборов, находящихся в той же сети, — рассказывает Антон Рассылкин, профессор Таллинского технического университета. — Простой пример, знакомый моего коллеги купил дешевую люминесцентную лампу. Вкрутил ее в люстру, включил и с удивлением обнаружил, что в комнате вдруг включился телевизор и начало переключаться радио. Дело в том, что в лампочке была дешевая электроника, которая не соответствует европейским стандартам. Искажения, которые она создавала, возникли на частотах, которые в Европе используют для передачи сигнала управления домашней электроникой. Потенциально нечто подобное может быть и с зарядными станциями для электромобилей, скажем они могут создавать искажения, влияющие на процесс самой зарядки и работу других потребителей, как правило, негативно».         

В поисках решения

Как же безболезненно встроить зарядные станции для машин на электродвигателе, в уже существующие и только строящиеся сети? Ученые эстонского Таллинского технического университета, финского Университета Аалто и петербургского Университета ИТМО провели совместное исследование, чтобы это выяснить.

Основные эксперименты с зарядными станциями проходили в Эстонии, в лаборатории Таллинского технического университета.  Здесь ученые изучали разные факторы, влияющие на загрузку сети при разных типах и условиях зарядки электромобиля.

«К сожалению, сейчас общего стандарта зарядки, который бы использовался бы всеми производителями электромобилей, просто нет, — добавляет Антон Рассылкин, — в результате влияние на сеть у каждого типа зарядки разное. Нужно было изучить эти алгоритмы. Исследования проводились у нас в лаборатории, где установлены различные системы быстрых зарядных станции. В кампус университета можно приехать на электромобиле и различными способами его заряжать, смотреть какое влияние оказывает процесс зарядки на сеть, какие есть потери в сети, как быстро идет зарядка, как выглядит профиль зарядки и так далее. Кроме того, у нас в Эстонии уже имеется довольно развитая инфраструктура для электромобилей, которая продолжает развиваться. У нас есть сети зарядок общего пользования, и мы также можем получить данные с них».     

Ученых интересовали не только технические данные о зарядке электромобилей. Финские исследователи из Университета Аалто предоставили данные о поведении владельцев электромобилей. О том, как их привычки, образ жизни, место проживания влияют на активность использования личного электротранспорта.

«Проводились исследования того, как именно люди пользуются своими автомобилями, какой трафик каждого автомобиля у каждого пользователя утром и вечером, в будние дни и на выходных, — объясняет профессор Антон Рассылкин. — Например, в исследовании учитывается время во сколько один из родителей отвозит детей в школу, и во сколько забирает их в конце рабочего дня на кружок. Или во сколько люди едут в выходные дни в торговые центры на шопинг».

Численное моделирование

После обобщения всех результатов ученые приступили к численным расчетам и моделированию. В этой работе активно принимали участие сотрудники университета ИТМО. В результате была создана модель, которая позволяет дать рекомендации по проектированию распределенных энергосетей, а также по их использованию для зарядки электромобилей.

«Мы подключились к этой теме, потому что она была нам интересна с точки зрения качества электроэнергии, — поясняет Галина Демидова, — у нас был проект проектирования силовых преобразователей для, так называемых, систем интернета энергий. В этом проекте в качестве источников электрической энергии помимо сети участвовали ветроэнергостанция, солнечные панели, а также зарядная станция. Рано или поздно у нас в России количество электромобилей возрастет и при проектировании таких систем нам необходимо уже сейчас закладывать соответствующие алгоритмы в распределенные энергосети».  

Полученная модель должна помочь рационально использовать возможности сети для зарядки электромобилей, избегая резких пиков нагрузки. Особенно это будет полезно для компаний, которые используют большой парк таких средств передвижения. В обозримом будущем это будет важно для автобусных парков, почтовых и курьерских служб и так далее.

«Также наша модель учитывает тип зарядки, интенсивность использования автомобиля и выдает время, в которое лучше вести зарядку, — говорит Антон Рассылкин, — к примеру, если я приезжаю в университет к 9 утра, проехав небольшое расстояние, возможно, мне не стоит ставить электромобиль на зарядку сразу же, причем использовать быструю зарядку. Возможно, следует выйти в обед, в 2-3 часа дня, и включить медленную зарядку. Это поможет убрать пики и разгрузить сеть».

Полученные данные и модели планируется использовать, в том числе и при проектировании распределительной сети для нового кампуса Университета ИТМО. «Эти наработки будут нам очень полезны, когда будем реализовывать мультиагентную систему управления для распределенной энергосети. Чтобы учесть возможные пики при зарядке большого количества электротранспорта в будущем, сгладить их, выстроив систему, которая бы работала рациональнее и эффективнее», — заключает Галина Демидова.  

Статья ученых опубликована в журнале Sustainability. Исследователи также приглашают заинтересовавшихся студентов принять участие в дальнейших исследованиях в рамках учебы по программе совместной магистратуры Университете ИТМО и Таллинского технического университета. 

Iqbal M.N., Kütt L., Lehtonen M., Millar R.J., Püvi V., Rassõlkin A., Demidova, G.L. Travel Activity Based Stochastic Modelling of Load and Charging State of Electric Vehicle Sustainability, 2021/10.3390/su13031550