Πώς μια αποθήκη λεωφορείων μειώνει το κόστος αιχμής κατά 28% με έναν ευέλικτο σωρό φόρτισης DC 240–720 kW

Υπόβαθρο πελατών

Ένας δημοτικός φορέας διαμετακόμισης στην περιοχή του Ρήνου-Ρουρ διαχειρίζεται ένα στόλο 42 ηλεκτρικών λεωφορείων με μπαταρία και καλύπτει περίπου 120.000 χιλιόμετρα προγραμματισμένης υπηρεσίας κάθε μήνα. Ο στόλος βασίζεται σε μια ενιαία αποθήκη που κατασκευάστηκε το 2019, όπου εγκαταστάθηκαν 30 σταθεροί φορτιστές συνεχούς ρεύματος 120 kW για την υποστήριξη ολονύκτιας φόρτισης και φόρτισης ευκαιρίας.

Βασική εντολή του φορέα εκμετάλλευσης: κρατήστε τα λεωφορεία στο δρόμο για τουλάχιστον 16 ώρες την ημέρα, συμπεριλαμβανομένων των περιόδων αιχμής το πρωί και το απόγευμα. Αυτό σήμαινε ότι τα παράθυρα φόρτισης μεταξύ των μπλοκ υπηρεσιών ήταν μόλις 45 λεπτά. Η υπάρχουσα διάταξη σταθερού φορτιστή αποδείχτηκε πολύ άκαμπτη για αυτούς τους λειτουργικούς περιορισμούς.

Η πρόκληση: Σταθερή ισχύς, σταθερές τιμές και φορτιστές αδράνειας

Κάθε σταθερός φορτιστής 120 kW αντιστοιχίστηκε σε ένα μόνο λεωφορείο. Όταν τα λεωφορεία επέστρεφαν κατά κύματα μετά το πρωινό και το βράδυ, πολλοί φορτιστές έμειναν σε αδράνεια ενώ μια ουρά σχηματίστηκε στους ενεργούς. Ένα λεωφορείο με κατάσταση φόρτισης 40% χρειαζόταν ακόμα 1,5 ώρα σε φορτιστή 120 kW—πολύ μεγάλο διάστημα για 45 λεπτά αναμονής.

Επειδή η σύνδεση στο δίκτυο της αποθήκης περιοριζόταν σε 600 kW ταυτόχρονου φορτίου, η μεταφορά περισσότερης ισχύος στο ναυπηγείο θα απαιτούσε έναν νέο μετασχηματιστή και μια μακρά διαδικασία άδειας, με εκτιμώμενο κόστος 180.000 $. Εν τω μεταξύ, ο χειριστής προσπάθησε δύο λύσεις:

• Χειροκίνητος προγραμματισμός λεωφορείων για να αποφευχθεί ο ανταγωνισμός για ισχύ, γεγονός που καθυστέρησε τους χρόνους αναχώρησης και μείωσε την απόδοση στην ώρα του.
• Προγραμματισμός των υπαρχόντων φορτιστών για περιορισμό της παραγωγής κατά τη διάρκεια της ζήτησης αιχμής, αλλά αυτό επέκτεινε μόνο τους χρόνους φόρτισης και άφησε τα λεωφορεία υποφορτισμένα για το επόμενο μπλοκ.

Η άμεση συνέπεια ήταν ένας αυξανόμενος σωρός λειτουργικών τριβών: ουρές, χαμένες αναχωρήσεις και μηνιαίες χρεώσεις ζήτησης που έφτασαν σταθερά τα 24.000 $. Η ομάδα χρειαζόταν μια αρχιτεκτονική φόρτισης που θα μπορούσε να προσαρμόσει την κατανομή ισχύος σε πραγματικό χρόνο στο σημείο που χρειαζόταν, όχι ένα σύνολο σταθερών εξόδων.

Γιατί ο εύκαμπτος σωρός φόρτισης DC 240–720 kW

Ο χειριστής αξιολόγησε δύο εναλλακτικές λύσεις πριν εγκατασταθεί στον ευέλικτο σωρό φόρτισης DC 240–720 kW Soutya.

Η πρώτη εναλλακτική ήταν η προσθήκη ενός δεύτερου μετασχηματιστή και η ανάπτυξη περισσότερων σταθερών φορτιστών 120 kW. Αυτή η προσέγγιση θα εξαλείψει την ουρά, αλλά θα άφηνε πολλούς φορτιστές σε αδράνεια στη μέση της ημέρας και η αναβάθμιση του δικτύου από μόνη της θα έτρωγε ολόκληρο τον ετήσιο ενεργειακό προϋπολογισμό.

Η δεύτερη εναλλακτική ήταν ένας κεντρικός φορτιστής υψηλής ισχύος με μήτρα μηχανικού διακόπτη που μπορούσε να συνδέσει έναν δίαυλο τη φορά. Έλυσε το πρόβλημα της κατανομής ενέργειας, αλλά δημιούργησε ένα νέο εμπόδιο: μια και μόνο διακοπή στο σύστημα μεταγωγής θα σταματούσε ολόκληρη την αποθήκη.

Ο εύκαμπτος σωρός φόρτισης Soutya ξεχώρισε για τρεις λόγους:

• Δυναμική κατανομή ισχύος:Μια μονάδα 600 kW μπορεί να χωρίσει την ισχύ της σε έξι έως οκτώ σημεία φόρτισης, δίνοντας σε κάθε δίαυλο μόνο την ισχύ που χρειάζεται αυτή τη στιγμή. Η κατανομή ενημερώνεται σε πραγματικό χρόνο χωρίς χειροκίνητη παρέμβαση.
• Αρθρωτή επεκτασιμότητα:Ο σωρός είναι κατασκευασμένος από εναλλάξιμες μονάδες ισχύος. Εάν ο στόλος μεγαλώσει, ο χειριστής μπορεί να προσθέσει μονάδες χωρίς να αντικαταστήσει ολόκληρη τη μονάδα.
• Δεν απαιτείται αναβάθμιση δικτύου:Επειδή ο σωρός μπορεί να επιβάλει ένα διαμορφώσιμο μέγιστο συνολικό φορτίο, ταιριάζει στην υπάρχουσα σύνδεση δικτύου 600 kW, αποφεύγοντας το έργο μετασχηματιστή αξίας 180.000 $.

Υλοποίηση: Σταδιακή Ανάπτυξη και Διαχείριση Δυναμικού Φορτίου

Το έργο ολοκληρώθηκε σε διάστημα έξι εβδομάδων, από την υπογραφή της σύμβασης έως την πλήρη λειτουργία. Η υλοποίηση είχε τέσσερα στάδια:

1. Έρευνα τοποθεσίας και χαρτογράφηση διάταξης.Η ομάδα χαρτογράφησε τις θέσεις στάθμευσης λεωφορείων, τις διαδρομές καλωδίων και την υπάρχουσα χωρητικότητα του πίνακα διανομής για να καθορίσει τον βέλτιστο αριθμό εξόδων φόρτισης ανά σωρό.
2. Εγκατάσταση τεσσάρων πασσάλων 600 kW,το καθένα έχει διαμορφωθεί με οκτώ υποδοχές για συνολικά 32 σημεία φόρτισης. Οι σωροί τοποθετήθηκαν μεταξύ των σειρών στάθμευσης για να ελαχιστοποιηθούν τα μήκη των καλωδίων και οι απώλειες.
3. Ενοποίηση με το σύστημα διαχείρισης αποθήκης.Η κατανομή ισχύος του σωρού συνδέθηκε με τη βάση δεδομένων προγραμματισμού οχημάτων, έτσι ώστε τα λεωφορεία με προγενέστερους χρόνους αναχώρησης να λαμβάνουν ισχύ προτεραιότητας.
4. Εκπαίδευση προσωπικού.Οι χειριστές φόρτισης εκπαιδεύτηκαν στην ανάγνωση των γραφημάτων κατανομής ισχύος και στο τι πρέπει να κάνουν σε σπάνια περίπτωση σφάλματος σύνδεσης.

Μια βασική πρόκληση εμφανίστηκε τη δεύτερη εβδομάδα. Το υπάρχον ηλεκτρικό δωμάτιο της αποθήκης δεν μπορούσε να φιλοξενήσει τον πρόσθετο εξοπλισμό προστασίας από υπέρταση και μέτρηση που απαιτείται για τους νέους πασσάλους χωρίς μια μικρή αναδιαμόρφωση. Το πρόβλημα επιλύθηκε με την εγκατάσταση μιας συμπαγούς πλακέτας υποδιανομής και τη μεταφορά των εφεδρικών ηλεκτρικών φορτίων σε μια διαφορετική φάση — μια μικρή αστική εργασία που πρόσθεσε τέσσερις ημέρες στο χρονοδιάγραμμα.

Ποσοτικοποιήσιμα αποτελέσματα: Ταχύτερες ανατροπές, χαμηλότερες χρεώσεις ζήτησης, λιγότερες ουρές

Τα λειτουργικά δεδομένα από τους πρώτους τρεις μήνες λειτουργίας των ευέλικτων πασσάλων φόρτισης Soutya έδειξαν μετρήσιμες βελτιώσεις σε όλα τα επίπεδα.

• Ο χρόνος φόρτισης ανά λεωφορείο μειώθηκε κατά 38%.Ο μέσος όρος για μια μπαταρία 200 kWh μειώθηκε από 4,5 ώρες σε 2,2 ώρες, επειδή ο σωρός μπορούσε να συγκεντρώσει 240 kW σε ένα μόνο λεωφορείο όταν το πάρκινγκ ήταν μισοάδειο.
• Οι χρεώσεις αιχμής μειώθηκαν κατά 28%,από 24.000 $ έως 17.300 $ το μήνα. Ο αλγόριθμος περιορισμού φορτίου του σωρού διατήρησε τη συνολική άντληση της αποθήκης κάτω από το όριο των 600 kW ακόμη και όταν φόρτιζαν 20 λεωφορεία ταυτόχρονα.
• Η χρήση φόρτισης αυξήθηκε από 47% σε 78%.Επειδή το ρεύμα δρομολογείται με ευελιξία, ένα λεωφορείο που φτάνει στις 2:00 μμ μπορεί να φορτίσει με πλήρη ισχύ, ενώ ένα λεωφορείο που έχει προγραμματιστεί να αναχωρήσει στις 6:00 μμ περιμένει τη σειρά του.
• Η αναβάθμιση του δικτύου των 180.000 $ αποφεύχθηκε.Το κόστος του έργου, συμπεριλαμβανομένων των τεσσάρων πασσάλων και της εγκατάστασης, ανήλθε σε περίπου 96.000 $, που σημαίνει ότι η περίοδος απόσβεσης ήταν πάνω από ένα έτος με βάση μόνο την εξοικονόμηση χρέωσης ζήτησης.

Ο ευρύτερος αντίκτυπος ήταν ορατός στην τήρηση του χρονοδιαγράμματος: ο αριθμός των λεωφορείων που έφευγαν από το αμαξοστάσιο με λιγότερο από 90% κατάσταση φόρτισης μειώθηκε από 12 σε 2 την εβδομάδα και ο ρυθμός έγκαιρης αναχώρησης του στόλου βελτιώθηκε από 92% σε 98%.

Μαρτυρία πελάτη

Ο διευθυντής εργασιών της αποθήκης το έθεσε με απλά λόγια:

"Ο εύκαμπτος σωρός δεν προσφέρει ταχύτερη φόρτιση. Μας δίνει πίσω τον έλεγχο του προγράμματός μας. Δεν χρειάζεται πλέον να αποφασίζω ποιο λεωφορείο θα φορτίσει πρώτο. Η ισχύς πηγαίνει όπου χρειάζεται και αυτό έχει αλλάξει τον τρόπο που σχεδιάζουμε ολόκληρη τη βάρδια μας."

Ένας άλλος επόπτης συντήρησης πρόσθεσε: "Ο αρθρωτός σχεδιασμός σημαίνει ότι μπορούμε να αναβαθμίσουμε τη χωρητικότητα χωρίς να καταστρέψουμε την υπάρχουσα εγκατάσταση. Αυτό δεν ήταν δυνατό με τις παλιές μας σταθερές μονάδες."

Μαθήματα για άλλους χειριστές στόλου και χρέωσης

Τρία αναπαραγόμενα μαθήματα προέκυψαν από αυτό το έργο:

1. Αντιστοιχίστε τη διαμόρφωση του σωρού με τα πραγματικά δρομολόγια λεωφορείων, όχι τη μέγιστη ισχύ.Το αμαξοστάσιο θεωρούσε μοντέλο 720 kW, αλλά οι μονάδες 600 kW με 32 εξόδους ταιριάζουν καλύτερα στην περιστροφή του διαύλου και κοστίζουν λιγότερο. Η κατανόηση της αιχμής επικάλυψης των χρόνων επιστροφής είναι πιο πολύτιμη από την αγορά της μεγαλύτερης δυνατής μονάδας.
2. Χρησιμοποιήστε τον αλγόριθμο κατανομής ισχύος από την πρώτη μέρα.Η εργοστασιακή προεπιλογή έχει οριστεί για ένα γενικό σενάριο. Η απόδοση της αποθήκης βελτιώθηκε μόνο αφού διαμόρφωσαν τις προτεραιότητες κατανομής ώστε να ταιριάζουν με τους χρόνους αναχώρησης και την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας.
3. Σχεδιάστε την ανάπτυξη του στόλου επιλέγοντας μια αρθρωτή μονάδα.Εάν ο χειριστής προσθέσει άλλους 10 διαύλους, μπορεί να εισάγει επιπλέον μονάδες ισχύος στους υπάρχοντες πασσάλους. Ένας σταθερός φορτιστής θα απαιτούσε μια εντελώς νέα εγκατάσταση και μια άλλη σύνδεση στο δίκτυο.

Η μεγαλύτερη έκπληξη για την ομάδα ήταν πώς η αλλαγή στη συμπεριφορά φόρτισης επηρέασε τις συνολικές λειτουργίες της. Η μετάβαση από ένα μοντέλο σταθερής ισχύος σε ένα μοντέλο που βασίζεται στη ζήτηση εξοικονόμησε χρήματα, βελτίωσε την έγκαιρη απόδοση και εξάλειψε την καθημερινή πηγή άγχους του προσωπικού.

Αναφορές

Για τους χειριστές που αξιολογούν ευέλικτους σωρούς φόρτισης DC, τα ακόλουθα βιομηχανικά πρότυπα παρέχουν χρήσιμο πλαίσιο για την ασφάλεια και την απόδοση:

• EN 50620:2017 – Ηλεκτρικά καλώδια για φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων, ορίζοντας την ευελιξία των καλωδίων, την αντοχή στις καιρικές συνθήκες και τις απαιτήσεις τάσης για συστήματα συνεχούς ρεύματος 0,6/1 kV.
• Σειρά IEC 62196 – Βύσματα, πρίζες και σύνδεσμοι οχήματος για αγώγιμη φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων, που καλύπτουν απαιτήσεις διασύνδεσης AC και DC (συμπεριλαμβανομένων των CCS και CHAdeMO).
• UL 1699B – Φωτοβολταϊκά (PV) DC Arc-Fault Circuit Protection, μια αναφορά για μεθόδους ανίχνευσης σφαλμάτων τόξου DC που χρησιμοποιούνται σε συστήματα φόρτισης DC υψηλής ισχύος.