AHF dla stacji ładowania pojazdów elektrycznych: harmoniczne i nierównowaga faz

Podsumowanie. Aktywny filtr harmonicznych dla stacji ładowania pojazdów elektrycznych rozwiązuje problem, którego konwencjonalna korekcja współczynnika mocy nie jest w stanie rozwiązać: obciążenie jest jednocześnie zniekształcone, niezbalansowane i przerywane. Szybkie ładowarki DC pobierają nieliniowy prąd przez prostowniki sześciopulsowe lub z aktywnym stopniem wejściowym, ładowarki AC zasilane jednofazowo tworzą prąd neutralny i niezbalansowanie faz, a obciążenie obiektu waha się od bliskiego zera do pełnej pojemności w ciągu kilku minut. Niniejszy przewodnik wyjaśnia, w jaki sposób topologie ładowania kształtują widmo harmonicznych, dlaczego niezbalansowanie i migotanie mają takie samo znaczenie jak THDi, jak dobrać kompensację dla centrum z mieszanymi stanowiskami AC i DC, oraz czego oczekują obecnie przedsiębiorstwa energetyczne od zasilania ładowarek. Zamyka się tabelą wymiarowania i listą kontrolną uruchomienia dla operatorów centrów i wykonawców EPC.

Jakie zniekształcenia faktycznie generuje centrum ładowania pojazdów elektrycznych?

Urządzenia ładowania należą do dwóch rodzin o różnych sygnaturach. Ładowarki AC to zasadniczo kontrolowane gniazdka: pokładowa ładowarka pojazdu wykonuje konwersję AC na DC, więc prąd harmoniczny zależy od pojazdu, a nie od ładowarki, a jednostki jednofazowe w zasilaniu trójfazowym tworzą niezbalansowanie faz i prąd neutralny. Szybkie ładowarki DC konwertują wewnątrz obudowy, zazwyczaj przez prostownik sześciopulsowy z filtrem pasywnym lub aktywny stopień wejściowy, i prezentują widmo harmonicznych zdominowane przez 5., 7., 11. i 13. harmoniczne, z tętnieniem przełączania przy wyższych częstotliwościach.

Druga charakterystyka to cykl pracy. Centrum z ośmioma stanowiskami może pobierać 5 procent mocy w nocy i 90 procent w południe, a poszczególne stanowiska włączają się i wyłączają w miarę podłączania pojazdów. Prąd harmoniczny zatem skacze, zamiast zmieniać się płynnie, a każde urządzenie kompensujące musi reagować w ciągu milisekund, aby być istotne. Stały bank kondensatorów zaprojektowany dla średnich warunków będzie nieprawidłowy na obu krańcach zakresu.

Trzecia charakterystyka to interakcja z zasilaniem. Centra ładowania są często największym obciążeniem transformatora rozdzielczego, a często są instalowane w sieciach zaprojektowanych do użytku komercyjnego lub mieszkalnego. Połączenie wysokiego prądu harmonicznego, niezbalansowania faz i szybkich skoków obciążenia powoduje migotanie napięcia, które zauważają sąsiedni klienci, dlatego przedsiębiorstwa energetyczne coraz częściej określają wymagania dotyczące jakości energii na zasilaniu ładowarki, a nie na przyłączu obiektu.

Wreszcie, zachowanie czteroprzewodowe ma znaczenie. Centrum z jednofazowymi ładowarkami AC, oświetleniem i terminalami płatniczymi może przenosić prąd neutralny większy niż jakikolwiek prąd fazowy. Trójprzewodowe filtry harmonicznych nie mogą skompensować tej ścieżki, dlatego specyfikacja musi od początku określać konfigurację okablowania.

Charakterystyka zasilania wzmacnia lub pochłania problem. Centrum na końcu długiego zasilania widzi wyższą impedancję źródła, więc ten sam prąd harmoniczny powoduje większe zniekształcenie napięcia i bardziej widoczne migotanie. Centrum z krótkim, sztywnym połączeniem może wykazywać akceptowalną jakość napięcia, jednocześnie nie spełniając limitów prądu harmonicznego w umowie przyłączeniowej. Obie wielkości muszą być ocenione, ponieważ środek zaradczy jest inny: problemy z napięciem mogą wymagać wsparcia reaktywnego lub większego filtra, podczas gdy problemy z prądem są rozwiązywane przez kompensację prądu.

Dlaczego kompensacja nie jest opcjonalna na nowoczesnych obiektach ładowania

1. Uwalniana jest pojemność transformatora. Transformator 630 kVA obsługujący centrum może stracić znaczną część użytecznej pojemności na ogrzewanie harmoniczne. Filtrowanie prądu przywraca tę pojemność, co często odracza modernizację transformatora, która w przeciwnym razie opóźniłaby obiekt.

2. Zgodność z przepisami przedsiębiorstwa energetycznego jest egzekwowana na zasilaniu. Operatorzy otrzymują warunki przyłączenia określające limity emisji harmonicznych, współczynnika mocy i migotania. AFH stacji ładowania zapewnia środki do ich spełnienia i, dzięki rejestracji, dowody do ich wykazania.

3. Uniknięto skarg na migotanie. Szybkie skoki obciążenia w centrum powodują fluktuacje napięcia, które wpływają na sąsiednie obiekty. Szybka kompensacja zmniejsza widoczny efekt i chroni licencję operatora na prowadzenie działalności.

4. Zmniejszone straty w kablach i rozdzielnicach. Prąd harmoniczny przepływa przez każdy przewodnik między ładowarką a transformatorem. Kompensacja blisko ładowarek zmniejsza straty I²R w całej instalacji, co przekłada się na rachunek za prąd każdego miesiąca.

5. Niezbalansowanie faz jest korygowane, a nie tylko mierzone. Czteroprzewodowe urządzenie z możliwością balansowania redystrybuuje prąd między fazami, zmniejszając obciążenie przewodu neutralnego i poprawiając balans napięcia na stanowiskach. Poprawia to również dostępność ładowarek, ponieważ niektóre jednostki obniżają moc przy niezbalansowaniu napięcia.

6. Obiekt pozostaje rozszerzalny. Centra są budowane etapami. Modułowa rama, taka jak AFH ścienny 50A 480V, może być łączona równolegle w miarę dodawania stanowisk, dzięki czemu kompensacja rośnie wraz z przychodami, a nie przed nimi.

7. Opłaty za moc zamówioną i struktura taryfowa nagradzają czyste działanie. Wiele taryf komercyjnych obciąża za maksymalną moc zamówioną, a na niektórych rynkach za moc bierną. Niezbalansowany i zniekształcony prąd zwiększa pozorne zapotrzebowanie na tę samą dostarczoną energię. Korekta obu zmniejsza fakturowaną moc zamówioną i, na rynkach z opłatą za moc bierną, eliminuje karę, która w przeciwnym razie rośnie wraz z wykorzystaniem obiektu.

Jak dobrać i skonfigurować kompensację dla centrum ładowania

Krok 1 — Sklasyfikuj ładowarki przed wykonaniem jakichkolwiek obliczeń. Zarejestruj liczbę stanowisk AC i DC, ich moc znamionową, czy jednostki DC używają prostowników sześciopulsowych czy z aktywnym stopniem wejściowym, oraz jak kontroler obiektu nimi zarządza. Centrum z sześcioma ładowarkami DC o mocy 120 kW będzie zachowywać się bardzo inaczej niż dwanaście jednostek AC o mocy 22 kW.

Krok 2 — Przeprowadź pomiar w okresie szczytu, a nie podczas uruchomienia. Zmierz widmo, gdy kilka pojazdów się ładuje. Pomiary podczas uruchomienia wykonane z jednym podłączonym pojazdem niedoszacowują zarówno prądu harmonicznego, jak i niezbalansowania, a wynikowe wymiarowanie jest cicho niewystarczające od pierwszego ruchliwego soboty.

Krok 3 — Dobierz na podstawie jednoczesnego zapotrzebowania. Ładowarki rzadko pracują z mocą znamionową jednocześnie, ale kontrolery obiektu mogą tworzyć prawie jednoczesne szczyty. Dobierz na podstawie zmierzonego maksymalnego jednoczesnego prądu harmonicznego i dodaj 25 procent zapasu na wzrost liczby stanowisk i obniżenie mocy z powodu temperatury otoczenia.

Krok 4 — Umieść kompensację zgodnie z układem. Jedna centralna jednostka przy rozdzielnicy niskiego napięcia jest najprostsza w utrzymaniu; rozproszone moduły w pobliżu grup ładowarek zmniejszają straty. Wiele centrów wykorzystuje szafę 75A przy głównej rozdzielnicy i moduł 30A przy wtórnym punkcie dystrybucyjnym.

Krok 5 — Skoordynuj z kontrolerem obiektu i ewentualnym panelem słonecznym. Sekwencjonowanie ładowarek, zarządzanie obciążeniem i falowniki PV zmieniają przebieg prądu. Potwierdź, że czas reakcji filtra jest szybszy niż pętla sterowania obiektem, i że falownik i filtr nie próbują regulować tej samej wielkości.

Krok 6 — Zweryfikuj w szczycie i udokumentuj. Przeprowadź pomiar weryfikacyjny w okresie szczytu, zarejestruj THDi, niezbalansowanie, PF i prąd neutralny, i zachowaj raport dla przedsiębiorstwa energetycznego i do celów gwarancyjnych.

Jedno praktyczne rozważenie dla operatorów centrów: kompensacja powinna być uwzględniona w pierwotnym projekcie elektrycznym, a nie dodana po pierwszej skardze na migotanie. Doposażenie filtra w ukończone centrum kosztuje więcej niż jego specyfikacja podczas budowy i może wymagać wyłączenia, które koliduje z przychodami z ładowania. Przejrzyj pełną gamę AFH w odniesieniu do układu obiektu przed zamówieniem rozdzielnicy i potwierdź układ pomiarowy z przedsiębiorstwem energetycznym, tak aby punkt zgodności i lokalizacja filtra się pokrywały.

Co wpisać do specyfikacji EPC. Określ punkt zgodności i limity, wymaganą klasę czasu reakcji, konfigurację okablowania i znamionowy prąd neutralny, harmoniczne do skompensowania, protokół monitorowania i procedurę weryfikacji, w tym warunki obciążenia podczas testu. Te sześć elementów usuwa prawie całą niejednoznaczność, która w przeciwnym razie pojawia się przy przekazaniu, gdy obiekt jest ruchliwy i nikt nie chce planować powtórnego pomiaru.

Trzy błędy powtarzające się w projektach ładowania. Wymiarowanie na podstawie THDi z tabliczki znamionowej ładowarki bez współczynnika zgodności daje przewymiarowaną jednostkę, która nigdy nie pracuje powyżej połowy obciążenia. Wymiarowanie na podstawie pomiaru podczas uruchomienia z jednym podłączonym pojazdem daje odwrotny efekt. A specyfikacja trójprzewodowej jednostki dla centrum z jednofazowymi stanowiskami AC pozostawia prąd neutralny nietknięty, co jest najczęstszym powodem, dla którego operator zgłasza, że filtr "nie rozwiązał problemu".

Rozważ krzywą obniżania mocy ładowarki. Niektóre ładowarki DC zmniejszają moc wyjściową, gdy napięcie wejściowe jest zniekształcone lub niezbalansowane, co bezpośrednio zmniejsza przychody na stanowisko. Operatorzy rzadko łączą te dwie rzeczy, ale centrum o słabej jakości energii może dostarczać o dziesięć do piętnastu procent mniej energii na godzinę niż identyczny obiekt z czystym zasilaniem. Instrumentacja jednej grupy stanowisk przed i po kompensacji jest prostym sposobem na ilościowe określenie korzyści w kategoriach komercyjnych, a nie inżynieryjnych.

Utrzymuj pomiary widoczne dla operacji. Filtr, który rejestruje dane, ale jest odczytywany tylko podczas rocznego audytu, wnosi niewiele. Ujawnij kluczowe wartości — THDi, PF, prąd neutralny, status modułu — na istniejącym pulpicie nawigacyjnym operatora i ustaw alarm na rosnący prąd neutralny, który jest najwcześniejszym wskaźnikiem nowego obciążenia jednofazowego lub awarii modułu.

Skoordynuj z przedsiębiorstwem energetycznym przed uruchomieniem. Tam, gdzie umowa przyłączeniowa zawiera limity harmonicznych lub migotania, powiadom przedsiębiorstwo energetyczne o proponowanej kompensacji i zamierzonym teście uruchomieniowym. Niektóre sieci wymagają obecności świadków podczas testu, a wiedza o tym z wyprzedzeniem pozwala uniknąć drugiej wizyty. Daje to również operatorowi nazwanego kontaktora na pierwszy ruchliwy weekend, kiedy najprawdopodobniej pojawią się pytania dotyczące migotania lub skarg na napięcie.

Budżet na ponowny pomiar po dwunastu miesiącach. Obiekty ładowania zmieniają się szybciej niż zakłady przemysłowe: dodawane są stanowiska, zmienia się miks pojazdów, a kontrolery obiektów otrzymują aktualizacje oprogramowania układowego, które zmieniają zachowanie zgodności. Roczny pomiar kosztuje niewiele i informuje operatora, czy pierwotne wymiarowanie nadal pasuje, czy też należy dodać kolejny moduł przed kolejnym letnim szczytem.

FAQ

Czy ładowarki AC potrzebują filtrowania harmonicznych?

Mogą, zwłaszcza w dużej liczbie. Pokładowa ładowarka określa widmo, a jednostki jednofazowe tworzą prąd neutralny i niezbalansowanie. Centrum z wieloma stanowiskami AC często potrzebuje kompensacji czteroprzewodowej, nawet jeśli każda indywidualna ładowarka wygląda niegroźnie.

Jakiego czasu reakcji potrzebuje centrum ładowania?

Szybka reakcja jest ważna, ponieważ stanowiska włączają się w ciągu sekund. Jednostka w klasie 5 ms śledzi skoki, podczas gdy wolniejsze urządzenia korygują tylko średnią i pozostawiają przejściowe zniekształcenia, które pojawiają się jako migotanie w punkcie przyłączenia.

Czy jeden AFH może obsługiwać zarówno ładowarki AC, jak i DC?

Tak, jeśli jest czteroprzewodowy i dobrany na podstawie połączonego jednoczesnego prądu harmonicznego. Tam, gdzie grupy AC i DC są zasilane z oddzielnych rozdzielnic, rozproszone moduły zazwyczaj dają lepsze wyniki niż jedna centralna jednostka.

Jak oszacować prąd harmoniczny przed powstaniem obiektu?

Użyj wartości THDi z kart katalogowych ładowarek pomnożonych przez znamionowy prąd wejściowy, zsumuj w RMS dla stanowisk ze współczynnikiem zgodności ze specyfikacji kontrolera obiektu, a następnie dodaj 25 procent zapasu. Zweryfikuj podczas uruchomienia i dostosuj.

Czy zadaszenie słoneczne zmienia wymagania?

Zmienia kierunek prądu i dodaje harmoniczne falownika w ciągu dnia. Filtr musi pozostać stabilny podczas eksportu mocy przez obiekt, a ustawienia mocy biernej powinny unikać walki z własną kontrolą napięcia falownika.

Co jeśli przedsiębiorstwo energetyczne określi limity na transformatorze, a nie na rozdzielnicy?

Wtedy punkt zgodności znajduje się powyżej ładowarek i wszelkich niekompensowanych obciążeń. Umieść przekładniki prądowe, aby zmierzyć wszystko na tej granicy, lub zaakceptuj, że lokalna kompensacja w centrum może nie spełnić pomiaru wykonanego na wtórniku transformatora.

Wniosek

Centra ładowania łączą trzy problemy, z którymi standardowe urządzenia kompensujące radzą sobie słabo: szybkie skoki, niezbalansowanie faz i przewód neutralny przenoszący prąd trzeciej harmonicznej. Określ czteroprzewodowy filtr o szybkiej reakcji dobrany na podstawie jednoczesnego zapotrzebowania z zapasem na wzrost, przeprowadź pomiar w okresie szczytu, a nie podczas uruchomienia, i udokumentuj wynik dla przedsiębiorstwa energetycznego. Uwzględnienie kompensacji w pierwotnym projekcie jest znacznie tańsze niż doposażenie po pierwszej skardze.

Projektowanie centrum lub modernizacja istniejącego obiektu? Prześlij nam harmonogram ładowarek, schemat jednokreskowy i logikę kontrolera obiektu, a my dobierzemy kompensację, potwierdzimy konfigurację okablowania i zaproponujemy układ pomiarowy zgodny z punktem zgodności przedsiębiorstwa energetycznego. Skontaktuj się z nami w celu przeglądu projektu centrum.