АФЧ для зарядных станций электромобилей: гармоники и фазовый дисбаланс

Резюме. Активный фильтр гармоник для зарядной станции электромобилей решает проблему, которую не может решить традиционная коррекция коэффициента мощности: нагрузка одновременно искажена, несбалансирована и прерывиста. Быстрые зарядные устройства постоянного тока потребляют нелинейный ток через шестипульсовые или активные выпрямители, зарядные устройства переменного тока на однофазных линиях создают нейтральный ток и фазовый дисбаланс, а нагрузка объекта колеблется от почти нуля до полной мощности в течение нескольких минут. В этом руководстве объясняется, как зарядные топологии формируют спектр гармоник, почему дисбаланс и мерцание так же важны, как THDi, как рассчитать компенсацию для узла со смешанными зарядными устройствами переменного и постоянного тока, и чего теперь ожидают коммунальные службы от фидера зарядного устройства. В заключение приведены таблица размеров и контрольный список для операторов узлов и EPC-подрядчиков.

Какие искажения фактически производит зарядный узел электромобилей?

Зарядное оборудование относится к двум семействам с разными характеристиками. Зарядные устройства переменного тока — это, по сути, управляемые розетки: бортовое зарядное устройство автомобиля выполняет преобразование переменного тока в постоянный, поэтому ток гармоник зависит от автомобиля, а не от зарядного устройства, а однофазные устройства в трехфазной сети создают фазовый дисбаланс и нейтральный ток. Быстрые зарядные устройства постоянного тока преобразуют ток внутри шкафа, обычно через шестипульсовый выпрямитель с пассивным фильтром или стадию активного фронтального конца, и представляют спектр гармоник, в котором преобладают 5-й, 7-й, 11-й и 13-й порядки, с пульсациями переключения на более высоких частотах.

Вторая характеристика — рабочий цикл. Узел с восемью стойками может потреблять 5 процентов мощности ночью и 90 процентов днем, а отдельные стойки включаются и выключаются по мере подключения автомобилей. Поэтому ток гармоник ступенчато изменяется, а не плавно, и любое компенсационное устройство должно реагировать в течение миллисекунд, чтобы быть актуальным. Фиксированный конденсаторный банк, рассчитанный на средние условия, будет неправильным в обоих крайних положениях диапазона.

Третья характеристика — взаимодействие с источником питания. Зарядные узлы часто являются самой большой нагрузкой на распределительный трансформатор, и они часто устанавливаются в сетях, разработанных для коммерческого или жилого использования. Сочетание высокого тока гармоник, фазового дисбаланса и быстрых ступенчатых нагрузок вызывает мерцание напряжения, которое замечают соседние клиенты, поэтому коммунальные службы все чаще указывают требования к качеству электроэнергии на фидере зарядного устройства, а не на входе объекта.

Наконец, важна четырехпроводная работа. Узел с однофазными зарядными устройствами переменного тока, освещением и платежными терминалами может нести нейтральный ток, превышающий любой фазный ток. Трехпроводные фильтры гармоник не могут компенсировать этот путь, поэтому спецификация должна с самого начала указывать конфигурацию проводки.

Характеристики фидера усиливают или поглощают проблему. Узел на конце длинного фидера имеет более высокое сопротивление источника, поэтому тот же ток гармоник вызывает большее искажение напряжения и более заметное мерцание. Узел с коротким, жестким подключением может показывать приемлемое качество напряжения, но при этом не соответствовать ограничениям по току гармоник в соглашении о подключении. Оба параметра должны быть оценены, поскольку средство устранения различий: проблемы с напряжением могут потребовать реактивной поддержки или более крупного фильтра, в то время как проблемы с током решаются компенсацией тока.

Почему компенсация не является необязательной на современных зарядных станциях

1. Освобождается мощность трансформатора. Трансформатор мощностью 630 кВА, обслуживающий узел, может потерять значительную долю полезной мощности из-за нагрева от гармоник. Фильтрация тока восстанавливает эту мощность, что часто откладывает модернизацию трансформатора, которая в противном случае задержала бы объект.

2. Соответствие требованиям коммунальных служб теперь обеспечивается на фидере. Операторы получают условия подключения, которые определяют ограничения по гармоникам, коэффициенту мощности и мерцанию. Активный фильтр гармоник для зарядной станции обеспечивает средства для их соблюдения и, с помощью регистрации, доказательства для демонстрации этого.

3. Избегаются жалобы на мерцание. Быстрые ступенчатые нагрузки в узле вызывают колебания напряжения, которые влияют на соседние помещения. Быстрая компенсация уменьшает видимый эффект и защищает лицензию оператора на работу.

4. Снижаются потери в кабелях и коммутационном оборудовании. Ток гармоник протекает через каждый проводник между зарядным устройством и трансформатором. Компенсация вблизи зарядных устройств снижает потери I²R во всей установке, что отражается в счетах за электроэнергию каждый месяц.

5. Фазовый дисбаланс исправляется, а не просто измеряется. Четырехпроводное устройство с возможностью балансировки перераспределяет ток между фазами, снижая нагрузку на нейтраль и улучшая баланс напряжения на стойках. Это также повышает доступность зарядных устройств, поскольку некоторые устройства снижают мощность при дисбалансе напряжения.

6. Объект остается расширяемым. Узлы строятся поэтапно. Модульная рама, такая как настенный активный фильтр гармоник 50A 480V, может быть параллельно подключена по мере добавления стоек, поэтому компенсация растет вместе с доходом, а не опережает его.

7. Плата за спрос и структура тарифов вознаграждают чистую работу. Многие коммерческие тарифы взимают плату за максимальный спрос и, на некоторых рынках, за реактивную мощность. Несбалансированный и искаженный ток увеличивает кажущийся спрос при той же доставленной энергии. Коррекция обоих снижает выставленный счет за спрос и, на рынках с платой за реактивную мощность, устраняет штраф, который в противном случае растет с использованием объекта.

Как рассчитать размер и настроить компенсацию для зарядного узла

Шаг 1 — Классифицируйте зарядные устройства перед чем-либо рассчитывать. Запишите количество стоек переменного и постоянного тока, их номинальную мощность, используют ли устройства постоянного тока шестипульсовые или активные выпрямители, и как контроллер объекта управляет ими. Узел с шестью зарядными устройствами постоянного тока мощностью 120 кВт ведет себя очень иначе, чем двенадцать устройств переменного тока мощностью 22 кВт.

Шаг 2 — Проведите обследование в период пиковой нагрузки, а не при вводе в эксплуатацию. Измерьте спектр, когда заряжаются несколько автомобилей. Обследования при вводе в эксплуатацию с одним подключенным автомобилем занижают как ток гармоник, так и дисбаланс, и полученный размер оказывается явно недостаточным с первой же загруженной субботы.

Шаг 3 — Рассчитайте размер по одновременной нагрузке. Зарядные устройства редко работают одновременно на номинальной мощности, но контроллеры объекта могут создавать почти одновременные пики. Рассчитайте размер по измеренному максимальному одновременному току гармоник и добавьте 25-процентный запас для роста стоек и снижения мощности из-за окружающей среды.

Шаг 4 — Разместите компенсацию в соответствии с планировкой. Один центральный блок на низковольтной панели проще в обслуживании; распределенные модули рядом с группами зарядных устройств снижают потери. Многие узлы используют шкаф на 75А на главной панели и модуль на 30А на вторичной точке распределения.

Шаг 5 — Координируйте работу с контроллером объекта и любыми солнечными установками. Последовательность зарядных устройств, управление нагрузкой и инверторы PV изменяют форму тока. Убедитесь, что время отклика фильтра быстрее, чем цикл управления объектом, и что инвертор и фильтр не пытаются регулировать одну и ту же величину.

Шаг 6 — Проверьте в пиковый период и задокументируйте. Проведите измерительную проверку в период пиковой нагрузки, запишите THDi, дисбаланс, PF и нейтральный ток, и сохраните отчет для коммунальных служб и для гарантийных целей.

Одно практическое соображение для операторов узлов: компенсация должна быть включена в первоначальный электрический проект, а не добавлена после первой жалобы на мерцание. Модернизация фильтра в завершенном узле стоит дороже, чем его указание во время строительства, и может потребовать остановки, которая конфликтует с доходом от зарядки. Просмотрите полный ассортимент активных фильтров гармоник в соответствии с планировкой объекта до заказа распределительного щита и подтвердите схему измерения с коммунальной службой, чтобы точка соответствия и местоположение фильтра совпадали.

Что указать в спецификации EPC. Укажите точку соответствия и пределы, требуемый класс времени отклика, конфигурацию проводки и номинальный ток нейтрали, гармоники, которые должны быть компенсированы, протокол мониторинга и процедуру проверки, включая условия нагрузки при тестировании. Эти шесть пунктов устраняют почти всю неоднозначность, которая иначе возникает при сдаче объекта, когда объект загружен, и никто не хочет планировать повторное обследование.

Три ошибки, которые повторяются в проектах зарядных станций. Расчет размера по THDi паспортной таблички зарядного устройства без коэффициента одновременности приводит к переразмеренному устройству, которое никогда не работает выше половины нагрузки. Расчет по результатам обследования при вводе в эксплуатацию с одним подключенным автомобилем приводит к обратному результату. А указание трехпроводного устройства для узла с однофазными стойками переменного тока оставляет нейтральный ток нетронутым, что является наиболее частой причиной того, что оператор сообщает, что фильтр "не решил проблему".

Учитывайте кривую снижения мощности зарядного устройства. Некоторые зарядные устройства постоянного тока снижают выходную мощность при искаженном или несбалансированном входном напряжении, что напрямую снижает доход на стойку. Операторы редко связывают эти два фактора, но узел с низким качеством электроэнергии может поставлять на десять-пятнадцать процентов меньше энергии в час, чем идентичный объект с чистым источником питания. Инструментальное измерение одной группы стоек до и после компенсации — простой способ количественно оценить выгоду в коммерческих, а не в инженерных терминах.

Держите измерительные приборы видимыми для операторов. Фильтр, который регистрирует данные, но читается только при ежегодном аудите, мало что дает. Отобразите ключевые значения — THDi, PF, нейтральный ток, статус модуля — на существующей панели оператора и установите сигнал тревоги при повышении нейтрального тока, который является самым ранним индикатором новой однофазной нагрузки или отказавшего модуля.

Согласуйте работу с коммунальной службой перед включением питания. Если соглашение о подключении включает ограничения по гармоникам или мерцанию, уведомите коммунальную службу о предлагаемой компенсации и предполагаемом тесте при вводе в эксплуатацию. Некоторые сети требуют присутствия свидетелей при тестировании, и знание этого заранее позволяет избежать второго визита. Это также дает оператору контактное лицо на первые загруженные выходные, когда вопросы о мерцании или жалобах на напряжение наиболее вероятны.

Заложите бюджет на повторное измерение через двенадцать месяцев. Зарядные станции меняются быстрее, чем промышленные предприятия: добавляются стойки, меняется состав автомобилей, а контроллеры объекта получают обновления прошивки, которые изменяют поведение одновременности. Ежегодное измерение стоит очень мало и позволяет оператору узнать, соответствует ли первоначальный размер требованиям, или следует ли добавить еще один модуль перед следующим летним пиком.

Часто задаваемые вопросы

Нужна ли зарядным устройствам переменного тока фильтрация гармоник?

Может быть, особенно в большом количестве. Бортовое зарядное устройство определяет спектр, а однофазные устройства создают нейтральный ток и дисбаланс. Узел с множеством стоек переменного тока часто нуждается в четырехпроводной компенсации, даже если каждое отдельное зарядное устройство выглядит безобидным.

Какое время отклика требуется зарядному узлу?

Быстрый отклик важен, потому что стойки включаются за секунды. Устройство класса 5 мс следует за ступенями, в то время как более медленные устройства корректируют только среднее значение и оставляют переходные искажения, которые проявляются как мерцание в точке подключения.

Может ли один активный фильтр гармоник обслуживать как зарядные устройства переменного, так и постоянного тока?

Да, если он имеет четырехпроводную возможность и рассчитан на суммарный одновременный ток гармоник. Где группы переменного и постоянного тока питаются от отдельных плат, распределенные модули обычно дают лучшие результаты, чем один центральный блок.

Как оценить ток гармоник до создания объекта?

Используйте значения THDi из технических характеристик зарядного устройства, умноженные на номинальный входной ток, суммируйте по среднеквадратичному значению по стойкам с коэффициентом одновременности из спецификации контроллера объекта, затем добавьте 25-процентный запас. Проверьте при вводе в эксплуатацию и скорректируйте.

Изменяет ли солнечный навес требования?

Он изменяет направление тока и добавляет гармоники инвертора в дневное время. Фильтр должен оставаться стабильным при экспорте объекта, а реактивные настройки должны избегать борьбы с собственным управлением напряжением инвертора.

Что делать, если коммунальная служба устанавливает пределы на трансформаторе, а не на шине?

В этом случае точка соответствия находится выше зарядных устройств и любых некомпенсированных нагрузок. Разместите трансформаторы тока для измерения всего на этой границе или примите, что локальная компенсация в узле может не удовлетворять измерению на вторичной стороне трансформатора.

Заключение

Зарядные узлы сочетают три проблемы, которые стандартное компенсационное оборудование обрабатывает плохо: быстрые ступени, фазовый дисбаланс и нейтраль, несущую ток третьей гармоники. Указывайте четырехпроводной, быстродействующий фильтр, рассчитанный на одновременную нагрузку с запасом на рост, проводите обследование в период пиковой нагрузки, а не при вводе в эксплуатацию, и документируйте результат для коммунальной службы. Включение компенсации в первоначальный проект материально дешевле, чем модернизация после первой жалобы.

Проектирование узла или модернизация существующего объекта? Отправьте нам график зарядных устройств, однолинейную схему и логику контроллера объекта, и мы рассчитаем компенсацию, подтвердим конфигурацию проводки и предложим схему измерения, соответствующую точке соответствия коммунальной службы. Свяжитесь с нами для обзора проекта узла.