EV Şarj İstasyonları için AHF: Harmonikler ve Faz Dengesizliği

Özet. Bir EV şarj istasyonu için aktif harmonik filtre, geleneksel güç faktörü düzeltmesinin yapamadığı bir sorunu çözer: yük aynı anda bozuk, dengesiz ve aralıklı. DC hızlı şarj cihazları, altı darbeli veya aktif ön uç doğrultucular aracılığıyla doğrusal olmayan akım çeker, tek fazlı beslemelerdeki AC şarj cihazları nötr akım ve faz dengesizliği yaratır ve site yükü dakikalar içinde sıfıra yakın seviyeden tam kapasiteye dalgalanır. Bu kılavuz, şarj topolojilerinin harmonik spektrumu nasıl şekillendirdiğini, dengesizlik ve titreşimin THDi kadar önemli olduğunu, karışık AC ve DC duraklardan oluşan bir hub'da kompanzasyonun nasıl boyutlandırılacağını ve şarj cihazı besleyicisinde şebekelerin artık ne beklediğini açıklar. Bir boyutlandırma tablosu ve hub operatörleri ve EPC yüklenicileri için bir devreye alma kontrol listesi ile sona erer.

Bir EV Şarj Hub'ı Gerçekte Ne Tür Bozulma Üretiyor?

Şarj ekipmanları farklı imzalarla iki aileye ayrılır. AC şarj cihazları temelde kontrollü prizlerdir: aracın yerleşik şarj cihazı AC'den DC'ye dönüşümü gerçekleştirir, bu nedenle harmonik akım şarj cihazından ziyade araca bağlıdır ve üç fazlı bir beslemedeki tek fazlı üniteler faz dengesizliği ve nötr akım yaratır. DC hızlı şarj cihazları kabin içinde, tipik olarak pasif filtreli altı darbeli bir doğrultucu veya aktif bir ön uç aşaması aracılığıyla dönüşüm yapar ve 5., 7., 11. ve 13. derecelerin hakim olduğu bir harmonik spektrum sunar, daha yüksek frekanslarda anahtarlama dalgalanması ile birlikte.

Görev döngüsü ikinci özelliktir. Sekiz duraklı bir hub, gece boyunca kapasitenin yüzde 5'ini ve öğlen tam kapasitenin yüzde 90'ını çekebilir ve araçlar bağlandıkça bireysel duraklar açılıp kapanır. Bu nedenle harmonik akım düzgün bir şekilde değişmek yerine adım adım ilerler ve herhangi bir kompanzasyon cihazı, ilgili olabilmesi için milisaniyeler içinde yanıt vermelidir. Ortalama koşullar için tasarlanmış sabit bir kapasitör bankası, aralığın her iki ucunda da yanlış olacaktır.

Üçüncü özellik, besleme ile etkileşimdir. Şarj hub'ları genellikle bir dağıtım transformatöründeki en büyük yüktür ve genellikle ticari veya konut kullanımı için tasarlanmış ağlara kurulurlar. Yüksek harmonik akım, faz dengesizliği ve hızlı yük adımlarının birleşimi, komşu müşterilerin fark ettiği voltaj titreşimine neden olur, bu nedenle şebekeler giderek artan bir şekilde site giriş noktasından ziyade şarj cihazı besleyicisinde güç kalitesi gereksinimlerini belirlemektedir.

Son olarak, dört telli davranış önemlidir. Tek fazlı AC şarj cihazları, aydınlatma ve ödeme terminalleri olan bir hub, herhangi bir faz akımından daha büyük bir nötr akım taşıyabilir. Üç telli harmonik filtreler bu yolu telafi edemez, bu nedenle spesifikasyon en baştan kablolama konfigürasyonunu belirtmelidir.

Besleyici özellikleri sorunu güçlendirir veya emer. Uzun bir besleyicinin sonunda bulunan bir hub, daha yüksek kaynak empedansı görür, bu nedenle aynı harmonik akım daha fazla voltaj bozulması ve daha görünür titreşim üretir. Kısa, sert bir bağlantısı olan bir hub, kabul edilebilir voltaj kalitesi gösterebilirken, bağlantı anlaşmasındaki harmonik akım sınırlarını hala aşabilir. Her iki nicelik de değerlendirilmelidir, çünkü çözüm farklıdır: voltaj sorunları reaktif destek veya daha büyük bir filtre gerektirebilirken, akım sorunları akım kompanzasyonu ile çözülür.

Modern Şarj Sitelerinde Neden Kompanzasyon İsteğe Bağlı Değil

1. Transformatör kapasitesi serbest bırakılır. Bir hub'a hizmet veren 630 kVA'lık bir transformatör, harmonik ısıtmaya anlamlı bir kullanılabilir kapasite payı kaybedebilir. Akımın filtrelenmesi bu kapasiteyi geri kazandırır, bu da aksi takdirde siteyi geciktirecek bir transformatör yükseltmesini genellikle erteler.

2. Şebeke uyumluluğu artık besleyicide zorunlu tutuluyor. Operatörler, harmonik emisyon, güç faktörü ve titreşim sınırlarını belirten bağlantı koşulları alırlar. Bir şarj istasyonu AHF'si bunları karşılama araçlarını sağlar ve kayıt ile bunu kanıtlama olanağı sunar.

3. Titreşim şikayetleri önlenir. Bir hub'daki hızlı yük adımları, bitişik tesisleri etkileyen voltaj dalgalanmalarına neden olur. Hızlı kompanzasyon, görünür etkiyi azaltır ve operatörün işletme lisansını korur.

4. Kablo ve şalt kaybı düşer. Harmonik akım, şarj cihazı ile transformatör arasındaki her iletkenden akar. Şarj cihazlarına yakın kompanzasyon, kurulum boyunca I²R kayıplarını azaltır, bu da her ay elektrik faturasında görülür.

5. Faz dengesizliği sadece ölçülmekle kalmaz, düzeltilir. Dengeleme yeteneğine sahip dört telli bir cihaz, fazlar arasındaki akımı yeniden dağıtır, nötr yüklenmesini azaltır ve duraklardaki voltaj dengesini iyileştirir. Bu aynı zamanda şarj cihazı kullanılabilirliğini de artırır, çünkü bazı üniteler voltaj dengesizliğinde performans düşüşü yaşar.

6. Site genişletilebilir kalır. Hub'lar aşamalar halinde inşa edilir. Bir 50A 480V duvara monte AHF gibi modüler bir çerçeve, duraklar eklendikçe paralelleştirilebilir, böylece kompanzasyon gelirden önce değil, gelirle birlikte büyür.

7. Talep ücretleri ve tarife yapısı temiz çalışmayı ödüllendirir. Birçok ticari tarife, maksimum talep için ve bazı pazarlarda reaktif güç için ücret alır. Dengesiz ve bozuk akım, aynı teslim edilen enerji için görünen talebi şişirir. Her ikisini de düzeltmek faturalandırılan talebi azaltır ve reaktif ücreti olan pazarlarda, site kullanımına göre artan bir cezayı ortadan kaldırır.

Bir Şarj Hub'ı İçin Kompanzasyonun Boyutlandırılması ve Yapılandırılması

Adım 1 — Herhangi bir hesaplama yapmadan önce şarj cihazlarını sınıflandırın. AC ve DC duraklarının sayısını, güç derecelerini, DC ünitelerinin altı darbeli veya aktif ön uç doğrultucular kullanıp kullanmadığını ve site denetleyicisinin bunları nasıl sıraladığını kaydedin. Altı adet 120 kW DC şarj cihazına sahip bir hub, on iki adet 22 kW AC üniteden çok farklı davranır.

Adım 2 — Komisyonda değil, yoğun bir dönemde anket yapın. Birkaç araç şarj olurken spektrumu ölçün. Tek bir araç bağlıyken alınan komisyon anketleri hem harmonik akımı hem de dengesizliği hafife alır ve sonuçta elde edilen boyutlandırma, ilk yoğun Cumartesi gününden itibaren sessizce yetersiz kalır.

Adım 3 — Eşzamanlı talebe göre boyutlandırın. Şarj cihazları nadiren aynı anda tam güçte çalışır, ancak site denetleyicileri neredeyse eşzamanlı zirveler oluşturabilir. Ölçülen maksimum eşzamanlı harmonik akıma göre boyutlandırın ve durak büyümesi ve ortam sıcaklığı düşüşü için yüzde 25 ek pay ekleyin.

Adım 4 — Kompanzasyonu yerleşime uyacak şekilde yerleştirin. LV panosundaki tek bir merkezi ünite bakımı en kolay olanıdır; şarj cihazı gruplarına yakın dağıtılmış modüller kayıpları azaltır. Birçok hub, ana panoda bir 75A kabin ve ikincil bir dağıtım noktasında bir 30A modül kullanır.

Adım 5 — Site denetleyicisi ve herhangi bir güneş enerjisi ile koordine edin. Şarj cihazı sıralaması, yük yönetimi ve PV invertörler akım dalga biçimini değiştirir. Filtrenin yanıt süresinin site kontrol döngüsünden daha hızlı olduğunu ve invertör ile filtrenin aynı niceliği düzenlemeye çalışmadığını doğrulayın.

Adım 6 — Zirvede doğrulayın ve belgeleyin. Yoğun bir dönemde bir doğrulama ölçümü yapın, THDi, dengesizlik, PF ve nötr akımını kaydedin ve raporu şebeke ve garanti amaçlı saklayın.

Hub operatörleri için pratik bir husus: kompanzasyon, ilk titreşim şikayetinden sonra eklenmek yerine orijinal elektrik tasarımına dahil edilmelidir. Tamamlanmış bir hub'a bir filtre sonradan takmak, inşaat sırasında belirlemekten daha pahalıdır ve şarj gelirleriyle çakışan bir kapanma gerektirebilir. Anahtarlama panosu sipariş edilmeden önce site yerleşimine karşı tam AHF serisini gözden geçirin ve uyumluluk noktası ile filtre konumunun çakışması için şebeke ile ölçüm düzenlemesini doğrulayın.

EPC spesifikasyonuna ne yazılmalı. Uyumluluk noktasını ve sınırlarını, gerekli yanıt süresi sınıfını, kablolama konfigürasyonunu ve nötr derecesini, telafi edilecek harmonik derecelerini, izleme protokolünü ve testteki yük koşulu dahil doğrulama prosedürünü belirtin. Bu altı madde, site yoğun olduğunda ve kimse tekrar anket planlamak istemediğinde ortaya çıkan belirsizliğin neredeyse tamamını ortadan kaldırır.

Şarj projelerinde tekrarlanan üç hata. Eşzamanlılık faktörü olmadan şarj cihazı isim plakası THDi'den boyutlandırma, asla yarı yükün üzerinde çalışmayan büyük bir ünite üretir. Tek bir araç bağlıyken yapılan bir komisyon anketinden boyutlandırma tam tersini üretir. Ve tek fazlı AC durakları olan bir hub için üç telli bir ünite belirlemek, nötr akımını dokunulmadan bırakır, bu da operatörün filtrenin "sorunu çözmediğini" bildirmesinin en yaygın nedenidir.

Şarj cihazı performans düşüşü eğrisini göz önünde bulundurun. Bazı DC şarj cihazları, giriş voltajı bozuk veya dengesiz olduğunda çıktıyı azaltır, bu da durak başına geliri doğrudan azaltır. Operatörler nadiren ikisini birbirine bağlar, ancak düşük güç kalitesine sahip bir hub, temiz beslemeye sahip özdeş bir siteye göre saatte yüzde on ila on beş daha az enerji sağlayabilir. Bir durak grubunu kompanzasyondan önce ve sonra ölçmek, faydayı mühendislik terimlerinden ziyade ticari terimlerle ölçmenin basit bir yoludur.

Ölçümü operasyonlara görünür tutun. Kayıt tutan ancak yalnızca yıllık denetimde okunan bir filtre çok az katkıda bulunur. Anahtar değerleri — THDi, PF, nötr akımı, modül durumu — operatörün mevcut kontrol panosunda gösterin ve yeni tek fazlı yükün veya arızalı bir modülün en erken göstergesi olan artan nötr akımında bir alarm ayarlayın.

Enerji vermeden önce şebeke ile koordine edin. Bağlantı anlaşması harmonik veya titreşim sınırları içeriyorsa, şebekeye önerilen kompanzasyonu ve amaçlanan komisyon testini bildirin. Bazı ağlar testin tanık olunmasını gerektirir ve bunu önceden bilmek ikinci bir ziyareti önler. Ayrıca, titreşim veya voltaj şikayetleriyle ilgili soruların en olası olduğu ilk yoğun hafta sonu için operatöre adlandırılmış bir iletişim kişisi sağlar.

On iki ay sonra yeniden ölçüm için bütçe ayırın. Şarj siteleri endüstriyel tesislerden daha hızlı değişir: duraklar eklenir, araç karışımı değişir ve site denetleyicileri eşzamanlı davranışı değiştiren firmware güncellemeleri alır. Yıllık bir ölçüm çok az maliyetlidir ve operatöre orijinal boyutlandırmanın hala uygun olup olmadığını veya bir sonraki yaz zirvesinden önce başka bir modül eklenmesi gerekip gerekmediğini söyler.

SSS

AC şarj cihazlarının harmonik filtrelemeye ihtiyacı var mı?

Özellikle çok sayıda olduklarında olabilir. Yerleşik şarj cihazı spektrumu belirler ve tek fazlı üniteler nötr akımı ve dengesizlik yaratır. Çok sayıda AC durağı olan bir hub, her bir bireysel şarj cihazı zararsız görünse bile genellikle dört telli kompanzasyon gerektirir.

Bir şarj hub'ının ne kadar yanıt süresine ihtiyacı var?

Duraklar saniyeler içinde açılıp kapandığı için hızlı yanıt önemlidir. 5 ms sınıfındaki bir ünite adımları takip ederken, daha yavaş cihazlar yalnızca ortalamayı düzeltir ve bağlantı noktasında titreşim olarak görünen geçici bozulmayı bırakır.

Tek bir AHF hem AC hem de DC şarj cihazlarına hizmet verebilir mi?

Evet, dört telli kapasiteli ve birleşik eşzamanlı harmonik akıma göre boyutlandırılmışsa. AC ve DC grupları ayrı panolardan besleniyorsa, dağıtılmış modüller genellikle tek bir merkezi üniteden daha iyi sonuçlar verir.

Site henüz mevcut değilken harmonik akım nasıl tahmin edilir?

Şarj cihazı veri sayfalarındaki THDi rakamlarını nominal giriş akımıyla çarpın, site denetleyicisi spesifikasyonundan eşzamanlılık faktörü ile duraklar arasında RMS olarak toplayın, ardından yüzde 25 ek pay ekleyin. Komisyonda doğrulayın ve ayarlayın.

Güneş kanopisi gereksinimi değiştirir mi?

Gündüzleri akım yönünü değiştirir ve invertör harmoniklerini ekler. Filtre, site dışa aktarırken kararlı kalmalı ve reaktif ayarlar, invertörün kendi voltaj kontrolü ile savaşmaktan kaçınmalıdır.

Ya şebeke limitleri transformatörde, panoda değil diye belirtirse?

Bu durumda uyumluluk noktası şarj cihazlarının ve telafi edilmemiş yüklerin yukarısında yer alır. CT'leri o sınırda her şeyi ölçmek için yerleştirin veya hub'daki yerel kompanzasyonun transformatör sekonderinde alınan bir ölçümü tatmin etmeyebileceğini kabul edin.

Sonuç

Şarj hub'ları, standart kompanzasyon ekipmanının kötü idare ettiği üç sorunu birleştirir: hızlı adımlar, faz dengesizliği ve üçlü akım taşıyan bir nötr. Dört telli, hızlı yanıt veren bir filtreyi eşzamanlı talebe göre, büyüme payı ile boyutlandırın, komisyonda değil, yoğun bir dönemde anket yapın ve sonucu şebeke için belgeleyin. Kompanzasyonu orijinal tasarıma dahil etmek, ilk şikayetten sonra sonradan takmaktan önemli ölçüde daha ucuzdur.

Bir hub tasarlamak veya mevcut bir siteyi sonradan donatmak mı?Şarj cihazı programını, tek hat şemasını ve site denetleyicisi mantığını bize gönderin, biz de kompanzasyonu boyutlandıracağız, kablolama konfigürasyonunu doğrulayacağız ve şebekenin uyumluluk noktasına uyan bir ölçüm düzenlemesi önereceğiz. Hub tasarım incelemesi için bize ulaşın.