Laden von Elektrofahrzeugen und Stromqualität in Niederspannungs-Wohnnetzen – vom einzelnen Ladegerät bis zur Flottendurchdringung
| Ladegerättyp modelliert | Ebene 2 Bordladegerät – 7.2 kW, einphasig, Haushaltsinstallation |
| Methodik | Wahrscheinlichkeitsmodell aus gemessenen harmonischen Spektren – Gaußsche Mischungsmodelle – validiert anhand realer Ladegerätmessungen |
| Simulationstool | OpenDSS – Zeitreihen harmonischer Leistungsflüsse mit einer Auflösung von 10 Minuten |
| Unsicherheitsmodellierung | Monte-Carlo-Simulation – variable Startladezeit, Ladezustand der Verbindung, EV-Standort am Futterautomaten |
| Dominante Harmonische | 33. Harmonische – am intensivsten während des gesamten Ladezyklus, unabhängig vom Durchdringungsgrad |
| Schlüsselfund | Sowohl die Spannungsunsymmetrie als auch die Aufladbarkeit des Netzes nehmen mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen zu – die dritte Harmonische ist der Haupttreiber |
| Supraharmonisches Problem | |
| Kritischer Schwellenwert | Unkontrolliertes gleichzeitiges Aufladen in Privathaushalten bei hohen Penetrationsgraden kann den VUF über das Ziel hinaustreiben 2% IN 50160 Grenzwert an Zubringerbussen |
01 Kontext – Das Ausmaß des Problems
Die Elektrifizierung des Straßenverkehrs ist mittlerweile in den meisten OECD-Ländern eine politische Verpflichtung, mit Zielen von 30% zu 100% Marktanteil von Elektrofahrzeugen bis 2030–2040 in Europa, Nordamerika, und Asien-Pazifik. Die PQ-Auswirkungen dieses Übergangs – in Bezug auf Harmonische, Spannungsunsymmetrie, und supraharmonische Emissionen in NS-Verteilungsnetzen für Privathaushalte – wurden ausführlich isoliert untersucht, aber das kombinierte Bild auf Feeder-Ebene, Berücksichtigung der stochastischen Natur des Ladeverhaltens, war schwieriger zu quantifizieren.
Die 2021 Studie von Torres et al. in Applied Energy geht diese Lücke direkt an. Ausgehend von gemessenen harmonischen Spektren eines realen Levels 2 Bordladegerät, Sie erstellten ein probabilistisches Modell, das das nichtlineare Verhalten des Ladegeräts über den gesamten Ladezyklus hinweg erfasst – vom ersten Anschluss bei einem hohen Ladezustandsdefizit bis zur Fertigstellung – und setzten dieses Modell dann in Monte-Carlo-Simulationen an einer OpenDSS-LV-Einspeisung für Privathaushalte ein, um die PQ-Auswirkungen über mehrere EV-Penetrationsszenarien hinweg zu bewerten.
Ebene 1 Aufladen (1.4–1,9 kW, Standard-Haushaltssteckdose) erzeugt bescheidene Oberschwingungsströme, die leicht vom Verteilungsnetz absorbiert werden. Ebene 2 Laden bei 7.2 kW – etwa das 4- bis 5-fache der Leistung – erzeugt proportional größere Oberschwingungsströme, die den Neutralleiter sättigen können, können zu erheblichen Spannungsverzerrungen der dritten Harmonischen in der Einspeisung führen, und tragen zur Spannungsunsymmetrie bei, wenn sie ungleichmäßig auf die drei Phasen verteilt sind. Als Ebene 2 Das Laden zu Hause wird für Besitzer von Elektrofahrzeugen, die über Nacht parken, zum Standard, der Übergang von Level 1 zum Nivellieren 2 da der primäre Lademodus für Privathaushalte eine deutliche Änderung der PQ-Auswirkungen auf NS-Verteilungsnetze darstellt.
02 Das Level 2 Ladegerät als nichtlineare Last
Ein Level 2 Das Ladegerät für Elektrofahrzeuge ist ein leistungselektronischer Wandler – insbesondere ein einphasiger AC/DC-Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) Schaltung – die kontrolliert Strom aus dem Netz bezieht, nicht-sinusförmiges Muster. Das harmonische Stromprofil eines EV-Ladegeräts ist nicht konstant: Sie ändert sich während des Ladezyklus, wenn die Batteriespannung steigt und der Steueralgorithmus des Ladegeräts die Stromaufnahme anpasst, um den Übergang des Ladezustands zu steuern.
Probabilistische harmonische Spektren
Torres et al. charakterisierte die harmonischen Spektren eines realen Levels 2 Ladegerät über den gesamten Ladezyklus anhand von Labormessungen. Die wichtigste Erkenntnis war, dass die harmonischen Spektren unregelmäßig sind, probabilistisches Verhalten – es handelt sich nicht um deterministische Werte, die durch eine einzige Tabelle harmonischer Ordnungen und Größen dargestellt werden können. Der Ladezustand der Batterie, die Wellenform der Netzspannung zum Zeitpunkt der Verbindung, und der interne Steuerzustand des Ladegeräts beeinflussen alle das harmonische Spektrum. Deshalb vereinfacht, Deterministische harmonische Modelle von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge – die in Planungstools immer noch weit verbreitet sind – unterschätzen systematisch die tatsächlichen PQ-Auswirkungen auf der Einspeiseebene.
Die Studie stellte dieses probabilistische Verhalten mithilfe von Gaußschen Mischungsmodellen dar (GMM) an die gemessenen Spektren angepasst – wobei sowohl der mittlere harmonische Gehalt als auch seine Variabilität über die Verbindungszustände hinweg erfasst werden. Das GMM-Modell wurde dann in den Monte-Carlo-Simulationsrahmen eingebettet, um die harmonische Unsicherheit bis zur PQ-Bewertung auf Einspeiseebene zu übertragen.
Eine Feinheit, die in der breiteren Fachliteratur zu Elektrofahrzeug-Ladegeräten festgestellt wird, besteht darin, dass die harmonische Emission eines Elektrofahrzeug-Ladegeräts nicht unabhängig von der Netzspannung ist, an die es angeschlossen ist. Wenn die Niederspannungseinspeisung bereits eine Spannungsverzerrung der dritten Harmonischen aufweist – die “abgeflachte Sinuskurve” Das ist typisch für Haushaltsnetze mit mehreren Schaltnetzteilen – diese verzerrte Spannung verändert den Betriebspunkt des Ladegeräts und kann einige harmonische Komponenten um 30–300 % im Vergleich zu dem, was bei einer sauberen Sinusversorgung gemessen würde, verändern. Diese bidirektionale Kopplung bedeutet, dass sich die Verzerrung der dritten Harmonischen mit zunehmender EV-Durchdringung verschlechtert, Die Ladegerätemissionen selbst ändern sich – eine positive Rückkopplungsschleife, die in Standardmodellen zur harmonischen Überlagerung nicht erfasst wird.
03 Dominanz der dritten Harmonischen – Das Neutralleiterproblem
Über alle Penetrationsniveaus und alle Ladezykluszustände hinweg, die im Torres et al. untersucht wurden. Studie, die dritte Harmonische (150 Hz und 50 Hz-Systeme) war durchweg die intensivste harmonische Komponente im Ladestrom des Elektrofahrzeugs. Dies gilt nicht nur für Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, sondern ist ein Merkmal aller einphasigen Schaltnetzteile, einschließlich Laptop-Ladegeräte, LED-Treiber, und die Schaltnetzteile, die in der gesamten modernen Unterhaltungselektronik verwendet werden. Ladegeräte für Elektrofahrzeuge fügen einem Netzwerk, das bereits von dreifachen Harmonischen dieser kleineren Lasten dominiert wird, einfach einen viel größeren Strom der dritten Harmonischen hinzu.
Warum dreifache Harmonische besonders gefährlich sind
In einem symmetrischen Dreiphasen-Vierleitersystem, Oberschwingungsströme mit positiver und negativer Folge (5th, 7th, 11th, 13th…) Aufhebung im Neutralleiter – der Neutralleiter führt einen Strom von nahezu Null. Dreifache Harmonische (3rd, 9th, 15th…) sind Nullsystem – sie sind auf allen drei Phasenleitern in Phase und addieren sich daher rechnerisch im Neutralleiter. A perfectly balanced three-phase system with three single-phase EV chargers — one per phase, identical chargers, identical charging state — produces zero positive-sequence neutral current but a neutral current at the 3rd harmonic equal to three times the 3rd harmonic phase current.
The practical consequence is that distribution transformers and neutral conductors in residential LV networks were sized for the fundamental current demand of the connected loads, with a thermal margin for normal unbalance. The introduction of high-density single-phase EV charging creates a systematic neutral overload from triplen harmonics that is entirely outside the design assumptions of existing LV infrastructure.
04 Penetration Levels — The Feeder-End Effect
Die Monte-Carlo-Simulationsergebnisse von Torres et al. zeigen ein konsistentes räumliches Muster über alle Penetrationsszenarien hinweg: Das Laden von Elektrofahrzeugen hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Spannungsqualität am Anfang der Einspeisung (in der Nähe des Verteilungstransformators) kann aber die Spannungsunsymmetrie über das hinaus treiben 2% IN 50160 Begrenzung an Zubringerbussen auch bei mäßiger Durchdringung. Dies ist das Impedanzargument im Maßstab – je weiter vom Transformator entfernt, desto höher ist die Einspeiseimpedanz, und desto mehr führt ein gegebener harmonischer Strom zu Spannungsverzerrungen.
| EV-Penetrationsgrad | Wirkung beim Feeder-Start | Wirkung am Einzugsende | 3Oberschwingungsspannung | VUF-Risiko |
|---|---|---|---|---|
| Niedrig (<10%) | Vernachlässigbar | Geringfügiger Anstieg der VUF | In Grenzen | Niedrig |
| Medium (10–30 %) | Vernachlässigbar | Erkennbarer VUF-Anstieg | Annäherung an Grenzen | Mäßig |
| Hoch (>30%) – unkontrolliert | Leichte Verzerrung | VUF kann überschritten werden 2% | Überschreitet wahrscheinlich die Grenzwerte | Hoch |
| Hoch (>30%) — Intelligentes Laden | Vernachlässigbar | VUF-gesteuert | In Grenzen | Niedrig |
Die hohe Durchdringung, Ein unkontrolliertes Ladeszenario – bei dem Besitzer von Elektrofahrzeugen sofort nach der Ankunft zu Hause einstecken und mit maximaler Geschwindigkeit aufladen – stellt den Worst-Case-PQ-Zustand dar und ist es auch, in Ermangelung von Time-of-Use-Preisen oder intelligenten Ladevorschriften, das natürliche Verhalten von Elektrofahrzeugnutzern. Bei 30%+ Eindringen in einen Wohnzubringer, Durch das gleichzeitige Laden am Abend entsteht ein Spitzenbedarfsereignis, das größer ist als die bestehende Spitzenlast in Privathaushalten, tritt genau zur gleichen Zeit wie der bestehende Peak auf, und führt den Gehalt der dritten Harmonischen ein, den die Einspeiseimpedanz in Spannungsverzerrung am Einspeiseende umsetzt. Dies stellt kein theoretisches Risiko für die zukünftige Netzplanung dar – es besteht bereits in Wohngebieten mit hoher EV-Dichte in Norwegen, die Niederlande, und Kalifornien.
05 Supraharmonische – Die versteckte Emission des Elektrofahrzeug-Ladegeräts
Jenseits des klassischen harmonischen Bereichs (bis zu 2 kHz), Ladegeräte für Elektrofahrzeuge erzeugen durch ihre hochfrequenten PWM-Schaltstufen supraharmonische Emissionen im Bereich von 2–150 kHz. Diese Emissionen unterscheiden sich von den klassischen Harmonischen, die von der IEC behandelt werden 61000-3-2 und unterliegen derzeit keinen spezifischen Emissionsgrenzwerten im Zusammenhang mit dem Verteilungsnetz.
Die Wechselwirkung zwischen supraharmonischen Emissionen von Elektrofahrzeug-Ladegeräten und dem Stromnetz führt zu zwei spezifischen Problemen:
- Störung der SPS-Kommunikation — Intelligente Messung, Nachfragereaktion, und Lademanagementsysteme für Elektrofahrzeuge nutzen häufig Stromleitungsträgerfrequenzen im Bereich von 9–95 kHz (CENELEC-Bands). Die Schaltfrequenzen von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge können direkt in diese Bänder fallen, Unterbrechung der Kommunikationssignale, die das Laden des Elektrofahrzeugs selbst verwalten sollen – ein zirkuläres Interferenzproblem
- Intermodulation mit anderen Geräten — Wenn mehrere Ladegeräte für Elektrofahrzeuge mit leicht unterschiedlichen Schaltfrequenzen an denselben Netzanschluss angeschlossen sind, Intermodulationsprodukte treten bei Summen- und Differenzfrequenzen auf – wie in der CS06-Fallstudie zu Supraharmonischen gezeigt. Diese zusätzlichen Frequenzkomponenten können Geräte stören, die nicht für diesen Frequenzbereich ausgelegt sind
- Rückmeldung der Netzspannung zur Oberschwingungsemission — Die vorhandene Spannungsverzerrung der dritten Harmonischen an Einspeisungen für Privathaushalte (von Schaltnetzteilen) Ändert den Betriebspunkt des EV-Ladegeräts, Seine harmonischen Emissionen verändern sich im Vergleich zu Labormessungen an sauberen Vorräten um bis zu 30–300 %. Dies bedeutet, dass Feldmessungen an Elektrofahrzeuginstallationen mit hoher Dichte erheblich von Typtestmessungen an einzelnen Ladegeräten abweichen werden
Die wirksamste Lösung für PQ-Probleme im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen auf der Einspeiseebene ist intelligentes Laden – die Koordinierung der Ladestartzeiten, Tarife, und Phasenzuteilung über mehrere Elektrofahrzeuge hinweg, um gleichzeitige Spitzennachfrage und ungleichmäßige Phasenbelastung zu vermeiden. Durch optimiertes intelligentes Laden können VUF-Überschreitungen am Einspeiseende vermieden werden, die andernfalls bei unkontrolliertem Laden bei gleicher Eindringtiefe auftreten würden, ohne dass eine Hardware-Entschärfung auf der Ebene einzelner Ladegeräte oder Zuleitungen erforderlich ist. Die Phasenausgleichszuweisung – die Zuweisung neuer einphasiger Ladeanschlüsse an die Phase mit der größten freien Kapazität – ist die einfachste Form des intelligenten Ladens mit dem höchsten Nutzen-Kosten-Verhältnis.
06 Perspektive der Stromqualität
The EV charging PQ problem has a specific character that distinguishes it from historical PQ problems: it is a planning problem as much as an engineering problem. Arc furnaces and VFDs are installed by industrial customers who engage with the utility during the connection process — there is a defined point at which PQ assessment happens and mitigation is negotiated. Residential EV chargers are installed by homeowners who connect to whatever outlet is available, at no notice to the distribution network operator, at rates that can double overnight if an incentive programme launches.
The third harmonic dominance finding is immediately useful for distribution engineers assessing existing infrastructure. Neutralleiter in älteren Niederspannungsnetzen für Privathaushalte – insbesondere solchen, die in den 1960er und 1970er Jahren gebaut wurden – wurden für die Unsymmetrieströme dimensioniert, die von herkömmlichen einphasigen Lasten für Privathaushalte zu erwarten sind, nicht für die dreifachen Oberschwingungsströme von EV-Ladegeräten. Ein thermisch ausreichender Neutralleiter für 20% Die Lastunsymmetrie in Privathaushalten kann durch den dreifachen harmonischen Neutralstrom bei einer EV-Durchdringung von 15–20 % auf einer Einspeiseschiene erheblich überlastet werden.
Die praktische Reaktion der Energieversorger auf die PQ beim Laden von Elektrofahrzeugen besteht nicht in erster Linie in der technischen Abhilfe, sondern in der Datenerfassung. Die entscheidende Unbekannte für jedes Verteilungsnetz ist die tatsächliche EV-Penetration an jedem LV-Zubringer in Echtzeit, und die Phasenverteilung dieser Ladegeräte. Ein Energieversorger, der weiß, welche Kunden an welchen Einspeisungen über Ladegeräte für Elektrofahrzeuge verfügen – und an welche Phase jedes Ladegerät angeschlossen ist – verfügt über die erforderlichen Informationen, um das VUF-Risiko am Einspeiseende zu erkennen, bevor es sich als Beschwerde manifestiert. Ohne diese Daten, Das Versorgungsunternehmen fliegt im Blindflug. Smart-Meter-Daten, kombiniert mit der von Torres et al. demonstrierten probabilistischen Modellierungsmethode., Bietet die analytische Grundlage für ein proaktives LV-Feeder-PQ-Management im EV-Zeitalter.
Referenzen
- Torres S, Duran I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Elektrofahrzeuge und Stromqualität in Niederspannungsnetzen: Echte Datenanalyse und Modellierung.” Angewandte Energie, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- Iqbal MN et al. “Harmonische und supraharmonische Emissionen von Plug-in-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge.” Intelligente Städte, Flug. 5, KEIN. 2, pp. 496–524, 2022. DOI: 10.3390/smartcities5020027 — Open Access CC BY 4.0.
- Ul-Haq A et al. “Einfluss des Ladens von Elektrofahrzeugen auf die Spannungsunsymmetrie in einem städtischen Verteilungsnetz.” Intelligente Industriesysteme, Flug. 1, pp. 51–60, 2015.
- IN 50160:2010+A3:2019. Spannungseigenschaften des von öffentlichen Stromnetzen gelieferten Stroms. CENELEC, Brüssel.
- IEC 61000-3-2:2018. Elektromagnetische Verträglichkeit – Teil 3-2: Grenzwerte für Oberschwingungsströme. IEC, Genf.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Elektromagnetische Verträglichkeit – Verträglichkeitsniveaus für niederfrequente leitungsgebundene Störungen in öffentlichen NS-Versorgungssystemen. IEC, Genf.
Primärquelle: Torres S, Duran I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Elektrofahrzeuge und Stromqualität in Niederspannungsnetzen: Echte Datenanalyse und Modellierung.” Angewandte Energie, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. Unterstützende Referenz: Iqbal MN et al., “Harmonische und supraharmonische Emissionen von Plug-in-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge,” Intelligente Städte, 2022, CC BY 4.0.
Diese Fallstudie wird zu Bildungszwecken in zusammenfassender und kommentierender Form präsentiert. SVG-Diagramme und der Abschnitt „PQ-Perspektive“. (Abschnitt 6) sind originale IPQDF-Redaktionsinhalte von Denis Ruest, M.Sc. (Angewandt), P.Eng. (im Ruhestand). IPQDF erhebt keinen Anspruch auf die Urheberschaft der ursprünglichen Forschung.