Carga de vehículos eléctricos y calidad de la energía en redes residenciales de baja tensión: desde el cargador individual hasta la penetración en flotas
| Tipo de cargador modelado | Nivel 2 cargador a bordo - 7.2 kW, monofásico, instalación doméstica |
| Metodología | Modelo probabilístico a partir de espectros armónicos medidos (modelos de mezcla gaussiana) validado frente a mediciones reales del cargador |
| herramienta de simulación | OpenDSS: flujos de energía armónicos en series temporales con una resolución de 10 minutos |
| Modelado de incertidumbre | Simulación Monte Carlo: tiempo de carga inicial variable, estado de carga de la conexión, Ubicación del vehículo eléctrico en el alimentador |
| Dominant harmonic | 3rd harmonic — most intense throughout the charge cycle regardless of penetration level |
| Hallazgo clave | Voltage unbalance and network chargeability both increase with EV penetration level — the third harmonic is the primary driver |
| Supraharmonic issue | |
| Critical threshold | Uncontrolled simultaneous residential charging at high penetration levels can push VUF beyond the 2% EN 50160 limit at feeder end buses |
01 Context — The Scale of the Problem
The electrification of road transport is now a policy commitment in most OECD countries, with targets ranging from 30% a 100% EV market share by 2030–2040 in Europe, América del norte, and Asia-Pacific. The PQ implications of this transition — in terms of harmonics, desequilibrio de tensión, and supraharmonic emissions on residential LV distribution networks — have been studied extensively in isolation, pero la imagen combinada en el nivel del alimentador, tener en cuenta la naturaleza estocástica del comportamiento de carga, ha sido más difícil de cuantificar.
La 2021 estudio de Torres et al.. en Energía Aplicada aborda esta brecha directamente. A partir de espectros armónicos medidos de un nivel real 2 cargador a bordo, construyeron un modelo probabilístico que captura el comportamiento no lineal del cargador durante todo el ciclo de carga, desde la conexión inicial en un alto estado de déficit de carga hasta su finalización, y luego implementaron este modelo en simulaciones de Monte Carlo en un alimentador residencial de bajo voltaje OpenDSS para evaluar los impactos de la PQ en múltiples escenarios de penetración de vehículos eléctricos..
Nivel 1 cargando (1.4–1,9 kilovatios, tomacorriente doméstico estándar) Produce corrientes armónicas modestas que son fácilmente absorbidas por la red de distribución.. Nivel 2 cargando en 7.2 kW (aproximadamente 4 a 5 veces la potencia) produce corrientes armónicas proporcionalmente mayores que pueden saturar el conductor neutro, causar una importante distorsión de voltaje del tercer armónico en el alimentador, y contribuyen al desequilibrio de voltaje cuando se distribuyen de manera desigual entre las tres fases.. Como nivel 2 La carga en el hogar se convierte en la opción predeterminada para los propietarios de vehículos eléctricos que estacionan durante la noche., la transición del nivel 1 al nivel 2 como modo de carga residencial primario representa un cambio radical en el impacto de la PQ en las redes de distribución de BT.
02 El nivel 2 Cargador como carga no lineal
Un nivel 2 El cargador para vehículos eléctricos es un convertidor electrónico de potencia, específicamente un rectificador CA/CC monofásico con corrección del factor de potencia. (PFC) Circuito: que extrae corriente de la red de forma controlada., patrón no sinusoidal. El perfil de corriente armónica de un cargador de vehículos eléctricos no es constante: cambia a lo largo del ciclo de carga a medida que aumenta el voltaje de la batería y el algoritmo de control del cargador ajusta el consumo de corriente para gestionar la transición del estado de carga..
Espectros armónicos probabilísticos
Torres et al. caracterizó los espectros armónicos de un nivel real 2 cargador durante todo su ciclo de carga utilizando mediciones de laboratorio. El hallazgo clave fue que los espectros armónicos exhiben irregularidades., Comportamiento probabilístico: no son valores deterministas que puedan representarse mediante una única tabla de órdenes y magnitudes armónicas.. El estado de carga de la batería., La forma de onda del voltaje de la red en el momento de la conexión., y el estado de control interno del cargador influyen en el espectro armónico. Por eso simplificado, Los modelos armónicos deterministas de los cargadores de vehículos eléctricos, que todavía se utilizan ampliamente en las herramientas de planificación, subestiman sistemáticamente el impacto real de la calidad de energía a nivel del alimentador..
El estudio representó este comportamiento probabilístico utilizando modelos de mezcla gaussiana. (GMM) ajustado a los espectros medidos, capturando tanto el contenido armónico medio como su variabilidad entre los estados de conexión. Luego, el modelo GMM se integró en el marco de simulación de Monte Carlo para propagar la incertidumbre armónica hasta la evaluación de PQ a nivel de alimentador..
Una sutileza identificada en la literatura más amplia sobre cargadores de vehículos eléctricos es que la emisión de armónicos de un cargador de vehículos eléctricos no es independiente del voltaje de la red a la que está conectado.. Cuando el alimentador de BT ya contiene distorsión de tensión del tercer armónico, el “sinusoide aplanada” Esto es típico de redes residenciales con múltiples fuentes de alimentación de modo conmutado: este voltaje distorsionado cambia el punto de funcionamiento del cargador y puede modificar algunos componentes armónicos entre un 30 y un 300 % en comparación con lo que se mediría en un suministro sinusoidal limpio.. Este acoplamiento bidireccional significa que a medida que aumenta la penetración de EV y empeora la distorsión del tercer armónico, Las propias emisiones del cargador cambian: un circuito de retroalimentación positiva que no se captura en los modelos estándar de superposición armónica..
03 Tercera dominancia armónica: el problema del conductor neutro
En todos los niveles de penetración y todos los estados del ciclo de carga examinados en Torres et al.. estudiar, el tercer armónico (150 Hz y 50 Sistemas Hz) fue consistentemente el componente armónico más intenso en la corriente del cargador EV. Esto no es específico de los cargadores de vehículos eléctricos: es una característica de todas las fuentes de alimentación de modo conmutado monofásico., incluyendo cargadores de portátiles, controladores LED, y las fuentes de alimentación de modo conmutado utilizadas en todos los dispositivos electrónicos de consumo modernos.. Los cargadores de vehículos eléctricos simplemente agregan una magnitud mucho mayor de corriente de tercer armónico a una red ya dominada por armónicos triples de estas cargas más pequeñas..
Por qué los armónicos triplen son especialmente peligrosos
En un sistema trifásico equilibrado de cuatro hilos., Corrientes armónicas de secuencia positiva y negativa. (5ª, 7ª, 11ª, 13ª…) cancelar en el conductor neutro: el neutro transporta una corriente cercana a cero. Armónicos triplenos (3rd, 9ª, 15ª…) son de secuencia cero: están en fase en los tres conductores de fase y, por lo tanto, suman aritméticamente en el neutro. Un sistema trifásico perfectamente equilibrado con tres cargadores de vehículos eléctricos monofásicos, uno por fase, cargadores idénticos, estado de carga idéntico: produce una corriente neutra de secuencia positiva cero, pero una corriente neutra en el tercer armónico igual a tres veces la corriente de fase del tercer armónico.
La consecuencia práctica es que los transformadores de distribución y los conductores neutros en redes residenciales de BT fueron dimensionados para la demanda de corriente fundamental de las cargas conectadas., con un margen térmico para desequilibrio normal. La introducción de la carga monofásica de vehículos eléctricos de alta densidad crea una sobrecarga neutra sistemática a partir de armónicos triples que está completamente fuera de los supuestos de diseño de la infraestructura de BT existente..
04 Niveles de penetración: el efecto del extremo del alimentador
Los resultados de la simulación Monte Carlo de Torres et al.. demostrar un patrón espacial consistente en todos los escenarios de penetración: La carga de vehículos eléctricos tiene un efecto insignificante en la calidad del voltaje al inicio del alimentador (cerca del transformador de distribución) pero puede empujar el desequilibrio de voltaje más allá del 2% EN 50160 límite en los autobuses del extremo alimentador incluso a niveles de penetración moderados. Este es el argumento de la impedancia a escala: cuanto más lejos del transformador, cuanto mayor sea la impedancia del alimentador, y cuanto más se traduce una corriente armónica dada en distorsión de voltaje.
| Nivel de penetración de vehículos eléctricos | Efecto al inicio del alimentador | Efecto al final del alimentador | 3Tensión del tercer armónico | Riesgo de FVU |
|---|---|---|---|---|
| Bajo (<10%) | Despreciable | Aumento menor en VUF | Dentro de los límites | Bajo |
| Medio (10–30%) | Despreciable | Aumento detectable de VUF | Acercándose a los límites | Moderado |
| Alto (>30%) — incontrolado | Distorsión menor | VUF puede exceder 2% | Probablemente excede los límites | Alto |
| Alto (>30%) — carga inteligente | Despreciable | controlado por VUF | Dentro de los límites | Bajo |
La alta penetración, El escenario de carga incontrolada, donde los propietarios de vehículos eléctricos se conectan inmediatamente al llegar a casa y cargan a la velocidad máxima, representa la peor condición de PQ y también es, en ausencia de precios por tiempo de uso o mandatos de carga inteligente, El comportamiento natural de los usuarios de vehículos eléctricos.. En 30%+ penetración en un alimentador residencial, La carga nocturna simultánea crea un evento de demanda máxima que es mayor que la carga máxima residencial existente., ocurre exactamente al mismo tiempo que el pico existente, e introduce un tercer contenido armónico que la impedancia del alimentador traduce en distorsión de voltaje en el extremo del alimentador.. Este no es un riesgo teórico para la futura planificación de la red: ya está sucediendo en zonas residenciales de alta densidad de vehículos eléctricos en Noruega., los países bajos, y california.
05 Supraarmónicos: la emisión oculta del cargador de vehículos eléctricos
Más allá del rango armónico clásico (hasta 2 kHz), EV chargers produce supraharmonic emissions in the 2–150 kHz range from their high-frequency PWM switching stages. These emissions are distinct from the classical harmonics addressed by IEC 61000-3-2 and are not currently subject to specific emission limits in the distribution network context.
The interaction between EV charger supraharmonic emissions and the grid network creates two specific problems:
- PLC communication interference — Smart metering, respuesta a la demanda, and EV charging management systems often use power line carrier frequencies in the 9–95 kHz range (CENELEC bands). EV charger switching frequencies can fall directly in these bands, disrupting the communication signals that are intended to manage the EV charging itself — a circular interference problem
- Intermodulation with other devices — Cuando se conectan al mismo alimentador varios cargadores de vehículos eléctricos con frecuencias de conmutación ligeramente diferentes, Los productos de intermodulación aparecen en frecuencias de suma y diferencia, como se demuestra en el estudio de caso de supraarmónicos CS06.. Estos componentes de frecuencia adicionales pueden interferir con equipos no diseñados para tolerar este rango de frecuencia.
- Retroalimentación de tensión de red sobre emisión de armónicos — La distorsión de tensión del tercer armónico existente en los alimentadores residenciales. (de fuentes de alimentación conmutadas) modifica el punto de funcionamiento del cargador EV, cambiando sus emisiones armónicas hasta entre un 30% y un 300% en comparación con las mediciones de laboratorio en suministros limpios. Esto significa que las mediciones de campo en instalaciones de vehículos eléctricos de alta densidad diferirán significativamente de las mediciones de prueba de tipo en cargadores individuales.
La mitigación más eficaz de los problemas de calidad de energía relacionados con los vehículos eléctricos a nivel del alimentador es la carga inteligente: coordinar los tiempos de inicio de la carga., tarifas, y asignación de fases entre múltiples vehículos eléctricos para evitar picos de demanda coincidentes y cargas de fases desiguales. La carga inteligente optimizada puede eliminar los excesos de VUF en el extremo del alimentador que de otro modo ocurrirían con una carga no controlada al mismo nivel de penetración., sin requerir ninguna mitigación de hardware a nivel de cargador o alimentador individual. La asignación de equilibrio de fases (asignar nuevas conexiones de cargador monofásico a la fase que tenga más capacidad adicional) es la forma más sencilla de carga inteligente con la mayor relación beneficio-costo..
06 Perspectiva de la calidad de la energía
El problema de PQ de carga de vehículos eléctricos tiene un carácter específico que lo distingue de los problemas de PQ históricos.: Es un problema de planificación tanto como un problema de ingeniería.. Los hornos de arco y los VFD son instalados por clientes industriales que interactúan con la empresa de servicios públicos durante el proceso de conexión; hay un punto definido en el que se realiza la evaluación de PQ y se negocia la mitigación.. Los cargadores residenciales de vehículos eléctricos son instalados por propietarios que se conectan a cualquier tomacorriente disponible., sin previo aviso al operador de la red de distribución, a tasas que pueden duplicarse de la noche a la mañana si se lanza un programa de incentivos.
El hallazgo de dominancia del tercer armónico es inmediatamente útil para los ingenieros de distribución que evalúan la infraestructura existente.. Los conductores neutros en redes residenciales de baja tensión más antiguas, en particular las construidas en las décadas de 1960 y 1970, fueron dimensionados para las corrientes de desequilibrio esperadas de las cargas residenciales monofásicas convencionales., no para las corrientes armónicas triples de los cargadores de vehículos eléctricos. Un conductor neutro que sea térmicamente adecuado para 20% El desequilibrio de carga residencial puede verse significativamente sobrecargado por la corriente neutra armónica triple de una penetración de EV del 15 al 20 % en una barra del extremo del alimentador..
La respuesta práctica de las empresas de servicios públicos a la PQ de carga de vehículos eléctricos no es principalmente una mitigación técnica: es la recopilación de datos.. La incógnita clave para cualquier red de distribución es la penetración real de vehículos eléctricos en cada alimentador de BT en tiempo real., y la distribución de fases de esos cargadores. Una empresa de servicios públicos que sabe qué clientes en qué alimentadores tienen cargadores para vehículos eléctricos (y en qué fase está conectado cada cargador) tiene la información necesaria para identificar el riesgo de VUF en el extremo del alimentador antes de que se manifieste como una queja.. Sin estos datos, la empresa de servicios públicos vuela a ciegas. Datos del medidor inteligente, combinado con la metodología de modelado probabilístico demostrada por Torres et al., Proporciona la base analítica para la gestión proactiva de la PQ del alimentador de BT en la era de los vehículos eléctricos..
Referencias
- torres, Durán I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Vehículos eléctricos y calidad de la energía en redes de baja tensión.: Análisis y modelado de datos reales.” Energía Aplicada, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- Iqbal MN et al.. “Emisiones armónicas y supraarmónicas de cargadores de vehículos eléctricos enchufables.” Ciudades inteligentes, vuelo. 5, no. 2, pp. 496–524, 2022. DOI: 10.3390/ciudades inteligentes5020027 — Acceso abierto CC BY 4.0.
- Ul-Haq A et al.. “Impacto de la carga de vehículos eléctricos sobre el desequilibrio de tensión en una red de distribución urbana.” Sistemas industriales inteligentes, vuelo. 1, pp. 51–60, 2015.
- EN 50160:2010+A3:2019. Características de tensión de la electricidad suministrada por las redes eléctricas públicas.. CENELEC, Bruselas.
- IEC 61000-3-2:2018. Compatibilidad electromagnética — Parte 3-2: Límites para las emisiones de corriente armónica. IEC, Ginebra.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Compatibilidad electromagnética. Niveles de compatibilidad para perturbaciones conducidas de baja frecuencia en sistemas públicos de suministro de BT.. IEC, Ginebra.
fuente primaria: torres, Durán I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Vehículos eléctricos y calidad de la energía en redes de baja tensión.: Análisis y modelado de datos reales.” Energía Aplicada, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. Referencia de apoyo: Iqbal MN et al., “Emisiones armónicas y supraarmónicas de cargadores de vehículos eléctricos enchufables,” Ciudades inteligentes, 2022, CC POR 4.0.
Este estudio de caso se presenta en forma de resumen y comentario con fines educativos.. Diagramas SVG y la sección Perspectiva PQ (Sección 6) son contenido editorial original de IPQDF de Denis Ruest, Maestría en Ciencias. (Aplicado), P.Eng. (retirado.). IPQDF no reivindica la autoría de la investigación original.