Recharge des véhicules électriques et qualité de l’énergie dans les réseaux résidentiels BT – du chargeur individuel à la pénétration de la flotte
| Type de chargeur modélisé | Niveau 2 chargeur embarqué - 7.2 kW, monophasé, installation domestique |
| Méthodologie | Modèle probabiliste à partir de spectres harmoniques mesurés — Modèles de mélange gaussien — validé par rapport à des mesures réelles de chargeurs |
| Outil de simulation | OpenDSS — flux de puissance harmonique en série chronologique avec une résolution de 10 minutes |
| Modélisation de l'incertitude | Simulation Monte Carlo — temps de charge de démarrage variable, état de charge de la connexion, Emplacement du VE sur le départ |
| Harmonique dominante | 3ème harmonique – la plus intense tout au long du cycle de charge, quel que soit le niveau de pénétration |
| Constatation clé | Le déséquilibre de tension et la chargeabilité du réseau augmentent tous deux avec le niveau de pénétration des véhicules électriques – la troisième harmonique est le principal moteur. |
| Problème supraharmonique | |
| Seuil critique | Une recharge résidentielle simultanée et incontrôlée à des niveaux de pénétration élevés peut pousser la VUF au-delà du 2% EN 50160 limite aux bus d'extrémité |
01 Contexte — L'ampleur du problème
L’électrification du transport routier est désormais un engagement politique dans la plupart des pays de l’OCDE, avec des objectifs allant de 30% à 100% Part de marché des véhicules électriques d’ici 2030-2040 en Europe, Amérique du Nord, et Asie-Pacifique. Les implications PQ de cette transition - en termes d'harmoniques, déséquilibre de tension, et les émissions supraharmoniques sur les réseaux de distribution BT résidentiels — ont été largement étudiées de manière isolée, mais l'image combinée au niveau du chargeur, tenir compte de la nature stochastique du comportement de charge, a été plus difficile à quantifier.
La 2021 étude de Torres et al. en Applied Energy comble directement cette lacune. À partir des spectres harmoniques mesurés d'un niveau réel 2 chargeur embarqué, ils ont construit un modèle probabiliste capturant le comportement non linéaire du chargeur tout au long du cycle de charge complet - depuis la connexion initiale avec un état de déficit de charge élevé jusqu'à l'achèvement - puis ont déployé ce modèle dans des simulations de Monte Carlo sur un départ BT résidentiel OpenDSS pour évaluer les impacts PQ dans plusieurs scénarios de pénétration des véhicules électriques..
Niveau 1 chargement (1.4–1,9 kW, prise domestique standard) produit des courants harmoniques modestes qui sont facilement absorbés par le réseau de distribution. Niveau 2 charger à 7.2 kW – environ 4 à 5 fois la puissance – produit des courants harmoniques proportionnellement plus importants qui peuvent saturer le conducteur neutre, provoquer une distorsion significative de la tension de troisième harmonique sur le départ, et contribuent au déséquilibre de tension lorsqu'ils sont répartis de manière inégale sur les trois phases. Comme niveau 2 la recharge à domicile devient la norme par défaut pour les propriétaires de véhicules électriques qui stationnent la nuit, la transition du niveau 1 au niveau 2 car le mode de recharge résidentiel principal représente un changement radical dans l'impact PQ sur les réseaux de distribution BT.
02 Le niveau 2 Chargeur comme charge non linéaire
Un niveau 2 Le chargeur EV est un convertisseur électronique de puissance, en particulier un redresseur AC/DC monophasé avec correction du facteur de puissance. (PFC) circuits - qui tirent le courant du réseau de manière contrôlée, motif non sinusoïdal. Le profil de courant harmonique d’un chargeur EV n’est pas constant: il change tout au long du cycle de charge à mesure que la tension de la batterie augmente et l'algorithme de contrôle du chargeur ajuste la consommation de courant pour gérer l'état de transition de charge.
Spectres harmoniques probabilistes
Torres et coll.. caractérisé les spectres harmoniques d'un niveau réel 2 chargeur tout au long de son cycle de charge complet à l’aide de mesures en laboratoire. La principale conclusion est que les spectres harmoniques présentent des, comportement probabiliste - ce ne sont pas des valeurs déterministes qui peuvent être représentées par un seul tableau d'ordres et de grandeurs harmoniques. L'état de charge de la batterie, la forme d'onde de la tension du réseau au moment de la connexion, et l’état de contrôle interne du chargeur influencent tous le spectre harmonique. C'est pourquoi simplifié, les modèles harmoniques déterministes des chargeurs de véhicules électriques – encore largement utilisés dans les outils de planification – sous-estiment systématiquement l’impact réel de la qualité PQ au niveau des lignes d’alimentation.
L'étude a représenté ce comportement probabiliste à l'aide de modèles de mélange gaussiens. (GMM) adapté aux spectres mesurés - capturant à la fois le contenu harmonique moyen et sa variabilité à travers les états de connexion. Le modèle GMM a ensuite été intégré dans le cadre de simulation de Monte Carlo pour propager l'incertitude harmonique jusqu'à l'évaluation PQ au niveau du réseau d'alimentation..
Une subtilité identifiée dans la littérature plus large sur les chargeurs de VE est que l'émission harmonique d'un chargeur de VE n'est pas indépendante de la tension du réseau auquel il est connecté.. Lorsque le départ BT contient déjà une distorsion de tension de troisième harmonique, le “sinusoïde aplatie” C'est typique des réseaux résidentiels dotés de plusieurs alimentations à découpage : cette tension déformée modifie le point de fonctionnement du chargeur et peut modifier certaines composantes harmoniques de 30 à 300 % par rapport à ce qui serait mesuré sur une alimentation sinusoïdale propre.. Ce couplage bidirectionnel signifie qu'à mesure que la pénétration des véhicules électriques augmente et que la distorsion de la troisième harmonique s'aggrave, les émissions du chargeur elles-mêmes changent - une boucle de rétroaction positive qui n'est pas capturée dans les modèles de superposition harmonique standard.
03 Dominance de troisième harmonique - Le problème du conducteur neutre
À tous les niveaux de pénétration et dans tous les états du cycle de charge examinés dans Torres et al.. étude, la troisième harmonique (150 Hz et 50 systèmes Hz) était systématiquement la composante harmonique la plus intense du courant du chargeur EV. Ceci n'est pas spécifique aux chargeurs de véhicules électriques : c'est une caractéristique de toutes les alimentations monophasées à découpage., y compris les chargeurs d'ordinateurs portables, Pilotes de LED, et les alimentations à découpage utilisées dans tous les appareils électroniques grand public modernes. Les chargeurs de véhicules électriques ajoutent simplement une ampleur beaucoup plus grande de courant de troisième harmonique à un réseau déjà dominé par les harmoniques triples provenant de ces charges plus petites..
Pourquoi les harmoniques triples sont particulièrement dangereuses
Dans un système triphasé équilibré à quatre fils, courants harmoniques de séquence positive et négative (5e, 7e, 11e, 13e…) annuler dans le conducteur neutre - le neutre transporte un courant proche de zéro. Harmoniques triples (3e, 9e, 15e…) sont homopolaires - ils sont en phase sur les trois conducteurs de phase et s'additionnent donc arithmétiquement dans le neutre. Un système triphasé parfaitement équilibré avec trois chargeurs EV monophasés – un par phase, chargeurs identiques, état de charge identique : produit un courant neutre direct nul mais un courant neutre à la 3ème harmonique égal à trois fois le courant de phase de la 3ème harmonique.
La conséquence pratique est que les transformateurs de distribution et les conducteurs neutres des réseaux BT résidentiels ont été dimensionnés pour la demande de courant fondamentale des charges connectées., avec une marge thermique pour balourd normal. L’introduction de la recharge monophasée haute densité pour véhicules électriques crée une surcharge neutre systématique due aux harmoniques triples qui est totalement en dehors des hypothèses de conception de l’infrastructure BT existante..
04 Niveaux de pénétration – L’effet de l’extrémité d’alimentation
Les résultats de la simulation Monte Carlo de Torres et al.. démontrer un modèle spatial cohérent dans tous les scénarios de pénétration: La recharge des véhicules électriques a un effet négligeable sur la qualité de la tension au début du départ (près du transformateur de distribution) mais peut pousser le déséquilibre de tension au-delà de la 2% EN 50160 limite au niveau des bus d'alimentation, même à des niveaux de pénétration modérés. C'est l'argument de l'impédance à l'échelle - plus on s'éloigne du transformateur, plus l'impédance de l'alimentation est élevée, et plus un courant harmonique donné se traduit par une distorsion de tension.
| Niveau de pénétration des VE | Effet au démarrage du distributeur | Effet à l'extrémité du chargeur | 3tension harmonique | Risque VUF |
|---|---|---|---|---|
| Faible (<10%) | Négligeable | Légère augmentation du VUF | Dans certaines limites | Faible |
| Moyen (10–30%) | Négligeable | Augmentation du VUF détectable | Approche des limites | Modéré |
| Haut (>30%) — incontrôlé | Distorsion mineure | Le VUF peut dépasser 2% | Dépasse probablement les limites | Haut |
| Haut (>30%) — recharge intelligente | Négligeable | Contrôlé VUF | Dans certaines limites | Faible |
La haute pénétration, Un scénario de recharge incontrôlée – dans lequel les propriétaires de véhicules électriques se branchent immédiatement dès leur arrivée chez eux et rechargent au tarif maximum – représente la pire des conditions PQ et est également, en l’absence de tarification selon l’heure d’utilisation ou d’obligations de recharge intelligente, le comportement naturel des utilisateurs de VE. À 30%+ pénétration dans une desserte résidentielle, la recharge simultanée en soirée crée un événement de demande de pointe qui est plus important que la charge de pointe résidentielle existante, se produit exactement au même moment que le pic existant, et introduit un contenu de troisième harmonique que l'impédance d'alimentation traduit en distorsion de tension à l'extrémité de l'alimentation. Il ne s’agit pas d’un risque théorique pour la planification future du réseau : cela se produit déjà dans les zones résidentielles à forte densité de véhicules électriques en Norvège., les Pays-Bas, and California.
05 Supraharmonics — The Hidden EV Charger Emission
Beyond the classical harmonic range (jusqu'à 2 kHz), Les chargeurs de véhicules électriques produisent des émissions supraharmoniques dans la plage de 2 à 150 kHz à partir de leurs étages de commutation PWM haute fréquence. Ces émissions sont distinctes des harmoniques classiques traitées par la CEI 61000-3-2 et ne sont pas actuellement soumis à des limites d’émission spécifiques dans le contexte des réseaux de distribution.
L'interaction entre les émissions supraharmoniques des chargeurs de véhicules électriques et le réseau crée deux problèmes spécifiques:
- Interférence de communication API — Comptage intelligent, réponse à la demande, et les systèmes de gestion de la recharge des véhicules électriques utilisent souvent des fréquences porteuses de lignes électriques comprises entre 9 et 95 kHz. (Bandes CENELEC). Les fréquences de commutation des chargeurs de véhicules électriques peuvent tomber directement dans ces bandes, perturber les signaux de communication destinés à gérer la recharge des véhicules électriques elle-même – un problème d'interférence circulaire
- Intermodulation avec d'autres appareils — Lorsque plusieurs chargeurs EV avec des fréquences de commutation légèrement différentes sont connectés au même chargeur, les produits d'intermodulation apparaissent aux fréquences somme et différence - comme le démontre l'étude de cas supraharmonique CS06. Ces composants de fréquence supplémentaires peuvent interférer avec des équipements non conçus pour tolérer cette gamme de fréquences.
- Retour de tension du réseau sur l'émission d'harmoniques — La distorsion de tension de troisième harmonique existante sur les départs résidentiels (à partir d'alimentations à découpage) modifie le point de fonctionnement du chargeur EV, modifier ses émissions d'harmoniques jusqu'à 30 à 300 % par rapport aux mesures en laboratoire sur des fournitures propres. Cela signifie que les mesures sur le terrain dans les installations de véhicules électriques à haute densité différeront considérablement des mesures d'essai de type sur des chargeurs individuels.
L'atténuation la plus efficace des problèmes de PQ liés aux véhicules électriques au niveau des lignes d'alimentation est la recharge intelligente, c'est-à-dire la coordination des heures de début de charge., tarifs, et répartition des phases sur plusieurs véhicules électriques pour éviter une demande de pointe coïncidente et une charge de phase inégale. La recharge intelligente optimisée peut éliminer les dépassements de VUF au niveau de l'alimentation qui se produiraient autrement en cas de recharge incontrôlée au même niveau de pénétration., sans nécessiter aucune atténuation matérielle au niveau du chargeur ou du chargeur individuel. L'allocation d'équilibrage de phase (attribuant de nouvelles connexions de chargeur monophasé à la phase ayant la plus grande capacité disponible) est la forme la plus simple de recharge intelligente avec le rapport bénéfice/coût le plus élevé..
06 Perspective de la qualité de l'énergie
Le problème PQ de recharge des véhicules électriques présente un caractère spécifique qui le distingue des problèmes PQ historiques.: c'est un problème de planification autant qu'un problème d'ingénierie. Les fours à arc et les VFD sont installés par des clients industriels qui collaborent avec le service public pendant le processus de connexion : il existe un point défini auquel l'évaluation PQ a lieu et les mesures d'atténuation sont négociées.. Les chargeurs résidentiels pour véhicules électriques sont installés par les propriétaires qui se connectent à n'importe quelle prise disponible., sans préavis au gestionnaire du réseau de distribution, à des tarifs qui peuvent doubler du jour au lendemain si un programme d'incitation est lancé.
Le résultat de la dominance du troisième harmonique est immédiatement utile aux ingénieurs de distribution qui évaluent l'infrastructure existante.. Les conducteurs neutres des anciens réseaux BT résidentiels, en particulier ceux construits dans les années 1960 et 1970, étaient dimensionnés pour les courants de déséquilibre attendus des charges résidentielles monophasées conventionnelles., pas pour les courants harmoniques triples des chargeurs EV. Un conducteur neutre thermiquement adéquat pour 20% Le déséquilibre de charge résidentiel peut être considérablement surchargé par le courant neutre harmonique triple à partir d'une pénétration de 15 à 20 % des véhicules électriques sur un bus d'alimentation..
La réponse pratique des services publics au PQ de recharge des véhicules électriques n’est pas principalement une atténuation technique – il s’agit d’une collecte de données.. La principale inconnue de tout réseau de distribution est la pénétration réelle des VE sur chaque départ BT en temps réel., et la répartition des phases de ces chargeurs. Un service public qui sait quels clients sur quelles lignes d'alimentation disposent de chargeurs pour véhicules électriques – et sur quelle phase chaque chargeur est connecté – dispose des informations nécessaires pour identifier le risque VUF au niveau de la ligne d'alimentation avant qu'il ne se manifeste sous la forme d'une plainte.. Sans ces données, l'utilitaire vole à l'aveugle. Données des compteurs intelligents, combinée à la méthodologie de modélisation probabiliste démontrée par Torres et al., fournit la base analytique pour une gestion proactive de la QP des lignes d'alimentation BT à l'ère des véhicules électriques.
Références
- Torres S, Duran Ier, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J.. “Véhicules électriques et qualité de l’énergie dans les réseaux basse tension: Analyse et modélisation de données réelles.” Énergie appliquée, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- Iqbal MN et coll.. “Émissions harmoniques et supraharmoniques des chargeurs de véhicules électriques rechargeables.” Villes intelligentes, vol. 5, pas. 2, pp. 496–524, 2022. DOI: 10.3390/villes intelligentes5020027 — Accès libre CC BY 4.0.
- Ul-Haq A et al.. “Impact de la recharge des véhicules électriques sur le déséquilibre de tension dans un réseau de distribution urbain.” Systèmes industriels intelligents, vol. 1, pp. 51–60, 2015.
- EN 50160:2010+A3:2019. Caractéristiques de tension de l'électricité fournie par les réseaux publics d'électricité. CENELEC, Bruxelles.
- CEI 61000-3-2:2018. Compatibilité électromagnétique — Partie 3-2: Limites pour les émissions de courant harmonique. CEI, Genève.
- CEI 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Compatibilité électromagnétique — Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites basse fréquence dans les réseaux publics BT. CEI, Genève.
Source primaire: Torres S, Duran Ier, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J.. “Véhicules électriques et qualité de l’énergie dans les réseaux basse tension: Analyse et modélisation de données réelles.” Énergie appliquée, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. Référence à l'appui: Iqbal MN et coll., “Émissions harmoniques et supraharmoniques des chargeurs de véhicules électriques rechargeables,” Villes intelligentes, 2022, CC PAR 4.0.
Cette étude de cas est présentée sous forme de résumé et de commentaire à des fins pédagogiques.. Diagrammes SVG et section Perspective PQ (Section 6) sont des contenus éditoriaux originaux IPQDF de Denis Ruest, M.Sc.. (Appliqué), P.Eng. (ret.). IPQDF ne revendique pas la paternité de la recherche originale.