LV 住宅ネットワークにおける EV の充電と電力品質 — 個別の充電器から車両の普及まで
| モデル化された充電器のタイプ | レベル 2 車載充電器 — 7.2 キロワット, 単相, 家庭用設置 |
| 方法論 | 測定された高調波スペクトルからの確率モデル — ガウス混合モデル — 実際の充電器測定に対して検証済み |
| シミュレーションツール | OpenDSS — 10 分の分解能での時系列高調波電力の流れ |
| 不確実性モデリング | モンテカルロ シミュレーション — 可変開始充電時間, 接続充電状態, フィーダ上の EV の位置 |
| 主要高調波 | 3第 3 高調波 — 浸透レベルに関係なく、充電サイクル全体で最も強度が高くなります。 |
| 重要な発見 | 電圧不均衡とネットワークの充電可能性はどちらもEVの普及レベルに応じて増加します - 第3高調波が主な要因です |
| 超高調波の問題 | |
| クリティカルしきい値 | 制御されていない、高い普及レベルでの住宅同時充電は、VUF を限界を超えて押し上げる可能性があります。 2% IN 50160 フィーダ端バスでの制限 |
01 コンテキスト — 問題の規模
道路交通の電化は現在、ほとんどの OECD 諸国で政策公約となっています。, ～の範囲のターゲットを設定 30% へ 100% 欧州における 2030 ～ 2040 年までの EV 市場シェア, 北米, およびアジア太平洋地域. この移行の PQ への影響 — 高調波の観点から, 電圧不平衡, 住宅用 LV 配電網における超高調波放出は、個別に広範囲に研究されています。, ただし、フィーダーレベルで結合された画像, 充電動作の確率的性質を説明する, 定量化するのがより困難になりました.
ザ 2021 Torresらによる研究. 応用エネルギーの分野では、このギャップに直接対処します. 実際のレベルの測定された高調波スペクトルから開始 2 車載充電器, 彼らは、充電サイクル全体（充電不足状態が高いときの初期接続から完了まで）にわたる充電器の非線形挙動を捉える確率モデルを構築し、このモデルを OpenDSS 住宅用 LV フィーダ上のモンテカルロ シミュレーションに展開して、複数の EV 普及シナリオにわたる PQ の影響を評価しました。.
レベル 1 充電 (1.4–1.9kW, 標準的な家庭用コンセント) 配電網によって容易に吸収される適度な高調波電流を生成します. レベル 2 充電中 7.2 kW — 電力の約 4 ～ 5 倍 — 比例してより大きな高調波電流が生成され、中性線が飽和する可能性があります, フィーダに重大な第 3 高調波電圧歪みを引き起こす, 三相間で不均一に分配されると電圧不均衡の原因となります。. レベルとして 2 夜間駐車するEV所有者にとって、自宅での充電がデフォルトになる, レベルからの移行 1 レベルまで 2 主な住宅用充電モードは、PQ の段階的な変化を表しており、LV 配電ネットワークに影響を与えます。.
02 レベル 2 非線形負荷としての充電器
レベル 2 EV 充電器はパワー エレクトロニクス コンバータ、特に力率補正機能を備えた単相 AC/DC 整流器です。 (PFC) 回路 — 制御された回路でグリッドから電流を引き出します。, 非正弦波パターン. EV充電器の高調波電流プロファイルは一定ではない: バッテリ電圧が上昇し、充電器の制御アルゴリズムが消費電流を調整して充電状態の遷移を管理するため、充電サイクル全体を通じて変化します。.
確率的高調波スペクトル
トーレスら. 実際のレベルの高調波スペクトルを特徴づけた 2 実験室測定を使用した全充電サイクルにわたる充電器. 重要な発見は、高調波スペクトルが不規則であることです。, 確率的な動作 — これらは、高調波の次数と大きさの単一のテーブルで表すことができる決定的な値ではありません。. バッテリーの充電状態, 接続時の系統電圧波形形状, および充電器の内部制御状態はすべて高調波スペクトルに影響します. これが簡略化された理由です, EV 充電器の決定論的高調波モデル - 現在でも計画ツールで広く使用されている - フィーダ レベルで実際の PQ への影響を体系的に過小評価する.
この研究では、混合ガウス モデルを使用してこの確率的動作を表現しました。 (GMM) 測定されたスペクトルに適合 — 平均高調波成分と接続状態間のその変動性の両方を捕捉. その後、GMM モデルがモンテカルロ シミュレーション フレームワークに埋め込まれ、高調波の不確実性がフィーダレベルの PQ 評価に伝播されました。.
広範なEV充電器の文献で確認されている微妙な点は、EV充電器の高調波放射は、接続されている系統電圧から独立していないということです。. LV フィーダにすでに 3 次高調波電圧歪みが含まれている場合、 “平坦化正弦波” これは、複数のスイッチモード電源を備えた住宅用送電網によく見られる現象です。この歪んだ電圧により充電器の動作点が変化し、クリーンな正弦波電源で測定されるものと比較して、一部の高調波成分が 30 ～ 300% 変化する可能性があります。. この双方向結合は、EV の普及が増加し、3 次高調波歪みが悪化することを意味します。, 充電器のエミッション自体が変化します。標準的な高調波重ね合わせモデルでは捉えられない正のフィードバック ループです。.
03 三次高調波優勢 — 中性導体問題
Torresらの研究で調査されたすべての浸透レベルとすべての充電サイクル状態にわたって. 勉強, 第三高調波 (150 Hzと 50 Hzのシステム) 一貫してEV充電器電流の最も強力な高調波成分でした. これは EV 充電器に特有のものではなく、すべての単相スイッチモード電源の特性です。, ノートパソコンの充電器を含む, LEDドライバー, 最新の家庭用電化製品すべてに使用されているスイッチモード電源. EV 充電器は、これらの小さな負荷からの 3 次高調波によってすでに支配されているネットワークに、はるかに大きな 3 次高調波電流を追加するだけです。.
三重高調波が特別に危険な理由
平衡三相4線式の場合, 正相および逆相高調波電流 (5番目の, 7番目の, 11番目の, 13番目の…) 中性線でキャンセル — 中性線にはほぼゼロの電流が流れます. 三重高調波 (3RD, 9番目の, 15番目の…) ゼロシーケンスです - これらはすべての 3 相導体で同相であるため、中性線で算術的に加算されます。. 3 つの単相 EV 充電器 (各相に 1 つ) を備えた完全にバランスのとれた三相システム, 同一の充電器, 同一の充電状態 — 正相中性線電流はゼロですが、第 3 高調波における中性点電流は第 3 高調波相電流の 3 倍に等しくなります。.
実際的な結果は、住宅用 LV ネットワーク内の配電変圧器と中性線が、接続された負荷の基本電流需要に合わせてサイズ設定されたということです。, 通常の不均衡に対する熱マージンあり. 高密度単相 EV 充電の導入により、既存の LV インフラストラクチャの設計想定を完全に超えた 3 倍高調波による系統的な中性過負荷が発生します。.
04 浸透レベル — フィーダーエンド効果
Torres らによるモンテカルロ シミュレーションの結果. すべての侵入シナリオにわたって一貫した空間パターンを実証する: EV の充電は、フィーダの開始時の電圧品質にほとんど影響しません。 (配電変圧器の近く) しかし、電圧の不均衡が限界を超える可能性があります。 2% IN 50160 中程度の普及レベルであってもフィーダーエンドバスでの制限. これはスケールでのインピーダンスの議論です - 変圧器から遠ざかるほど, フィーダのインピーダンスが高いほど, 特定の高調波電流が電圧歪みに変換されると、.
| EV普及レベル | フィーダー起動時の効果 | フィーダー端での影響 | 3三次高調波電圧 | VUF リスク |
|---|---|---|---|---|
| 低い (<10%) | 無視できる | VUFのわずかな増加 | 制限内で | 低い |
| 中くらい (10–30%) | 無視できる | 検出可能なVUFの増加 | 限界に近づいている | 適度 |
| 高い (>30%) — 制御されていない | わずかな歪み | VUF を超える可能性があります 2% | 限界を超えている可能性が高い | 高い |
| 高い (>30%) — スマート充電 | 無視できる | VUF制御 | 制限内で | 低い |
高い浸透力, 制御されていない充電シナリオ（EV 所有者が帰宅後すぐにプラグを差し込み、最大レートで充電する）は、最悪の PQ 状態を表しており、また、, 使用時間に応じた料金設定やスマートな充電義務がない場合, EVユーザーの自然な行動. に 30%+ 住宅用フィーダーへの侵入, 夜間の同時充電により、既存の住宅のピーク負荷よりも大きなピーク需要イベントが発生します, 既存のピークと正確に同時に発生します, そして、フィーダのインピーダンスがフィーダ端での電圧歪みに変換される 3 次高調波成分が導入されます。. これは将来の送電網計画における理論上のリスクではありません。ノルウェーのEV密度の高い住宅地ではすでに起こっています。, オランダ, そしてカリフォルニア.
05 超高調波 — EV 充電器の隠れた放射
古典的な高調波範囲を超えて (まで 2 kHzの), EV 充電器は、高周波 PWM スイッチング ステージから 2 ～ 150 kHz の範囲で超高調波放射を生成します。. これらの放射は、IEC が扱う古典高調波とは異なります。 61000-3-2 現在、配電ネットワークにおける特定の排出制限の対象ではありません。.
EV 充電器の超高調波放出と送電網との相互作用により、2 つの特有の問題が発生します。:
- PLC通信干渉 — スマートメータリング, デマンドレスポンス, および EV 充電管理システムは、多くの場合、9 ～ 95 kHz の範囲の電力線搬送周波数を使用します。 (CENELECバンド). EV 充電器のスイッチング周波数はこれらの帯域に直接入る可能性があります, EV の充電自体を管理するための通信信号を妨害する - 循環干渉の問題
- 他のデバイスとの相互変調 — スイッチング周波数がわずかに異なる複数のEV充電器が同じフィーダに接続されている場合, CS06 超高調波のケーススタディで実証されているように、相互変調積は和周波数と差周波数で現れます。. これらの追加の周波数成分は、この周波数範囲を許容するように設計されていない機器と干渉する可能性があります。
- 高調波放射に対する系統電圧フィードバック — 住宅用給電線に存在する第 3 高調波電圧歪み (スイッチモード電源から) EV充電器の動作点を変更します, クリーンな供給品の実験室測定と比較して、高調波放射が最大 30 ～ 300% 変化します。. これは、高密度の EV 設置における現場での測定は、個々の充電器での型式試験による測定とは大きく異なることを意味します。
フィーダレベルでの EV 関連の PQ 問題を軽減する最も効果的な方法は、充電開始時間を調整するスマート充電です。, 料金, 複数のEVにわたる位相割り当てにより、ピーク需要の同時発生や不均一な位相負荷を回避します。. 最適化されたスマート充電により、同じ普及レベルで制御されていない充電下で発生する可能性があるフィーダー端での VUF 超過を排除できます。, 個々の充電器またはフィーダレベルでのハードウェア緩和を必要とせずに. 位相バランス割り当て（新しい単相充電器接続を最も余力のある位相に割り当てる）は、コスト対効果が最も高いスマート充電の最も単純な形式です。.
06 電力品質の観点
EV 充電 PQ 問題には、過去の PQ 問題とは異なる特有の特徴があります。: それはエンジニアリングの問題であると同時に計画の問題でもある. アーク炉と VFD は、接続プロセス中に電力会社と関わる産業顧客によって設置されます。PQ 評価が行われ、緩和策が交渉される明確なポイントがあります。. 住宅用 EV 充電器は住宅所有者によって設置され、利用可能なコンセントに接続されます。, 配信ネットワーク運営者への通知なしに, インセンティブ プログラムが開始されれば、一晩で 2 倍になる可能性があります.
3 次高調波の優位性の発見は、既存のインフラストラクチャを評価する配電エンジニアにとってすぐに役立ちます。. 古い住宅用 LV ネットワーク、特に 1960 年代と 1970 年代に建設されたものの中性線は、従来の単相住宅用負荷から予想される不平衡電流に合わせてサイズ設定されています。, EV充電器からの3倍高調波電流は対象外. 熱的に適切な中性線 20% 住宅負荷の不均衡は、フィーダーエンドバス上の 15 ～ 20% の EV 普及による三重高調波中性電流によって大幅に過負荷になる可能性があります。.
EV 充電 PQ に対する実際の電力会社の対応は、主に技術的な緩和策ではなく、データ収集です。. 配電ネットワークにとって未知の重要な点は、リアルタイムでの各 LV フィーダー上の実際の EV 普及率です。, およびそれらの充電器の位相分布. どのフィーダのどの顧客が EV 充電器を持っているか、そして各充電器がどのフェーズに接続されているかを知っている電力会社は、苦情として現れる前にフィーダ側の VUF リスクを特定するために必要な情報を持っています。. このデータがなければ, ユーティリティは盲目的に飛んでいます. スマートメーターデータ, Torres らによって実証された確率的モデリング手法と組み合わせたものです。, EV時代のプロアクティブなLVフィーダーPQ管理のための分析基盤を提供します.
参照
- トーレス S, デュラン1世, マルランダA, パバスA, キロス・トルトス J. “電気自動車と低電圧ネットワークの電力品質: 実際のデータの分析とモデリング。” 応用エネルギー, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- イクバル MN 他. “プラグイン電気自動車充電器の高調波および超高調波放射。” スマートシティ, フライト. 5, しない. 2, PP. 496–524, 2022. DOI: 10.3390/スマートシティ5020027 — オープンアクセス CC BY 4.0.
- ウルハクAら. “電気自動車の充電が都市配電網の電圧不平衡に与える影響。” インテリジェント産業システム, フライト. 1, PP. 51–60, 2015.
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共電力網から供給される電力の電圧特性. CENELEC, ブリュッセル.
- IEC 61000-3-2:2018. 電磁両立性 - パート 3-2: 高調波電流エミッションの制限. IEC, ジュネーブ.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. 電磁適合性 — 公共の LV 供給システムにおける低周波伝導妨害に対する適合性レベル. IEC, ジュネーブ.
一次情報源: トーレス S, デュラン1世, マルランダA, パバスA, キロス・トルトス J. “電気自動車と低電圧ネットワークの電力品質: 実際のデータの分析とモデリング。” 応用エネルギー, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. 参考となる参考文献: イクバル MN ら。, “プラグイン電気自動車充電器の高調波および超高調波放射,” スマートシティ, 2022, CCBY 4.0.
このケーススタディは、教育目的のために概要と解説の形で提示されています。. SVG 図と PQ パースペクティブ セクション (セクション 6) Denis Ruest によるオリジナルの IPQDF 編集コンテンツです, 修士号. (適用済み), P.Eng. (レット。). IPQDF は元の研究の著者であることを主張していません.