LV 주거용 네트워크의 EV 충전 및 전력 품질 — 개별 충전기부터 차량 침투까지
| 충전기 유형 모델링 | 수준 2 온보드 충전기 — 7.2 kW 급, 단상, 가정용 설치 |
| 방법론 | 측정된 고조파 스펙트럼의 확률 모델 — 가우스 혼합 모델 — 실제 충전기 측정에 대해 검증됨 |
| 시뮬레이션 도구 | OpenDSS — 10분 분해능의 시계열 고조파 전력 흐름 |
| 불확실성 모델링 | 몬테카를로 시뮬레이션 — 가변 시작 충전 시간, 연결 충전 상태, 피더의 EV 위치 |
| 지배적 고조파 | 33차 고조파 — 침투 수준에 관계없이 충전 주기 전체에서 가장 강합니다. |
| 주요 발견 | 전압 불균형과 네트워크 충전 가능성은 모두 EV 보급 수준에 따라 증가합니다. 세 번째 고조파가 주요 동인입니다. |
| 초고조파 문제 | |
| 중요 임계값 | 높은 침투 수준에서 통제되지 않은 동시 주거용 충전은 VUF를 넘어설 수 있습니다. 2% IN 50160 피더 엔드 버스의 제한 |
01 맥락 - 문제의 규모
도로 운송의 전기화는 이제 대부분의 OECD 국가에서 정책 약속입니다., 다음과 같은 목표를 가지고 있습니다. 30% 에 100% 2030~2040년 유럽 전기차 시장 점유율, 북아메리카, 및 아시아 태평양. 고조파 측면에서 이 전환의 PQ 영향, 전압 불평형, 주거용 LV 배전망에 대한 초고조파 방출은 별도로 광범위하게 연구되었습니다., 하지만 피더 수준의 결합된 그림은, 청구 행위의 확률론적 특성을 고려, 수량화하기가 더 어려워졌습니다.
The 2021 Torres 등의 연구. Applied Energy에서는 이러한 격차를 직접적으로 해결합니다.. 실제 레벨의 측정된 고조파 스펙트럼에서 시작 2 온보드 충전기, 그들은 높은 충전 부족 상태에서의 초기 연결부터 완료까지 전체 충전 주기에 걸쳐 충전기의 비선형 동작을 포착하는 확률 모델을 구축한 다음 OpenDSS 주거용 LV 피더의 Monte Carlo 시뮬레이션에 이 모델을 배포하여 여러 EV 침투 시나리오에서 PQ 영향을 평가했습니다..
수준 1 충전중 (1.4-1.9kW, 표준 가정용 콘센트) 배전망에 쉽게 흡수되는 적당한 고조파 전류를 생성합니다.. 수준 2 충전 중 7.2 kW(전력의 약 4~5배)는 중성 도체를 포화시킬 수 있는 비례적으로 더 큰 고조파 전류를 생성합니다., 피더에 상당한 3차 고조파 전압 왜곡을 일으킴, 3상에 불균등하게 분배되면 전압 불균형에 기여합니다.. 레벨로 2 밤새 주차한 EV 소유자의 경우 집에서 충전하는 것이 기본이 됩니다., 레벨에서 전환 1 레벨로 2 기본 주거용 충전 모드는 LV 배전망에 대한 PQ 영향의 단계적 변화를 나타냅니다..
02 레벨 2 비선형 부하로서의 충전기
A레벨 2 EV 충전기는 전력 전자 변환기, 특히 역률 보정 기능이 있는 단상 AC/DC 정류기입니다. (PFC) 회로 - 제어된 방식으로 그리드에서 전류를 끌어옵니다., 비사인파 패턴. EV 충전기의 고조파 전류 프로필은 일정하지 않습니다.: 배터리 전압이 상승하고 충전기의 제어 알고리즘이 충전 전환 상태를 관리하기 위해 전류 소비를 조정함에 따라 충전 주기 전반에 걸쳐 변경됩니다..
확률적 고조파 스펙트럼
토레스 등. 실제 레벨의 고조파 스펙트럼을 특성화했습니다. 2 실험실 측정을 사용하여 전체 충전 주기 동안 충전기. 중요한 발견은 고조파 스펙트럼이 불규칙하다는 것입니다., 확률적 행동 - 고조파 차수와 크기의 단일 테이블로 표현될 수 있는 결정론적 값이 아닙니다.. 배터리의 충전 상태, 연결 순간의 계통 전압 파형 형태, 충전기의 내부 제어 상태는 모두 고조파 스펙트럼에 영향을 미칩니다.. 이것이 단순화된 이유이다, 여전히 계획 도구에 널리 사용되는 EV 충전기의 결정론적 고조파 모델은 피더 수준에서 실제 PQ 영향을 체계적으로 과소평가합니다..
이 연구에서는 가우스 혼합 모델을 사용하여 이러한 확률적 동작을 표현했습니다. (GMM) 측정된 스펙트럼에 맞춰 평균 고조파 함량과 연결 상태에 따른 변동성을 모두 캡처합니다.. 그런 다음 GMM 모델을 Monte Carlo 시뮬레이션 프레임워크에 내장하여 피더 수준 PQ 평가를 통해 고조파 불확실성을 전파했습니다..
광범위한 EV 충전기 문헌에서 확인된 미묘한 점은 EV 충전기의 고조파 방출이 연결된 그리드 전압과 독립적이지 않다는 것입니다.. LV 피더에 이미 3차 고조파 전압 왜곡이 포함된 경우 - “평평한 정현파” 이는 다중 스위치 모드 전원 공급 장치가 있는 주거용 그리드에서 일반적입니다. 이 왜곡된 전압은 충전기의 작동 지점을 변경하고 깨끗한 정현파 공급 장치에서 측정되는 것과 비교하여 일부 고조파 구성 요소를 30~300% 수정할 수 있습니다.. 이러한 양방향 결합은 EV 보급률이 증가하고 3차 고조파 왜곡이 악화됨을 의미합니다., 충전기 방출 자체가 변경됨 - 표준 고조파 중첩 모델에서 포착되지 않는 포지티브 피드백 루프.
03 3차 고조파 우세 - 중성 도체 문제
Torres et al에서 조사된 모든 침투 수준과 모든 충전 주기 상태에 걸쳐. 공부하다, 세 번째 고조파 (150 헤르츠 및 50 Hz에서 시스템) EV 충전기 전류에서 일관되게 가장 강한 고조파 성분이었습니다.. 이는 EV 충전기에만 국한된 것이 아니며 모든 단상 스위치 모드 전원 공급 장치의 특성입니다., 노트북 충전기를 비롯해, LED 드라이버, 모든 현대 가전제품에 사용되는 스위치 모드 전원 공급 장치. EV chargers simply add a much larger magnitude of third harmonic current to a network already dominated by triplen harmonics from these smaller loads.
삼중 고조파가 유독 위험한 이유
균형 잡힌 3상 4선 시스템에서, 포지티브 및 네거티브 시퀀스 고조파 전류 (5일, 7일, 11일, 13일…) 중성선에서 취소 - 중성선은 거의 0에 가까운 전류를 전달합니다.. 삼중 고조파 (3회, 9일, 15일…) 제로 시퀀스입니다. 3상 도체 모두에서 위상이 동일하므로 중성선에 산술적으로 추가됩니다.. 3개의 단상 EV 충전기(위상당 하나씩)를 갖춘 완벽하게 균형 잡힌 3상 시스템, 동일한 충전기, 동일한 충전 상태 — 제로 포지티브 시퀀스 중성 전류를 생성하지만 3차 고조파의 중성 전류는 3차 고조파 위상 전류의 3배와 같습니다..
실질적인 결과는 주거용 LV 네트워크의 배전 변압기와 중성선의 크기가 연결된 부하의 기본 전류 수요에 맞게 조정되었다는 것입니다., 정상적인 불균형을 위한 열 여유가 있는 경우. 고밀도 단상 EV 충전의 도입은 기존 LV 인프라의 설계 가정을 완전히 벗어나는 삼중 고조파로부터 체계적인 중성 과부하를 생성합니다..
04 침투 수준 - 피더 엔드 효과
Torres 등의 몬테카를로 시뮬레이션 결과. 모든 침투 시나리오에서 일관된 공간 패턴을 보여줍니다.: EV 충전은 피더 시작 시 전압 품질에 미미한 영향을 미칩니다. (배전변압기 근처) 그러나 전압 불균형을 이상으로 밀어낼 수 있습니다. 2% IN 50160 적당한 침투 수준에서도 피더 엔드 버스의 제한. 이는 규모에 따른 임피던스 인수입니다. 변압기에서 멀어질수록, 피더 임피던스가 높을수록, 주어진 고조파 전류가 전압 왜곡으로 더 많이 변환될수록.
| EV 보급 수준 | 피더 시작 시 영향 | 피더 끝에서의 효과 | 33차 고조파 전압 | VUF 위험 |
|---|---|---|---|---|
| 낮은 (<10%) | 무시할 만한 | VUF의 소폭 증가 | 한도 내 | 낮은 |
| 중간 (10-30%) | 무시할 만한 | 감지 가능한 VUF 증가 | 한계에 가까워지고 있음 | 보통의 |
| 높은 (>30%) — 통제되지 않음 | 사소한 왜곡 | VUF가 초과될 수 있음 2% | 한도를 초과할 가능성이 있음 | 높은 |
| 높은 (>30%) — 스마트 충전 | 무시할 만한 | VUF 제어 | 한도 내 | 낮은 |
침투성이 높은, 통제되지 않은 충전 시나리오(EV 소유자가 집에 도착하자마자 전원을 연결하고 최대 속도로 충전하는 경우)는 최악의 PQ 조건을 나타내며 또한, 사용 시간별 가격 책정이나 스마트 충전 의무 사항이 없는 경우, EV 사용자의 자연스러운 행동. 에 30%+ 주거용 피더에 침투, 동시 저녁 충전은 기존 주거용 최대 부하보다 더 큰 최대 수요 이벤트를 생성합니다., 기존 피크와 정확히 동시에 발생합니다., 피더 임피던스가 피더 끝에서 전압 왜곡으로 변환되는 3차 고조파 성분을 도입합니다.. 이는 미래 그리드 계획에 대한 이론적인 위험이 아닙니다. 이는 노르웨이의 EV 밀도가 높은 주거 지역에서 이미 발생하고 있습니다., 네덜란드, 그리고 캘리포니아.
05 초고조파 — 숨겨진 EV 충전기 방출
고전적인 고조파 범위를 넘어서 (까지 2 kHz에서), EV 충전기는 고주파수 PWM 스위칭 단계에서 2~150kHz 범위의 초고조파 방출을 생성합니다.. 이러한 방출은 IEC에서 다루는 고전적 고조파와 다릅니다. 61000-3-2 현재 유통망 맥락에서 특정 배출 제한이 적용되지 않습니다..
EV 충전기 초고조파 방출과 그리드 네트워크 간의 상호 작용으로 인해 두 가지 특정 문제가 발생합니다.:
- PLC 통신 간섭 — 스마트 미터링, 수요반응, EV 충전 관리 시스템은 종종 9~95kHz 범위의 전력선 반송파 주파수를 사용합니다. (CENELEC 밴드). EV 충전기 스위칭 주파수는 이 대역에 직접적으로 포함될 수 있습니다., EV 충전 자체를 관리하기 위한 통신 신호를 방해하는 것 - 순환 간섭 문제
- 다른 장치와의 상호 변조 — 스위칭 주파수가 약간 다른 여러 개의 EV 충전기가 동일한 피더에 연결된 경우, CS06 초고조파 사례 연구에서 입증된 것처럼 상호 변조 제품은 합 및 차 주파수에서 나타납니다.. 이러한 추가 주파수 구성요소는 이 주파수 범위를 견디도록 설계되지 않은 장비를 방해할 수 있습니다.
- 고조파 방출에 대한 그리드 전압 피드백 — 주거용 피더의 기존 3차 고조파 전압 왜곡 (스위치 모드 전원 공급 장치에서) EV 충전기의 작동 지점을 수정합니다., 깨끗한 소모품에 대한 실험실 측정과 비교하여 고조파 방출을 최대 30~300% 변경합니다.. 이는 고밀도 EV 설치의 현장 측정이 개별 충전기의 유형 테스트 측정과 크게 다르다는 것을 의미합니다.
The most effective mitigation for EV-related PQ problems at the feeder level is smart charging — coordinating charge start times, rates, and phase allocation across multiple EVs to avoid coincident peak demand and uneven phase loading. Optimised smart charging can eliminate VUF exceedances at the feeder end that would otherwise occur under uncontrolled charging at the same penetration level, without requiring any hardware mitigation at individual charger or feeder level. Phase-balancing allocation — assigning new single-phase charger connections to whichever phase has the most spare capacity — is the simplest form of smart charging with the highest benefit-to-cost ratio.
06 전력 품질 관점
EV 충전 PQ 문제는 과거의 PQ 문제와 구별되는 특정한 특성을 가지고 있습니다.: 이는 엔지니어링 문제인 동시에 계획 문제이기도 합니다.. 아크로 및 VFD는 연결 프로세스 중에 유틸리티와 협력하는 산업 고객이 설치합니다. PQ 평가가 이루어지고 완화가 협상되는 정의된 지점이 있습니다.. 주거용 EV 충전기는 사용 가능한 콘센트에 연결하는 주택 소유자가 설치합니다., 유통망 운영자에게 사전 통지 없이, 인센티브 프로그램이 시작되면 하룻밤 사이에 두 배로 인상될 수 있습니다..
3차 고조파 우세 발견은 기존 인프라를 평가하는 배전 엔지니어에게 즉시 유용합니다.. 오래된 주거용 LV 네트워크(특히 1960년대와 1970년대에 구축된 네트워크)의 중성선 도체는 기존 단상 주거용 부하에서 예상되는 불균형 전류에 맞게 크기가 조정되었습니다., EV 충전기의 삼중 고조파 전류가 아닌. 열적으로 적합한 중성 도체 20% 주거용 부하 불균형은 피더 엔드 버스의 15~20% EV 침투로 인한 삼중 고조파 중성 전류로 인해 심각한 과부하가 발생할 수 있습니다..
EV 충전 PQ에 대한 실질적인 유틸리티 대응은 주로 기술적인 완화가 아니라 데이터 수집입니다.. 모든 유통 네트워크에서 알려지지 않은 핵심은 실시간으로 각 LV 피더의 실제 EV 침투입니다., 해당 충전기의 위상 분포. A utility that knows which customers on which feeders have EV chargers — and on which phase each charger is connected — has the information needed to identify feeder-end VUF risk before it manifests as a complaint. Without this data, the utility is flying blind. Smart meter data, combined with the probabilistic modelling methodology demonstrated by Torres et al., provides the analytical foundation for proactive LV feeder PQ management in the EV era.
참조
- Torres S, Durán I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Electric vehicles and power quality in low voltage networks: Real data analysis and modeling.” Applied Energy, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- Iqbal MN et al. “Harmonic and Supraharmonic Emissions of Plug-In Electric Vehicle Chargers.” Smart Cities, 비행. 5, 아니. 2, PP. 496–524, 2022. DOI: 10.3390/smartcities5020027 — 오픈 액세스 CC BY 4.0.
- Ul-Haq A et al. “도시 배전망의 전압 불균형에 대한 전기 자동차 충전의 영향.” 지능형 산업 시스템, 비행. 1, PP. 51-60, 2015.
- IN 50160:2010+A3:2019. 공공 전력망에서 공급되는 전기의 전압 특성. CENELEC, 브뤼셀.
- IEC 61000-3-2:2018. 전자기 호환성 - 부품 3-2: 고조파 전류 방출에 대한 제한. IEC, 제네바.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. 전자기 호환성 - 공공 LV 공급 시스템의 저주파 전도성 방해에 대한 호환성 수준. IEC, 제네바.
기본 소스: Torres S, Durán I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Electric vehicles and power quality in low voltage networks: Real data analysis and modeling.” Applied Energy, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. 지원 참조: Iqbal MNet al., “플러그인 전기 자동차 충전기의 고조파 및 초고조파 방출,” Smart Cities, 2022, CC BY 4.0.
본 사례 연구는 교육 목적으로 요약 및 해설 형식으로 제공됩니다.. SVG 다이어그램 및 PQ Perspective 섹션 (섹션 6) Denis Ruest의 원본 IPQDF 편집 콘텐츠입니다., 석사. (적용된), 물리 공학과. (퇴사.). IPQDF는 원본 연구의 저자임을 주장하지 않습니다..