Carregamento de veículos elétricos e qualidade de energia em redes residenciais de baixa tensão — do carregador individual à penetração na frota
| Tipo de carregador modelado | Nível 2 carregador de bordo - 7.2 kW, monofásico, instalação doméstica |
| Metodologia | Modelo probabilístico a partir de espectros harmônicos medidos — Modelos de Mistura Gaussiana — validados em relação a medições reais de carregadores |
| Ferramenta de simulação | OpenDSS - fluxos de potência harmônicos de série temporal com resolução de 10 minutos |
| Modelagem de incerteza | Simulação de Monte Carlo — tempo de carregamento inicial variável, estado de carga da conexão, Localização do VE no alimentador |
| Harmônico dominante | 3Terceiro harmônico – mais intenso durante todo o ciclo de carga, independentemente do nível de penetração |
| Descoberta chave | O desequilíbrio de tensão e a capacidade de carga da rede aumentam com o nível de penetração do VE – o terceiro harmônico é o principal fator |
| Questão supra-harmônica | |
| Limite crítico | O carregamento residencial simultâneo não controlado com altos níveis de penetração pode levar o VUF além do 2% IN 50160 limite nas barras finais do alimentador |
01 Contexto – A escala do problema
A eletrificação do transporte rodoviário é agora um compromisso político na maioria dos países da OCDE, com metas que vão desde 30% para 100% Quota de mercado de VE até 2030-2040 na Europa, América do Norte, e Ásia-Pacífico. As implicações QP desta transição – em termos de harmônicos, desequilíbrio de tensão, e emissões supra-harmônicas em redes residenciais de distribuição de BT - foram estudadas extensivamente isoladamente, mas a imagem combinada no nível do alimentador, contabilizando a natureza estocástica do comportamento de cobrança, tem sido mais difícil de quantificar.
O 2021 estudo de Torres et al. em Energia Aplicada aborda essa lacuna diretamente. Partindo dos espectros harmônicos medidos de um nível real 2 carregador de bordo, eles construíram um modelo probabilístico capturando o comportamento não linear do carregador durante todo o ciclo de carga - desde a conexão inicial em um alto déficit de carga até a conclusão - e então implantaram esse modelo em simulações de Monte Carlo em um alimentador de BT residencial OpenDSS para avaliar os impactos de PQ em vários cenários de penetração de EV.
Nível 1 carregando (1.4–1,9 kW, tomada doméstica padrão) produz correntes harmônicas modestas que são facilmente absorvidas pela rede de distribuição. Nível 2 carregando em 7.2 kW – aproximadamente 4–5 vezes a potência – produz correntes harmônicas proporcionalmente maiores que podem saturar o condutor neutro, causar distorção significativa da tensão do terceiro harmônico no alimentador, e contribuir para o desequilíbrio de tensão quando distribuído de forma desigual entre as três fases. Como nível 2 carregamento doméstico torna-se o padrão para proprietários de EV que estacionam durante a noite, a transição do nível 1 para nivelar 2 uma vez que o modo de carregamento residencial primário representa uma mudança radical no impacto PQ nas redes de distribuição de BT.
02 O nível 2 Carregador como carga não linear
Um nível 2 O carregador EV é um conversor eletrônico de potência – especificamente um retificador CA/CC monofásico com correção do fator de potência (PFC) circuito - que retira corrente da rede de forma controlada, padrão não sinusoidal. O perfil de corrente harmônica de um carregador EV não é constante: ele muda ao longo do ciclo de carga à medida que a tensão da bateria aumenta e o algoritmo de controle do carregador ajusta o consumo de corrente para gerenciar o estado de transição de carga.
Espectros harmônicos probabilísticos
Torres e cols.. caracterizou os espectros harmônicos de um nível real 2 carregador em todo o seu ciclo de carga usando medições de laboratório. A principal descoberta foi que os espectros harmônicos exibem irregularidades, comportamento probabilístico — não são valores determinísticos que podem ser representados por uma única tabela de ordens e magnitudes harmônicas. O estado de carga da bateria, a forma de onda da tensão da rede no momento da conexão, e o estado de controle interno do carregador influenciam o espectro harmônico. É por isso que simplificado, modelos harmônicos determinísticos de carregadores de VE – ainda amplamente utilizados em ferramentas de planejamento – subestimam sistematicamente o impacto real da PQ no nível do alimentador.
O estudo representou esse comportamento probabilístico usando Modelos de Mistura Gaussiana (GMM) ajustado aos espectros medidos - capturando tanto o conteúdo harmônico médio quanto sua variabilidade entre os estados de conexão. O modelo GMM foi então incorporado na estrutura de simulação de Monte Carlo para propagar a incerteza harmônica até a avaliação PQ no nível do alimentador..
Uma sutileza identificada na literatura mais ampla sobre carregadores de EV é que a emissão harmônica de um carregador de EV não é independente da tensão da rede à qual está conectado.. Quando o alimentador de BT já contém distorção de tensão de terceiro harmônico - o “sinusóide achatada” isso é típico de redes residenciais com múltiplas fontes de alimentação comutadas - esta tensão distorcida altera o ponto de operação do carregador e pode modificar alguns componentes harmônicos em 30-300% em comparação com o que seria medido em uma fonte senoidal limpa. Este acoplamento bidirecional significa que à medida que a penetração do EV aumenta e a distorção do terceiro harmônico piora, as próprias emissões do carregador mudam – um ciclo de feedback positivo que não é capturado nos modelos padrão de superposição harmônica.
03 Dominância do Terceiro Harmônico – O Problema do Condutor Neutro
Em todos os níveis de penetração e todos os estados do ciclo de carga examinados no Torres et al. estudar, o terceiro harmônico (150 Hz e 50 Sistemas Hz) foi consistentemente o componente harmônico mais intenso na corrente do carregador EV. Isso não é específico para carregadores EV – é uma característica de todas as fontes de alimentação comutadas monofásicas, incluindo carregadores de laptop, Drivers de LED, e as fontes de alimentação comutadas usadas em todos os produtos eletrônicos de consumo modernos. Os carregadores EV simplesmente adicionam uma magnitude muito maior de corrente de terceiro harmônico a uma rede já dominada por harmônicos triplos dessas cargas menores.
Por que os harmônicos triplos são exclusivamente perigosos
Em um sistema trifásico balanceado de quatro fios, correntes harmônicas de sequência positiva e negativa (5ª, 7ª, 11ª, 13ª…) cancelar no condutor neutro - o neutro transporta corrente próxima de zero. Harmônicos triplos (3rd, 9ª, 15ª…) são de sequência zero - eles estão em fase em todos os três condutores de fase e, portanto, somam aritmeticamente no neutro. 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. A introdução do carregamento monofásico de alta densidade para veículos elétricos cria uma sobrecarga neutra sistemática de harmônicos triplos que está totalmente fora das premissas de projeto da infraestrutura de BT existente.
04 Níveis de penetração – O efeito final do alimentador
A simulação de Monte Carlo resulta de Torres et al. demonstrar um padrão espacial consistente em todos os cenários de penetração: O carregamento de EV tem efeito insignificante na qualidade da tensão no início do alimentador (perto do transformador de distribuição) mas pode empurrar o desequilíbrio de tensão além do 2% IN 50160 limite nas barras finais do alimentador, mesmo em níveis de penetração moderados. Este é o argumento da impedância em escala – quanto mais longe do transformador, quanto maior a impedância do alimentador, e quanto mais uma determinada corrente harmônica se traduz em distorção de tensão.
| Nível de penetração de EV | Efeito no início do alimentador | Effect at feeder end | 3rd harmonic voltage | VUF risk |
|---|---|---|---|---|
| Baixo (<10%) | Negligible | Minor increase in VUF | Dentro dos limites | Baixo |
| Médio (10–30%) | Negligible | Detectable VUF increase | Approaching limits | Moderado |
| Alto (>30%) — uncontrolled | Minor distortion | VUF may exceed 2% | Likely exceeds limits | Alto |
| Alto (>30%) — smart charging | Negligible | VUF controlled | Dentro dos limites | Baixo |
The high-penetration, cenário de carregamento descontrolado – onde os proprietários de EV ligam imediatamente ao chegar em casa e carregam na taxa máxima – representa a pior condição PQ e também é, na ausência de preços de tempo de uso ou mandatos de cobrança inteligente, o comportamento natural dos usuários de VE. Em 30%+ penetração em um alimentador residencial, o carregamento noturno simultâneo cria um evento de pico de demanda maior do que o pico de carga residencial existente, ocorre precisamente ao mesmo tempo que o pico existente, e introduz conteúdo de terceiro harmônico que a impedância do alimentador traduz em distorção de tensão na extremidade do alimentador. Este não é um risco teórico para o futuro planeamento da rede – já está a acontecer em áreas residenciais de alta densidade de veículos elétricos na Noruega, Holanda, e Califórnia.
05 Supraharmônicos – A emissão oculta do carregador EV
Além da faixa harmônica clássica (até 2 kHz), Os carregadores EV produzem emissões supra-harmônicas na faixa de 2 a 150 kHz a partir de seus estágios de comutação PWM de alta frequência. Estas emissões são distintas dos harmônicos clássicos abordados pela IEC 61000-3-2 e não estão atualmente sujeitos a limites de emissão específicos no contexto da rede de distribuição.
A interação entre as emissões supraharmônicas do carregador EV e a rede cria dois problemas específicos:
- Interferência de comunicação PLC — Medição inteligente, resposta à demanda, e os sistemas de gerenciamento de carregamento de veículos elétricos geralmente usam frequências portadoras de linha de energia na faixa de 9 a 95 kHz (Bandas CENELEC). As frequências de comutação do carregador EV podem cair diretamente nessas bandas, interromper os sinais de comunicação destinados a gerenciar o próprio carregamento do VE – um problema de interferência circular
- Intermodulação com outros dispositivos — Quando vários carregadores EV com frequências de comutação ligeiramente diferentes estão conectados ao mesmo alimentador, produtos de intermodulação aparecem em frequências de soma e diferença — conforme demonstrado no estudo de caso supraharmônico CS06. Esses componentes de frequência adicionais podem interferir em equipamentos não projetados para tolerar esta faixa de frequência
- Feedback de tensão da rede na emissão de harmônicos — A distorção de tensão de terceira harmônica existente em alimentadores residenciais (de fontes de alimentação comutadas) modifica o ponto de operação do carregador EV, alterando suas emissões harmônicas em até 30–300% em comparação com medições de laboratório em suprimentos limpos. Isto significa que as medições de campo em instalações de veículos elétricos de alta densidade serão significativamente diferentes das medições de teste de tipo em carregadores individuais
A mitigação mais eficaz para problemas de PQ relacionados com VE ao nível do alimentador é o carregamento inteligente – coordenando os horários de início do carregamento, taxas, e alocação de fase em vários VEs para evitar picos de demanda coincidentes e carga de fase desigual. O carregamento inteligente otimizado pode eliminar excedências de VUF na extremidade do alimentador que, de outra forma, ocorreriam sob carregamento descontrolado no mesmo nível de penetração, sem exigir qualquer mitigação de hardware no carregador individual ou no nível do alimentador. A alocação de equilíbrio de fases – atribuir novas conexões de carregador monofásico à fase que tiver maior capacidade disponível – é a forma mais simples de carregamento inteligente com a maior relação custo-benefício.
06 Perspectiva de qualidade de energia
O problema de QP de carregamento de VE tem um caráter específico que o distingue dos problemas de QP históricos: é um problema de planejamento tanto quanto um problema de engenharia. Fornos a arco e VFDs são instalados por clientes industriais que interagem com a concessionária durante o processo de conexão – há um ponto definido em que a avaliação PQ acontece e a mitigação é negociada. Os carregadores EV residenciais são instalados pelos proprietários que os conectam a qualquer tomada disponível, sem aviso prévio ao operador da rede de distribuição, a taxas que podem dobrar da noite para o dia se um programa de incentivo for lançado.
A descoberta da terceira dominância harmônica é imediatamente útil para engenheiros de distribuição que avaliam a infraestrutura existente. Os condutores neutros em redes residenciais de BT mais antigas - particularmente aquelas construídas nas décadas de 1960 e 1970 - foram dimensionados para as correntes de desequilíbrio esperadas de cargas residenciais monofásicas convencionais, não para as correntes harmônicas triplas dos carregadores EV. Um condutor neutro que seja termicamente adequado para 20% o desequilíbrio de carga residencial pode ser significativamente sobrecarregado pela corrente neutra harmônica tripla de penetração de 15–20% EV em um barramento final do alimentador.
A resposta prática da concessionária ao carregamento de EV PQ não é principalmente a mitigação técnica – é a coleta de dados. A chave desconhecida para qualquer rede de distribuição é a penetração real de VE em cada alimentador de BT em tempo real, e a distribuição de fases desses carregadores. Uma concessionária que sabe quais clientes em quais alimentadores possuem carregadores EV – e em qual fase cada carregador está conectado – tem as informações necessárias para identificar o risco de VUF no final do alimentador antes que ele se manifeste como uma reclamação. Sem esses dados, a concessionária está voando às cegas. Dados do medidor inteligente, combinado com a metodologia de modelagem probabilística demonstrada por Torres et al., fornece a base analítica para o gerenciamento proativo de PQ do alimentador de BT na era EV.
Referências
- Torres S., Duran I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Veículos elétricos e qualidade de energia em redes de baixa tensão: Análise e modelagem de dados reais.” Energia Aplicada, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- Iqbal MN et al. “Emissões harmônicas e supra-harmônicas de carregadores plug-in de veículos elétricos.” Cidades Inteligentes, vôo. 5, não. 2, pp. 496–524, 2022. DOI: 10.3390/cidades inteligentes5020027 — Acesso aberto CC BY 4.0.
- Ul-Haq A et al. “Impacto da Carga de Veículos Elétricos no Desequilíbrio de Tensão em Rede de Distribuição Urbana.” Sistemas Industriais Inteligentes, vôo. 1, pp. 51–60, 2015.
- IN 50160:2010+A3:2019. Características de tensão da eletricidade fornecida por redes elétricas públicas. CENELEC, Bruxelas.
- IEC 61000-3-2:2018. Compatibilidade eletromagnética – Parte 3-2: Limites para emissões de correntes harmônicas. IEC, Genebra.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Compatibilidade eletromagnética — Níveis de compatibilidade para perturbações conduzidas de baixa frequência em sistemas públicos de abastecimento de BT. IEC, Genebra.
Fonte primária: Torres S., Duran I, Marulanda A, Pavas A, Quirós-Tortós J. “Veículos elétricos e qualidade de energia em redes de baixa tensão: Análise e modelagem de dados reais.” Energia Aplicada, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. Referência de apoio: Iqbal MN et al., “Emissões harmônicas e supra-harmônicas de carregadores plug-in de veículos elétricos,” Cidades Inteligentes, 2022, CC POR 4.0.
Este estudo de caso é apresentado em forma de resumo e comentários para fins educacionais. Diagramas SVG e a seção Perspectiva PQ (Seção 6) são conteúdos editoriais originais do IPQDF de Denis Ruest, Mestrado. (Aplicado), P.Eng. (ret.). IPQDF não reivindica autoria da pesquisa original.