ЕВ пуњење и квалитет електричне енергије у ЛВ стамбеним мрежама — од појединачног пуњача до продора у флоту
| Моделиран тип пуњача | Ниво 2 пуњач у возилу — 7.2 кВ, једнофазни, кућна инсталација |
| Методологија | Вероватноћасни модел из измерених хармонијских спектра — Гаусови модели мешавине — потврђен у односу на стварна мерења пуњача |
| Алат за симулацију | ОпенДСС — хармонијски проток енергије временске серије у резолуцији од 10 минута |
| Моделирање несигурности | Монте Карло симулација — променљиво време почетка пуњења, стање напуњености везе, Локација ЕВ на фидеру |
| Доминантни хармоник | 3рд хармоник — најинтензивнији током циклуса пуњења без обзира на ниво пенетрације |
| Кључни налаз | Неравнотежа напона и могућност пуњења мреже се повећавају са нивоом пенетрације ЕВ - трећи хармоник је примарни покретач |
| Супрахармонично питање | |
| Критични праг | Неконтролисано истовремено пуњење у домаћинствима на високим нивоима пенетрације може потиснути ВУФ изван 2% У 50160 ограничење на доводним крајњим аутобусима |
01 Контекст — Размера проблема
Електрификација друмског саобраћаја је сада политичка обавеза у већини земаља ОЕЦД-а, са циљевима у распону од 30% до 100% Тржишни удео ЕВ до 2030-2040 у Европи, Северна Америка, и азијско-пацифички. ПК импликације ове транзиције — у смислу хармоника, напон дебаланс, и супрахармоничне емисије на стамбеним НН дистрибутивним мрежама — детаљно су проучаване изоловано, али комбинована слика на нивоу хранилице, узимајући у обзир стохастичку природу понашања при наплати, било је теже квантификовати.
The 2021 студија Торрес ет ал. у Примењеној енергији директно решава овај јаз. Полазећи од измерених хармонијских спектра реалног нивоа 2 пуњач у возилу, изградили су вероватни модел који обухвата нелинеарно понашање пуњача током целог циклуса пуњења – од почетног повезивања при високом стању дефицита напуњености до завршетка – а затим применили овај модел у Монте Карло симулацијама на ОпенДСС стамбеном ЛВ фидеру да би проценили ПК утицаје у више сценарија продора ЕВ.
Ниво 1 пуњење (1.4–1,9 кВ, стандардна кућна утичница) производи скромне хармонске струје које лако апсорбује дистрибутивна мрежа. Ниво 2 пуњење на 7.2 кВ — отприлике 4-5 пута више снаге — производи пропорционално веће хармонске струје које могу заситити неутрални проводник, изазивају значајно изобличење напона трећег хармоника на фидеру, и доприносе неуравнотежености напона када су неравномерно распоређене на три фазе. Ас Левел 2 кућно пуњење постаје подразумевано за власнике електричних возила који паркирају преко ноћи, прелазак са Нивоа 1 до нивоа 2 као примарни режим стамбеног пуњења представља корак промену у ПК утицају на НН дистрибутивне мреже.
02 Тхе Левел 2 Пуњач као нелинеарно оптерећење
А Левел 2 ЕВ пуњач је енергетски електронски претварач — посебно једнофазни АЦ/ДЦ исправљач са корекцијом фактора снаге (ПФЦ) кола — која црпе струју из мреже у контролисаној, несинусоидни образац. Профил хармоничне струје ЕВ пуњача није константан: мења се током циклуса пуњења како напон батерије расте и контролни алгоритам пуњача прилагођава потрошњу струје да би управљао стањем прелаза напуњености.
Пробабилистички хармонијски спектри
Торрес ет ал. карактерише хармонијске спектре реалног Нивоа 2 пуњач током свог пуног циклуса пуњења користећи лабораторијска мерења. Кључни налаз је био да су хармонијски спектри неправилни, вероватноћа понашања — то нису детерминистичке вредности које се могу представити једном табелом хармонијских редова и величина. Стање напуњености батерије, облик таласног облика напона мреже у тренутку повезивања, и стање унутрашње контроле пуњача утичу на хармонијски спектар. Због тога поједностављено, детерминистички хармонијски модели ЕВ пуњача — који се још увек широко користе у алатима за планирање — систематски потцењују стварни ПК утицај на нивоу напајања.
Студија је представљала ово пробабилистичко понашање користећи Гаусове моделе смеше (ГММ) прилагођен измереним спектрима — обухватајући и средњи садржај хармоника и његову варијабилност у различитим стањима везе. ГММ модел је затим уграђен у оквир симулације Монте Карла да пропагира хармонску несигурност до процене ПК на нивоу фидера..
Суптилност идентификована у широј литератури о ЕВ пуњачима је да хармонијска емисија ЕВ пуњача није независна од напона мреже на коју је повезан. Када НН фидер већ садржи изобличење напона трећег хармоника — “спљоштена синусоида” што је типично за стамбене мреже са вишеструким напајањем у прекидачком режиму — овај изобличени напон мења радну тачку пуњача и може да модификује неке хармонске компоненте за 30–300% у поређењу са оним што би се измерило на чистом синусоидном напајању. Ово двосмерно спајање значи да како се ЕВ пенетрација повећава и изобличење трећег хармоника се погоршава, саме емисије пуњача се мењају — позитивна повратна спрега која није ухваћена у стандардним моделима хармонијске суперпозиције.
03 Трећа хармонична доминација — проблем неутралног проводника
На свим нивоима пенетрације и свим стањима циклуса пуњења испитаних у Торрес ет ал. студија, трећи хармоник (150 Хз и 50 Хз системи) био је доследно најинтензивнија хармонска компонента у струји ЕВ пуњача. Ово није специфично за ЕВ пуњаче — то је карактеристика свих једнофазних прекидача напајања, укључујући пуњаче за лаптоп, ЛЕД драјвери, и прекидачка напајања која се користе у свој модерној потрошачкој електроници. ЕВ пуњачи једноставно додају много већу јачину струје трећег хармоника у мрежу у којој већ доминирају троструки хармоници из ових мањих оптерећења.
Зашто су троструки хармоници јединствено опасни
У балансираном трофазном четворожичном систему, хармонске струје позитивног и негативног низа (5ог, 7ог, 11ог, 13ог…) поништити у нултом проводнику - неутрални носи струју близу нуле. Троструки хармоници (3рд, 9ог, 15ог…) су нулте секвенце — они су у фази на сва три фазна проводника и стога аритметички сабирају у неутралном. Савршено избалансиран трофазни систем са три једнофазна ЕВ пуњача — по један по фази, идентични пуњачи, идентично стање пуњења — производи нулту неутралну струју позитивне секвенце, али неутралну струју на 3. хармонику једнаку три пута већој од фазне струје 3. хармоника.
Практична последица је да су дистрибутивни трансформатори и неутрални проводници у стамбеним нисконапонским мрежама димензионисани за основне тренутне потребе прикључених оптерећења., са термичком маргином за нормалну неравнотежу. The introduction of high-density single-phase EV charging creates a systematic neutral overload from triplen harmonics that is entirely outside the design assumptions of existing LV infrastructure.
04 Penetration Levels — The Feeder-End Effect
The Monte Carlo simulation results from Torres et al. demonstrate a consistent spatial pattern across all penetration scenarios: EV charging has negligible effect on voltage quality at the feeder beginning (near the distribution transformer) but can push voltage unbalance beyond the 2% У 50160 limit at feeder end buses even at moderate penetration levels. This is the impedance argument at scale — the further from the transformer, the higher the feeder impedance, and the more a given harmonic current translates into voltage distortion.
| EV penetration level | Effect at feeder start | Ефекат на крају фидера | 3рд хармоника напона | ВУФ ризик |
|---|---|---|---|---|
| Ниско (<10%) | Занемарљиво | Мањи пораст ВУФ | У границама | Ниско |
| Средње (10–30%) | Занемарљиво | Детектибилно повећање ВУФ | Приближавање границама | Умерено |
| Високо (>30%) — неконтролисано | Мања дисторзија | ВУФ може премашити 2% | Вероватно прелази границе | Високо |
| Високо (>30%) — паметно пуњење | Занемарљиво | ВУФ контролисан | У границама | Ниско |
Висока пенетрација, сценарио неконтролисаног пуњења – где се власници електричних возила укључују одмах по доласку кући и наплаћују максималном брзином – представља најгори случај ПК стање и такође је, у одсуству одређивања цена за време коришћења или мандата за паметно пуњење, природно понашање корисника електричних возила. У 30%+ продор у стамбену хранилицу, истовремено вечерње пуњење ствара догађај вршне потражње који је већи од постојећег вршног оптерећења у стамбеним објектима, се дешава тачно у исто време када и постојећи врх, и уводи садржај трећег хармоника који импеданса фидера претвара у изобличење напона на крају фидера. Ово није теоретски ризик за будуће планирање мреже — већ се дешава у стамбеним подручјима са великом густином ЕВ у Норвешкој, Холандији, и Калифорнија.
05 Супрахармоницс — Тхе Хидден ЕВ Цхаргер Емиссион
Изван класичног хармонијског опсега (све до 2 кХз), ЕВ пуњачи производе супрахармоничне емисије у опсегу од 2–150 кХз од својих високофреквентних ПВМ преклопних фаза. Ове емисије се разликују од класичних хармоника којима се бави ИЕЦ 61000-3-2 и тренутно не подлежу посебним ограничењима емисије у контексту дистрибутивне мреже.
Интеракција између супрахармоничних емисија ЕВ пуњача и мрежне мреже ствара два специфична проблема:
- ПЛЦ комуникационе сметње — Паметно мерење, одговор на захтев, и системи за управљање пуњењем електричних возила често користе фреквенције носиоца далековода у опсегу 9–95 кХз (ЦЕНЕЛЕЦ бендови). Фреквенције пребацивања ЕВ пуњача могу пасти директно у ове опсеге, ометање комуникационих сигнала који су намењени да управљају самим пуњењем ЕВ - проблем кружних сметњи
- Интермодулација са другим уређајима — Када је више ЕВ пуњача са мало различитим фреквенцијама укључивања повезано на исти фидер, производи интермодулације се појављују на збирним и разликама фреквенција — као што је показано у студији случаја ЦС06 супрахармонике. Ове додатне фреквенцијске компоненте могу ометати опрему која није дизајнирана да толерише овај фреквентни опсег
- Повратна информација о напону мреже о хармонијској емисији — Постојеће изобличење напона трећег хармоника на стамбеним фидерима (од извора напајања са прекидачким режимом рада) мења радну тачку ЕВ пуњача, мењајући своје хармонијске емисије до 30–300% у поређењу са лабораторијским мерењима на чистим залихама. То значи да ће се мерења на терену на ЕВ инсталацијама велике густине значајно разликовати од мерења типа теста на појединачним пуњачима
Најефикасније ублажавање ПК проблема везаних за ЕВ на нивоу фидера је паметно пуњење — координирање времена почетка пуњења, стопе, и додељивање фаза на више електричних возила како би се избегла подударна вршна потражња и неуједначено фазно оптерећење. Оптимизовано паметно пуњење може елиминисати прекорачења ВУФ-а на крају довода која би се иначе догодила под неконтролисаним пуњењем на истом нивоу продора, без потребе за било каквом хардверском ублажавањем на нивоу појединачног пуњача или фидера. Алокација за балансирање фаза — додељивање нових једнофазних прикључака пуњача оној фази која има највише слободног капацитета — је најједноставнији облик паметног пуњења са највећим односом користи и цене.
06 Перспектива квалитета струје
Проблем ПК пуњења ЕВ има специфичан карактер који га разликује од историјских ПК проблема: то је проблем планирања колико и инжењерски проблем. Лучне пећи и ВФД инсталирају индустријски купци који се ангажују са комуналним предузећем током процеса повезивања — постоји дефинисана тачка у којој се врши процена ПК и преговара се о ублажавању. Становне ЕВ пуњаче инсталирају власници кућа који се повезују на било коју утичницу која је доступна, без обавештења оператеру дистрибутивне мреже, по стопама које се могу удвостручити преко ноћи ако се покрене програм подстицаја.
Налаз доминације трећег хармоника одмах је користан за инжењере дистрибуције који процењују постојећу инфраструктуру. Неутрални проводници у старијим стамбеним НН мрежама - посебно онима изграђеним 1960-их и 1970-их - били су димензионирани за неуравнотежене струје које се очекују од конвенционалних једнофазних стамбених оптерећења, not for the triplen harmonic currents from EV chargers. A neutral conductor that is thermally adequate for 20% residential load unbalance may be significantly overloaded by the triplen harmonic neutral current from 15–20% EV penetration on a feeder end bus.
The practical utility response to EV charging PQ is not primarily technical mitigation — it is data collection. The key unknown for any distribution network is the actual EV penetration on each LV feeder in real time, and the phase distribution of those chargers. Предузеће које зна који потрошачи на којим фидерима имају ЕВ пуњаче – и на коју фазу је сваки пуњач повезан – има информације потребне да идентификује ВУФ ризик на крају довода пре него што се манифестује као жалба. Без ових података, услужни програм лети на слепо. Подаци паметног бројила, у комбинацији са методологијом пробабилистичког моделирања коју су демонстрирали Торрес ет ал., пружа аналитичку основу за проактивно управљање ПК ЛВ фидера у ери ЕВ.
Референце
- Торес С, Дуран И, Маруланда А, Павас А, Кирос-Тортос Ј. “Електрична возила и квалитет електричне енергије у нисконапонским мрежама: Реална анализа и моделирање података.” Примењена енергија, 2021. ДОИ: 10.1016/ј.апенерги.2021.117718
- Икбал МН ет ал. “Хармоничне и супрахармоничне емисије пуњача за електрична возила са прикључком.” Паметни градови, лет. 5, не. 2, ПП. 496–524, 2022. ДОИ: 10.3390/смартцитиес5020027 — Отворен приступ ЦЦ БИ 4.0.
- Ул-Хак А и др. “Утицај пуњења електричних возила на неравнотежу напона у градској дистрибутивној мрежи.” Интелигентни индустријски системи, лет. 1, ПП. 51–60, 2015.
- У 50160:2010+А3:2019. Напонске карактеристике електричне енергије коју испоручују јавне електричне мреже. ЦЕНЕЛЕЦ, Брисел.
- ИЕЦ 61000-3-2:2018. Електромагнетна компатибилност — Део 3-2: Лимити за хармонијске текуће емисије. ИЕЦ, Женева.
- ИЕЦ 61000-2-2:2002+АМД1:2017. Електромагнетна компатибилност — Нивои компатибилности за нискофреквентне спроведене сметње у јавним НН системима напајања. ИЕЦ, Женева.
Примарни извор: Торес С, Дуран И, Маруланда А, Павас А, Кирос-Тортос Ј. “Електрична возила и квалитет електричне енергије у нисконапонским мрежама: Реална анализа и моделирање података.” Примењена енергија, 2021. ДОИ: 10.1016/ј.апенерги.2021.117718. Потпорна референца: Икбал МН ет ал., “Хармоничне и супрахармоничне емисије пуњача за електрична возила са прикључком,” Паметни градови, 2022, ЦЦ БИ 4.0.
Ова студија случаја је представљена у облику сажетка и коментара у образовне сврхе. СВГ дијаграми и одељак ПК перспектива (Одељак 6) су оригинални ИПКДФ уреднички садржај од Дениса Руеста, мр. (Примењено), П.Енг. (рет.). ИПКДФ не полаже право на ауторство оригиналног истраживања.