Elektromobilność

Ładowarki aut elektrycznych – czy mogą pogorszyć jakość zasilania?

Wstęp

Obecnie trudno sobie wyobrazić sprawne funkcjonowanie społeczeństw bez transportu samochodowego. Liczba samochodów w poszczególnych krajach liczona jest w milionach, a w zdecydowanej większości są to pojazdy napędzane przetworzonymi paliwami pozyskanymi z ropy naftowej (benzyna, olej napędowy). Ze względu na ograniczone zasoby tego surowca naturalnego, rosnące koszty jego wydobycia oraz proekologiczne trendy światowe, pojawiła się potrzeba redukcji jego zużycia. Ponadto świadomość społeczna w zakresie emisji zanieczyszczeń jest również na dużo wyższym poziomie niż kilkanaście lat temu. To wszystko napędza  poszukiwanie alternatywnych rozwiązań w stosunku do obecnie wykorzystywanych paliw, w szczególności w dziedzinie transportu samochodowego.

Liczba pojazdów elektrycznych (nie tylko osobowych) poruszających się po drogach będzie rosnąć. To implikuje potrzebę rozbudowy infrastruktury do ładowania takich pojazdów. Niniejszy artykuł przedstawia kilka wybranych, najważniejszych zagrożeń dla jakości energii elektrycznej, jakie niesie ze sobą szybki wzrost liczby stacji ładowania aut elektrycznych.

Dobór mocy ładowarek

Liczba punktów ładowania pojazdów elektrycznych rośnie z roku na rok. Jeśli jednak urządzenia mają działać  niezawodnie, konieczne jest staranne zaplanowanie inwestycji opartej na dokładnych danych. Instalacja punktu ładowania pojazdu elektrycznego jest bardziej skomplikowana od podłączenia np. grzejnika elektrycznego. Obok spełnienia podstawowych wymogów w zakresie ochrony przeciwporażeniowej i przeciwpożarowej, powinny być spełnione również wymogi kompatybilności elektromagnetycznej, które zapewniają możliwość niezawodnego funkcjonowania ładowarek w sieci elektroenergetycznej. Wymogi kompatybilności będą głównie zależeć od rodzaju i konstrukcji stacji ładowania pojazdów elektrycznych.

Obecnie produkowane ładowarki do samochodów elektrycznych można podzielić na kilka podstawowych typów, które definiuje norma IEC 61851-1. Ze względu na moc dostarczaną do auta, można przyjąć podział na ładowarki:

  • standardowe (nazywane inaczej wolnymi) o mocach do około 3,7 kW dla zasilania jednofazowego i mocy do około 11 kW przy zasilaniu trójfazowym,
  • pół-szybkie o mocach około 7 kW jednofazowo oraz 22 kW dla trzech faz,
  • szybkie (czasami zwane super ładowarkami) o mocach dochodzących nawet do 150 kW (a w przyszłości nawet 300 kW).

Z mocą ładowarki związana jest wprost szybkość ładowania auta. Przed zamontowaniem ładowarki podstawowym pytaniem jest, jaka moc jest dostępna w punkcie planowanej instalacji, aby z jednej strony zainstalować ładowarkę jak najszybszą, a z drugiej strony, aby jej działanie nie wpływało negatywnie na inne urządzenia zasilane ze wspólnego punktu przyłączenia. Aby odpowiedzieć na to pytanie, doskonałym rozwiązaniem jest zastosowanie jednego z analizatorów jakości zasilania serii PQM. Dzięki nim można zarejestrować pobór mocy w ciągu określonego czasu (najlepiej tygodnia) i ustalić profil obciążenia. Jest to bardzo ważne, gdyż szczyt obciążenia może występować w innym czasie niż wynikało by to z domysłów. Analizatory można łatwo zainstalować w tablicy rozdzielczej bez konieczności wyłączania zasilania, dzięki szerokiemu wachlarzowi akcesoriów.

Dodanie jednej ładowarki 3,7 kW (czas ładowania auta 8 do 12 godzin) do istniejącej instalacji prawdopodobnie nie spowoduje wielu problemów związanych z wydajnością zasilania, nawet w typowym gospodarstwie domowym. Zakładając, że auto ładuje się przez noc, zapas mocy powinien być wystarczający. Można to zaobserwować z wykresu na rys. 1, gdzie widać, że w nocy pobierana moc jest znikoma. W tym wypadku można mówić nawet o pozytywnym aspekcie dla systemu energetycznego, tj. pobieraniu mocy w okresie jej nadprodukcji.

Rys. 1. Wykres poboru mocy w typowym gospodarstwie domowym.

Ale dodanie kilku punktów ładowania, może już negatywnie odbić się na stabilności sieci. Dodanie ładowarki o mocy 150 kW (czas ładowania około 40 minut) jest możliwe tylko tam, gdzie jest przewidziany duży zapas mocy. W firmach, które planują zainstalowanie kilku punktów, zapewne lepszym rozwiązaniem będzie zamontowanie kilku ładowarek o mocy 11 kW niż jednej 72 kW. Pozwoli to w sensownym czasie 1 do 2 godzin naładować szereg aut zamiast jednego w czasie 30 minut. Na rys. 2 można zobaczyć, że w przykładowej firmie szczyt poboru mocy przypada w godzinach 19:00 do 20:00. Dlatego w ciągu dnia nie powinno być problemu z doładowaniem nawet kilku aut, jeśli tylko łączna moc nie przekroczy 30…40 kW.

Rys. 2. Wykres mocy trójfazowej dla zakładu produkcyjnego.

Dlatego tak ważne jest, aby przed zainstalowaniem punktu ładowania przeprowadzić dokładną analizę obciążenia istniejącej sieci. Bez tego może okazać się, że zainstalowane ładowarki nie będą mogły pracować w godzinach, gdy będą najbardziej potrzebne. Ponadto, może być przekraczany pobór maksymalnej mocy zakontraktowanej z dostawcą energii. A to najprawdopodobniej będzie skutkowało karami finansowymi.

Potencjalne zakłócenia sieci

Parametry jakościowe w sieci zasilającej są podane w normie EN 50160. Ponadto producenci stacji ładowania powinni spełnić wymogi wieloarkuszowej normy IEC 61000 jeśli chodzi o emisję wyższych harmonicznych do sieci oraz ograniczenia wahań napięcia i migotania światła. Teoretycznie, ładowarki powinny być tak skonstruowane, aby nie zakłócać w znaczący sposób sieci zasilającej. Trzeba jednak pamiętać, że samochody elektryczne są zasilane prądem stałym z wbudowanych akumulatorów. Dlatego ładowanie też przebiega prądem stałym – albo z poziomu samej stacji ładowania albo prostowanie odbywa się w pojeździe. W obu przypadkach występują elementy energoelektroniczne, których nieliniowy charakter będzie powodował mniejsze lub większe zakłócenia.

Należy jednak pamiętać, że mogą istnieć urządzenia do ładowania, które z jakichś powodów nie spełniają wymagań i generują większe zakłócenia do sieci.

Ponownie z pomocą przychodzą analizatory jakości zasilania Sonel. W szczególności model PQM-707 z wbudowanym dotykowym ekranem. Dzięki swej autonomii nie potrzebuje on zewnętrznego komputera do obsługi, wszystko można zrobić w analizatorze będąc podpiętym do stacji ładowania. W szybki i prosty sposób można zweryfikować wpływ ładowarki (lub ładowarek) na sieć zasilającą poprzez pomiar:

  • harmonicznych w prądzie i napięciu (wraz ze współczynnikami THD) – prostowniki zwykle generują harmoniczne poprzez pobór odkształconego prądu, co widać w przebiegu prądu na rys. 3. Jeśli harmoniczne w systemie zasilania przekroczą limity określone w przepisach, może być konieczne odłączenie problematycznej ładowarki, co na pewno spowoduje frustrację użytkowników samochodów. Warto pamiętać, że obecność harmonicznych napięcia i prądu jest naturalną konsekwencją użytkowanych powszechnie urządzeń elektronicznych, dlatego warto sprawdzić ich poziom jeszcze przed zainstalowaniem stacji ładowania. W przypadku dużej zawartości harmonicznych w napięciu, może się okazać, że po podłączeniu ładowarki limity mogą być przekroczone. A nawet jeśli nie zostaną, to wysoki poziom zawartości harmonicznych może powodować różne negatywne skutki w sieci, np. przeciążenia przewodu neutralnego, gorszą wydajność urządzeń, wibracje lub utrudniony rozruch silników.
  • asymetrii – w przypadku wykorzystywania ładowarek trójfazowych ten problem nie powinien istnieć. Ale w przypadku wykorzystywania wielu ładowarek jednofazowych o większych mocach, może to skutkować pojawieniem się asymetrii prądów i napięć. Nawet jeśli ładowarki są instalowane na różnych fazach, to może być niemożliwym wymuszenie, aby wszystkie były obciążone w tym samym czasie w jednakowym stopniu. A to spowoduje pewien poziom asymetrii, która negatywnie oddziałuje na odbiorniki trójfazowe powodując np. większy pobór energii oraz zwiększone straty cieplne w uzwojeniach silników, co skraca ich żywotność.
  • spadków napięć – ładowarki o dużej mocy będą powodować spadki napięć w sieci zasilającej, co może powodować szereg problemów z funkcjonowaniem urządzeń w warunkach obniżonego napięcia lub powodować obniżenie ich sprawności działania. Ponadto w skrajnych przypadkach może dojść do przekroczeń dopuszczalnych poziomów napięć określonych przepisami.
  • mocy biernej – ładowarki jako urządzenia przekształtnikowe w większości przypadków generują moc bierną o charakterze pojemnościowym. Ponieważ nadmiar mocy biernej nie jest pożądany, a przekroczenie wartości umownych może powodować podwyższone opłaty, warto kontrolować jej poziom.
  • mocy czynnej – zakładając, że zostały przeprowadzone pomiary zapotrzebowania na moc szczytową przed zainstalowaniem stacji ładowania, warto wykonać ponowne badania po zamontowaniu. Wraz z upływem czasu do sieci mogą być dołączane kolejne odbiorniki, co może spowodować problemy z wydajnością zasilania, o czym było wspomniane wcześniej.
Rys. 3. Przykładowy wykres przebiegu prądu i napięcia ładowarki jednofazowej przy mocy 2,2 kW.

Konkluzja

Elektromobilność może zrewolucjonizować transport drogowy. Ładowarki są cały czas w fazie udoskonalania, aby ich parametry elektryczne były jak najlepsze. Jednak trzeba mieć na uwadze, że niekontrolowany rozrost sieci punktów zasilających auta elektryczne, może zakłócić a nawet zdestabilizować funkcjonującą sieć elektroenergetyczną. Dlatego tak ważne jest dobre planowanie inwestycji oraz monitoring parametrów jakościowych, aby działające ładowarki nie zakłócały pracy innych urządzeń elektrycznych. Między innymi do takich zadań zostały stworzone analizatory jakości zasilania serii PQM, które oczywiście mogą pomóc swoim użytkownikom w rozwiązaniu wielu innych problemów występujących w sieci elektroenergetycznej.

Marcin Szkudniewski

Sonel S.A.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top