Können aktive Leistungsfilter (APF) und statische Var-Generatoren (SVG) bedeutende Lösungen für den schnell wachsenden Markt für Ladesäulen/-stationen für Elektrofahrzeuge bieten?

Können aktive Leistungsfilter (APF) und statische Var-Generatoren (SVG) bedeutende Lösungen für den schnell wachsenden Markt für Ladesäulen/-stationen für Elektrofahrzeuge bieten?

Mit der weltweit steigenden Zahl an Elektrofahrzeugen treten zunehmend Probleme mit der Stromqualität in der Ladeinfrastruktur auf. Als nichtlineare Lasten erzeugen Ladegeräte im Betrieb Oberschwingungsbelastungen und Blindleistungsschwankungen. Dies führt zu Netzspannungsverzerrungen, Geräteüberhitzung und verringerter Energieeffizienz. In schweren Fällen kann dies zu Fehlfunktionen elektrischer Schutzeinrichtungen führen. Aktive Leistungsfilter (APF) Und Statische Var-Generatoren (SVG) Als dynamische Minderungsvorrichtungen können diese Probleme nicht nur effektiv angegangen werden, sondern durch innovative technische Integration auch die Gesamtbetriebskosten senken. Diese Analyse untersucht systematisch den Kernwert dieser beiden Technologien in Ladeeinrichtungen aus technischer Sicht, aus Anwendungslösungen und aus wirtschaftlicher Sicht.

1. Probleme mit der Stromqualität durch EV-Ladegeräte

Ladestationen für Elektrofahrzeuge (insbesondere Bordladegeräte in Wechselstromsäulen) verwenden typischerweise dreiphasige, ungesteuerte Gleichrichtertopologien, deren nichtlineare Eigenschaften zu starken Verzerrungen der Stromwellenform führen. Testdaten zeigen, dass eine einzelne 7-kW-Wechselstromsäule unter Volllast eine Gesamtverzerrung des Stroms (THDi) von 25–35 % erzeugen kann, wobei die 5., 7. und 11. Harmonische dominieren. Beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Säulen kann die Überlagerung harmonischer Ströme die Wicklungen des Verteiltransformators überhitzen, die Alterung der Isolierung beschleunigen und sogar elektrische Brände verursachen.

Gleichzeitig führt die Phasenregelung in Ladegeräten zu Leistungsfaktorschwankungen (PF) zwischen 0,6 und 0,8, die weit unter dem Netzstandard von >0,9 liegen. Messungen einer 10-Säulen-Station zeigen beispielsweise einen durchschnittlichen PF von 0,72 ohne Kompensation, was bedeutet, dass ca. 30 % der Scheinleistung Blindleistung sind. Dies erhöht die Leitungsverluste und verursacht Spannungseinbrüche. Entscheidend ist, dass Oberschwingungsströme, die durch herkömmliche Energiezähler (ausgelegt für Grundwellen) fließen, zu einer Unterberechnung des tatsächlichen Energieverbrauchs um 5 % bis 15 % führen und so die Einnahmen des Betreibers direkt reduzieren.

Tabelle: Typische Probleme mit der Stromqualität in Ladestationen

2. Aktive Leistungsfilterlösungen

Zur Minderung von Oberschwingungen sind integrierte APFs unverzichtbar geworden. Fortschrittliche Designs integrieren H-Brücken-Konverter direkt in Ladetopologien und erreichen so eine „lokale Oberschwingungsbeseitigung“ durch Parallelschaltung nach dem Zähler. Ein 7-kW-Prototyp der Technischen Universität Anhui nutzt eine duale Null-Proportional-Resonanzregelung und reduziert den THDi-Wert auf der Netzseite auf <3 % mit einer Kompensationsgenauigkeit von >95 % für Oberschwingungen unterhalb der 30. Ordnung.

Modulare H-Brücken-APFs bieten erhebliche Vorteile: 50 % geringerer DC-Busspannungsbedarf (650 VDC), 40 % geringere Ausgangsstromwelligkeit und ca. 25 % geringere Schaltverluste. Der Einsatz an einer Busladestation (20 × 120 kW DC-Säulen) zeigte eine Reduzierung des THDi von 29,7 % auf 2,1 %, wodurch 17.000 $/Jahr an vermiedenen Strafen eingespart werden konnten.

Durchbrüche bei Steuerungsalgorithmen verbessern die dynamische Reaktion. Die diskrete Gleitfenster-Fourier-Transformation (DSFT) erkennt Oberwellen innerhalb von 1 ms, während PI + repetitive zusammengesetzte Steuerung eine Übergangsreaktion von <10 ms erreicht – entscheidend für die schrittweisen Profiländerungen beim Laden von Elektrofahrzeugen.

3. Lösungen für statische Var-Generatoren

SVGs regulieren kapazitiven/induktiven Strom über Spannungsquellen-Wechselrichter und reagieren 100-mal schneller (<5 ms) als Kondensatorbatterien. Im koordinierten System von Hunan Electric Power übernehmen Ladegeräte die Leistungsfaktorkorrektur (Bereich ±0,95), während SVGs bei Spannungsspitzen dynamische Blindleistungsunterstützung bieten.

Das zentrale, mehrdimensionale Optimierungsmodell minimiert Konfigurationskosten und Spannungsabweichungen, abhängig vom anfänglichen Ladezustand und den Batterieeigenschaften. Simulationen zeigen, dass SVGs die Spannung bei 8 % Spannungseinbrüchen innerhalb von 0,2 s auf ±2 % des Nennwerts wiederherstellen. Die optimierte SVG-Dimensionierung reduziert die erforderliche Kapazität um 35 % (z. B. 1,2 Mvar gegenüber 2 Mvar bei 30 Stapeln).

Tabelle: SVG-Konfigurationsökonomie

4. Hybridsysteme und Innovationen

Spitzenforschung integriert APF/SVG-Funktionalitäten. Das indische Sreenidhi Institute schlägt einen dreistufigen Hybrid-APF (HAPF) vor, der Oberwellenunterdrückung und Blindleistungskompensation kombiniert und von erneuerbaren Gleichstrombussen gespeist wird. Der Jaya-Grey-Wolf-Hybridalgorithmus (GWJA) reduziert die Spannungsstabilisierungszeit um 50 % und hält den THDi-Wert unter 4 % bei PV-Schwankungen.

Dreistufige T-Wechselrichter zeichnen sich als wichtiger Trend ab und halbieren die Schaltspannungsbelastung – besonders wichtig für das ultraschnelle Laden mit 800 V. Tests an 350-kW-Systemen zeigen einen Wirkungsgrad von 98,2 % – 2,5 % mehr als bei zweistufigen Designs.

5. Techno-ökonomische Analyse

Trotz höherer Vorlaufkosten (20–40 USD/kW) bietet APF/SVG einen überzeugenden ROI:

• Eliminierung von Oberschwingungsverlusten: Spart ca. 120 USD/Jahr pro 7-kW-AC-Stapel
• Weniger Kommunikationsfehler: Wartungskosten um 60 % gesenkt
• PF-Anreizrabatte: 0,5 % Rabatt auf die Stromrechnung für PF>0,95
• Längere Lebensdauer der Ausrüstung: Die Lebensdauer des Transformators erhöht sich um 3–5 Jahre

Für große Stationen (30×120 kW-Pfeile + 1,2 Mvar SVG):

• Vermiedene PF-Strafen: Ersparnis von ca. 3.000 USD/Monat
• Niedrigere Transformatorkosten: 35 % Reduzierung (50.000 $ Ersparnis) durch Downsizing
• Verbesserte Spannungsstabilität: 90 % weniger Ladeunterbrechungen

6. Anwendungsempfehlungen

• Verteilte AC-Pfähle (Wohn-/Gewerbebereich): Eingebauter APF für 7-22 kW-Pfähle
• Zentralisierte Stationen (Busdepots/Autobahnen): „SVG + Clustered APF“ mit einer SVG-Größe von 30–40 % der Gesamtlast
• Kraftwerke mit integrierter erneuerbarer Energie: Dreistufiger HAPF mit GWJA-Optimierung

7. Zukünftige Trends

Wide-Bandgap-Bauelemente (SiC/GaN) ermöglichen höhere Frequenzen (> 50 kHz) und kleinere APF/SVG-Bauelemente (40 % Größenreduzierung) – ideal für Standorte mit beengten Platzverhältnissen. Deep-Reinforcement-Learning-Algorithmen prognostizieren harmonische Trends mit einer Kompensationsgenauigkeit von 99 %.

Neue Standards (z. B. Chinas technische Spezifikation für Stromqualitätsmanagement 2023) schreiben THDi ≤ 5 % und PF ≥ 0,95 vor, wodurch eine nicht verhandelbare Nachfrage nach APF/SVG-Lösungen entsteht.