Harmonische Messung und Analyse beim Laden von Elektrofahrzeugen

1. Einführung

Angesichts des hohen Energieverbrauchs, der Umweltverschmutzung und der steigenden Preise für fossile Brennstoffe sollte die derzeitige Abhängigkeit von der in Fahrzeugen eingesetzten Verbrennungsmotortechnologie (ICE) verringert und der weit verbreitete Einsatz von Elektrofahrzeugen (EVs) als Transportmittel gefördert werden Die Auswahlmöglichkeiten in 20 bis 30 Jahren sollten erweitert werden. Es wird geschätzt, dass die Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen schrittweise zunehmen wird, wobei 35 % im Jahr 2020 prognostiziert werden und bis 2024 50 % erreicht werden [1-2].

Die allgemeine Auswirkung der Verbreitung von Elektrofahrzeugen auf Verteilungssysteme wird ein erheblicher Lastanstieg und ein starker Anstieg der Systemspannung und der harmonischen Verzerrung sein. Ein weiteres Problem, das berücksichtigt werden sollte, ist die Übereinstimmung zwischen der Ladebeginnzeit und der eventuellen Spitzenlastzeit am Abend, die je nach Kunde und Land unterschiedlich ist. Zum Laden benötigen Elektrofahrzeugbatterien Gleichstrom, sodass der Netzwechselstrom vom Batterieladegerät in Gleichstrom umgewandelt wird. Das Ladegerät ist im Grunde ein Gleichrichter/Wechselrichter mit integriertem Controller und Schutzschaltung. Hier besteht Anlass zur Sorge, da der Wechselrichter/Gleichrichter als Oberschwingungsquelle bekannt ist. Eines der Probleme beim Laden von Elektrofahrzeugen ist daher die harmonische Verunreinigung des Stromnetzes.

Es besteht jedoch keine Einigkeit darüber, wie viel Gesamtharmonische Verzerrung (THD) beim Laden an das Netz abgegeben werden darf. In einem der veröffentlichten Berichte wird eine harmonische Gesamtverzerrung (THDi) zwischen 2,36 % und 5,26 % zu Beginn des Ladevorgangs und bis zu 28 % am Ende des Ladevorgangs angegeben. Allerdings soll die gesamte harmonische Spannungsverzerrung (THDv) bei einem Leistungsfaktor nahe eins nur zwischen 1 und 2 % liegen. Bei kommerziellen Ladegeräten liegen die THDi-Werte aus der Messaufzeichnung zwischen 60 % und 70 % [1,3-4].

Die Sorge der Ingenieure und Forscher besteht darin, dass eine große Anzahl von Elektrofahrzeugen gleichzeitig am Stromnetz aufgeladen wird. Wie groß ist die Summe von THD, wenn EV mit Zahlen multipliziert wird? Viele glauben, dass der THD mit der Anzahl der Fahrzeuge zunehmen wird. Es ist jedoch schwierig, einen Bericht zu finden, der dieses Thema behandelt. Darüber hinaus wurden die im vorherigen Absatz angegebenen Werte [3-4] vor mehr als 10 Jahren gemeldet, sodass die Werte nicht die tatsächliche Menge an Oberschwingungen widerspiegeln, die von modernsten Ladegerättechnologien erzeugt werden, die in modernen Elektrofahrzeugen verwendet werden Fahrzeuge.

Die in diesem Artikel beschriebene Studie versucht, die harmonische Verzerrung eines einzelnen Elektrofahrzeugs und einer Gruppe von Elektrofahrzeugen zu untersuchen. Die Messung wurde an einem älteren Elektrofahrzeugtyp und zwei modernen Elektrofahrzeugtypen durchgeführt. Die Ergebnisse der Studie sind hilfreich für das Verständnis des harmonischen Verzerrungsbeitrags von Elektrofahrzeugen, die zum Laden an das Stromnetz angeschlossen sind.

Dieses Papier ist wie folgt aufgebaut. Zunächst wird die EV-Technologie kurz besprochen. Die Grenze der harmonischen Verzerrung wird dann hervorgehoben. Anschließend wird die Messung der Oberschwingungen beim Laden eines einzelnen Fahrzeugs vorgestellt. Abschließend wird die harmonische Verzerrung beim Laden einer Gruppe von Elektrofahrzeugen diskutiert und kommentiert.

2. Elektrofahrzeugtechnologie

Es wird zwei Arten von Elektrofahrzeugen geben, die Probleme im Stromnetz verursachen werden. Der erste Typ ist der Plug-in-Hybrid, bei dem es eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Batterie gibt. Der zweite Typ wird ein vollelektrisches Fahrzeug sein, bei dem dieses Fahrzeug ausschließlich auf die Batterie angewiesen ist. Für beide Arten von Elektrofahrzeugen wird zum Laden Strom aus dem Netz benötigt.

Ein Beispiel für eine typische PHEV-Hardwareanordnung ist in Abbildung 1 dargestellt. Dies gilt für den parallelen PHEV-Typ. Es gibt auch einen Reihen-PHEV-Typ, aber der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der Frage der Netzanbindung, sodass es nicht wichtig ist, ob es sich bei dem Elektrofahrzeug um einen Parallel- oder Reihen-Typ handelt. Bei vollelektrischen Fahrzeugen werden die Komponenten in den hellgrünen gestrichelten Linien nicht benötigt und entfernt, so dass nur Batterien, Ladegerät, leistungselektronischer Antrieb und Antriebselektromotor übrig bleiben.

Wenn das Elektrofahrzeug geladen wird, sind das Ladegerät und die Batterie die einzigen aktiven Komponenten, da sich das Elektrofahrzeug nicht bewegt. Für Netzanbindungsstudien kann das Elektrofahrzeug wie in Abbildung 2 dargestellt elektrisch dargestellt werden. Das Batterieladegerät ist im Grunde ein Gleichrichter, der Wechselstrom vom Netz in Gleichstrom umwandelt, um die Batterie zu laden. Der Gleichrichter ist normalerweise vom aktiven Typ, wenn die leistungselektronischen Geräte zum Schalten von Geräten verwendet werden. In diesem Diagramm sind leistungselektronische Geräte IGBT.

Ladegeräte für Elektrofahrzeuge sind normalerweise vom leitfähigen Typ, obwohl auch der induktive Typ verfügbar ist. Konduktive Ladegeräte verfügen über eine direkte Steckverbindung zum Stromnetz, z. B. über ein Verlängerungskabel, um die Steckdose mit dem Elektrofahrzeug zu verbinden. Induktive Ladegeräte hingegen nutzen magnetische Kopplung als Energieübertragungsmethode. Im Vergleich dieser beiden Typen sind leitfähige Ladegeräte einfacher zu konstruieren, haben einen höheren Wirkungsgrad und erfreuen sich größerer Beliebtheit.

3. Oberwellenverzerrungsgrenze

Oberwellenverzerrungen haben schädliche Auswirkungen auf elektrische Geräte im Stromnetz. Der Schweregrad der Harmonischen wird durch den Prozentsatz der gesamten harmonischen Spannungsverzerrung bestimmt. Als harmonische Spannung wird eine Sinusspannung bezeichnet, deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz der 50/60-Hz-Versorgung entspricht. Die gesamte harmonische Verzerrung wird wie folgt berechnet [7]:

In Malaysia hat das größte Versorgungsunternehmen, Tenaga Nasional Berhad, einen Grenzwert für die gesamte harmonische Spannungsverzerrung entsprechend dem Spannungspegel festgelegt, wie in Tabelle 1 aufgeführt. Für Strom gibt es keinen Verzerrungsgrenzwert.

4. Harmonische Messung

Es wurden einige Feldmessungen durchgeführt, um die Oberschwingungen beim Laden von Elektrofahrzeugen zu untersuchen. Die Messung erfolgt mit einem Fluke-Netzqualitätsmessgerät. Das Bild des Messgeräts ist in Abbildung 3 dargestellt. Das Messgerät kann die Spannungs- und Stromwellenformen direkt in Echtzeit anzeigen. Darüber hinaus können die Messdaten zur weiteren Analyse im Speicher des Messgeräts gespeichert werden.

Für einzelne Harmonische werden drei Arten von Elektrofahrzeugen verglichen. Der erste Typ von Elektrofahrzeugen ist ein kommerzieller Typ moderner Elektrofahrzeuge (EV1). Der zweite Typ ist ein moderner EV-Prototyp (EV2). Der dritte Typ ist ein Golfwagen. Aufgrund geheimer und sensibler Themen werden die Namen der Hersteller und Marken dieser Elektrofahrzeuge nicht bekannt gegeben.

Abbildung 4 zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen von EV 1. Abbildungen 5 und 6 zeigen THDv bzw. THDi für EV 1. THDv und THDi betragen nach der Analyse 1,5 % bzw. 11,6 %. Für EV 2 sind die Spannungs- und Stromwellenform in Abbildung 7 dargestellt. THDv und THDi für EV 2 betragen 1,2 % (Abbildung 8) bzw. 9,2 % (Abbildung 9). Abbildung 10 zeigt die Spannungs- und Stromwellenform für den Golfwagen. Die Abbildungen 11 und 12 zeigen THDv und THDi für den Golfwagen, die 1,1 % bzw. 34,4 % betragen.

Die Messergebnisse zeigen, dass der THDi von Ladegeräten bei modernen Elektrofahrzeugen niedrig ist, aber bei THDv verursachen moderne Elektrofahrzeuge eine höhere Verzerrung. Der geringere THDv des Golfwagens kann durch die geringere Stromstärke erklärt werden, die während des Ladevorgangs aufgenommen wird. Obwohl der THDi bei modernen Elektrofahrzeugen niedriger ist, ist der THDv höher als beim Golfwagen gemessen. Dies liegt an der höheren Stromaufnahme moderner Elektrofahrzeuge.

5. Harmonisch aus einer Gruppe von EVs

Im vorherigen Abschnitt wurde der THDv, gemessen an einem einzelnen EV, vorgestellt. Der aufgezeichnete Wert lag unter dem vom Energieversorger festgelegten Grenzwert. Bedenken hinsichtlich der Oberschwingungen bestehen jedoch, wenn mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig zum Laden an das Netz angeschlossen sind. Viele Ingenieure gingen davon aus, dass die Summe des THD einer Gruppe von Elektrofahrzeugen linear zur Summe der Elektrofahrzeuge ist. Um die Antwort herauszufinden, wird eine Messung durchgeführt, um den THD einer Gruppe von Elektrofahrzeugen zu messen.

In Malaysia sind moderne Elektrofahrzeuge noch nicht kommerzialisiert, daher kann die Studie nicht an kommerziellen Elektrofahrzeugen durchgeführt werden. Es stehen jedoch viele Golfwagen zur Verfügung, die im Arbeitszimmer genutzt werden können. Die Ergebnisse stellen nicht die moderne EV-Oberwelle dar, sondern das Hauptziel besteht darin, die Summe des THD eines einzelnen EV und einer Gruppe von EVs zu untersuchen. Im vorherigen Abschnitt wurde der THDv, gemessen an einem einzelnen EV, vorgestellt. Der aufgezeichnete Wert lag unter dem vom Energieversorger festgelegten Grenzwert. Bedenken hinsichtlich der Oberschwingungen bestehen jedoch, wenn mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig zum Laden an das Netz angeschlossen sind. Viele Ingenieure gingen davon aus, dass die Summe des THD einer Gruppe von Elektrofahrzeugen linear zur Summe der Elektrofahrzeuge ist. Um die Antwort herauszufinden, wird eine Messung durchgeführt, um den THD einer Gruppe von Elektrofahrzeugen zu messen.

Die Messung wurde in einem Golfclub der Universiti Kebangsaan Malaysia durchgeführt. Die Messung wurde an einem Werktag durchgeführt. An diesem Tag regnete es vom frühen Morgen bis 10:00 Uhr. Aber die Golfaktivitäten waren aktiv und alle Golfwagen verließen die Ladestation um 9.00 Uhr. Der erste Golfwagen kehrte nach 11 Uhr zur Ladestation zurück. Die Zeit, die Anzahl der Fahrzeuge und die Leitung, an der sie angeschlossen sind, sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die gemessenen Größen sind die harmonische Verzerrung von Spannung und Strom. Die Messdaten wurden zunächst im Stundentakt bis 18:00 Uhr aufgezeichnet. Ab 19:00 Uhr kamen die Golfwagen häufiger an, sodass die Messung alle 15 Minuten durchgeführt wurde.

Die Daten werden durch ein Diagramm visualisiert, wie in Abbildung 14 für THDv und Abbildung 15 für THDi dargestellt. Anstelle der Zeit wird für die X-Achse die Anzahl der Fahrzeuge verwendet, um das Verbrauchsmuster dieser Elektrofahrzeuge zu erleichtern. Die Linie, an der diese Golfwagen angeschlossen sind, wurde ebenfalls identifiziert. Ab 18:30 Uhr (18:30 Uhr), wenn die Golfer beginnen, den Golfwagen zum Abholpunkt zurückzubringen, beginnt der Verbrauch deutlich zu steigen.

Der THD wird auch sowohl für Spannung als auch für Strom gemessen, wie in den Abbildungen 14 und 15 dargestellt. Obwohl der THDv für jedes einzelne Fahrzeug bei 1,1 % gemessen wurde, beträgt der Wert beim PCC nur 0,7 % für ein Fahrzeug. Mit der Zunahme der angeschlossenen Fahrzeuge steigt der THDv stetig an. Für acht Fahrzeuge auf L1 beträgt der aufgezeichnete THDv nur 1,9 %.

Für den THDi eines Fahrzeugs wird ein THDi von 34,4 % erfasst, beim PCC liegt der THDi jedoch bei 47,8 %. Mit der Erhöhung der Golfwagen-Aufladung sinkt der THDi-Wert am PCC bei 3 Fahrzeugen auf 16,6 %, steigt aber bei 12 Fahrzeugen wieder an. Überraschenderweise erhöht sich THDi nicht wesentlich, wenn die Anzahl der Fahrzeuge auf L1 von 16 auf 22 steigt.

6. Fazit

In diesem Artikel wird die Untersuchung und Analyse der Oberschwingungsmessung beim Laden von Elektrofahrzeugen vorgestellt. Die Messung wird an Golfwagen und zwei modernen Elektrofahrzeugtypen durchgeführt. Das Messergebnis zeigt, dass moderne Elektrofahrzeuge einen geringeren THDi ausstoßen als ein Golfwagen, was zu erwarten ist. Leider verursachen moderne Elektrofahrzeuge bei THDv einen höheren Prozentsatz an Verzerrungen. Für eine Gruppe von EV-Ladevorgängen wurde festgestellt, dass der THD für Spannung und Strom nicht die direkte Summe des THD eines einzelnen Fahrzeugs ist. Die Ergebnisse der Studie sind hilfreich für das Verständnis des harmonischen Verzerrungsbeitrags von Elektrofahrzeugen, die zum Laden an das Netz angeschlossen sind.

7. Integration des Active Harmonic Filter von YT Electric

Um die durch das Laden von Elektrofahrzeugen verursachte harmonische Verzerrung zu mildern, wurde der aktive harmonische Filter von YT Electric verwendetlässt sich effektiv in das elektrische System integrieren. Dieser fortschrittliche Filter überwacht und kompensiert aktiv die Oberschwingungsströme in Echtzeit und stellt so sicher, dass die THDi- und THDv-Pegel innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden. Durch die dynamische Anpassung an die variierenden Oberschwingungslasten trägt der aktive Oberschwingungsfilter zur Aufrechterhaltung der Stromqualität bei und schützt die elektrische Infrastruktur vor möglichen Schäden durch Oberschwingungen.

Der Integrationsprozess umfasst den Anschluss des aktiven Oberschwingungsfilters an den Punkt der gemeinsamen Kopplung (PCC), an dem die Ladegeräte für Elektrofahrzeuge angeschlossen sind. Der Filter analysiert kontinuierlich den Oberwellengehalt des elektrischen Systems und injiziert Ausgleichsströme, um die Oberwellen zu neutralisieren. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung von THDi und THDv und verbessert die allgemeine Stromqualität und Zuverlässigkeit des Netzes.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einbau des Active Harmonic Filter von YT Electric eine robuste Lösung für die Herausforderungen bietet, die durch harmonische Verzerrungen beim Laden von Elektrofahrzeugen entstehen. Es sorgt dafür, dass das Stromnetz auch bei zunehmender Verbreitung von Elektrofahrzeugen stabil und effizient bleibt.