Problémy s kvalitou elektrické energie související s nabíjením elektromobilů

Problémy s kvalitou elektrické energie zahrnují harmonické zkreslení a odchylky napětí, které mohou přetížit součásti rozvodné soustavy, pokud není řádně navržená tak, aby tyto problémy zmírňovala. Jejich účinky budou přesto silně záviset na různých faktorech, jako je místo nabíjení a kapacita transformátorů a vedení.

Elektrická energie je dodávána s napětím a proudem. Odpovědnost za vše, co se týká kvality napětí elektrické sítě, nese její provozovatel, odpovědnost za vše, co má co dělat s proudem, nese výrobce výrobku. Když je rušení v proudu dostatečně vysoké, může mít vliv na napětí v elektrické síti. Z tohoto důvodu provozovatelé sítí testují účinky elektrických vozidel na kvalitu elektrické energie a zjišťují budoucí dopady. Nabíjení elektrických vozidel musí vyhovovat alespoň úrovním harmonických kmitů a napětí tak, jak jsou vymezeny stávajícími normami ČSN EN 50160 ed. 3 a ČSN EN 61000-3-2 ed. 4.

Výrobek (proud, odpovědnost výrobce)

• Jalový proud: V elektrickém vozidle se energie akumuluje v akumulátoru stejnosměrného proudu, střídavý proud energie z elektrické sítě je tudíž nutné převést na stejnosměrný proud pro akumulátor. Obecné pravidlo pro měniče proudu je, že hodnota cos φ není nižší než 0,95, aby se zamezilo neefektivním tokům jalového výkonu. Čím nižší je hodnota cos φ, tím vyšší je množství jalového proudu. Jalový proud je nutné zmírňovat, protože jej nelze použít k dodávání výkonu, ale je nutné jej přepravovat v elektrické síti (což způsobuje (tepelné) ztráty a snižuje životnost zařízení).
• Harmonické proudy: Převod střídavého proudu energie (energie v síti) na stejnosměrný proud (energie v akumulátoru) může způsobit harmonické proudy. Tento typ zkreslení má za následek rozvádění vícenásobných sinusových vln o kmitočtech větších než 50 Hz po sinusové vlně proudu 50 Hz. Čím vyšší je kmitočet těchto harmonických kmitů, tím jsou náročnější na energii a tím více tepla vytvářejí v součástech. Může se tím snížit životnost aktiv v elektrické síti, součásti, jako jsou například proudové chrániče (RCD), se mohou zahřívat a začít „hvízdat“ a (pokud jsou dostatečně silné) mohou ovlivnit napětí v elektrické síti (za což nese odpovědnost distributor elektrické energie, dále jen DSO). Pásmo A dle ČSN EN 50065-1 ed. 2 musí být vyhrazeno pro účely komunikace DSO v sítích nízkého napětí a při kmitočtech od 3 kHz do 148,5 kHz.
• Zapínací proud: Některá elektrická vozidla jsou známá tím, že na začátku procesu nabíjení odebírají po dobu několika milisekund velká množství proudu. Pokud zapínací proud překročí kapacitu přípojky DSO, nese výrobce odpovědnost za jakékoliv problémy, které by to mohlo způsobit. Pokud to způsobí problémy s napětím, může DSO požadovat k jejich vyřešení soft startér.

Elektrická síť (napětí, odpovědnost má DSO)

• Pomalé změny napětí: Tolerance napětí mohou kolísat v rozmezí +/- 10 % (207–253 V). Měří se podle desetiminutových průměrných hodnot za týden. V závislosti na úrovni impedance v elektrické síti (čím nižší, tím lepší) může vysoký proud snížit napětí. V obytných oblastech se to obecně stává na jedné fázi elektrické sítě, dochází k tzv. nerovnováze nebo asymetrii fáze. Může to být způsobeno nebo zvýšeno nabíjením více elektrických vozidel na určité jedné fázi elektrické sítě (většina z běžných stávajících elektrických vozidel má obvykle pouze jednofázové provedení).
• Rychlé změny napětí: Požadavek na proud nesmí mít za následek pokles napětí o více než 3 % jmenovitého napětí na elektrické síti nízkého napětí a středního napětí.
• Harmonické zkreslení napětí: Když jsou harmonické kmity proudu dostatečně vysoké a/nebo když je impedance v elektrické síti dostatečně vysoká, mohou mít harmonické kmity v proudu znatelný účinek na napětí v elektrické síti. Harmonické kmity v napětí mohou vést k tomu, že (spotřební) elektronika se bude chovat podivně nebo se dokonce porouchá.

Elektrická síť (kmitočet, odpovědnost má operátor přenosové soustavy, dále jen TSO)

• Stabilita kmitočtu: TSO nesou odpovědnost za vyvážení nabídky elektrické energie s poptávkou minutu za minutou. Vysoká poptávka po souběžném nabíjení elektrických vozidel by mohla vyžadovat rychlý lineární růst výkonu generátorů, které mohou překročit současné kapacity elektrické sítě.

Dopady ultrarychlého nabíjení na kvalitu elektrické energie

Ultrarychlé nabíjení znamená nabíjení rychlostmi s výkonem 350 kW a vyšším. Ultrarychlé nabíjení je určeno pro rychlé nabíjení elektrických vozidel, včetně elektromobilů, nákladních elektromobilů a elektrobusů. V případě autobusů se nejextrémnější rychlosti nabíjení předpokládají při příležitostném nabíjení, kdy se rychle zvýší energie v autobuse na autobusové zastávce. Vzhledem k náhlému a vysokému požadavku na energii bude mít ultrarychlé nabíjení možná znatelný dopad na kvalitu elektrické energie (v závislosti na struktuře elektrické sítě). Tyto nabíječky by nicméně měly být připojeny přímo k napájecím stanicím se středním nebo nízkým napětím nebo v jejich blízkosti.

Asymetrické nabíjení

Asymetrické nabíjení je způsobeno nerovnováhou fáze, což může být problematické pro zátěže fází, kde se předpokládají stejná fázová napětí. Zkušenosti z projektu GRID4EU a společnosti ČEZ Distribuce ukazují následující problémy s kvalitou elektrické energie v elektrických sítích nízkého napětí, které mohou vzniknout v důsledku asymetrického nabíjení elektrických vozidel.

• Většina stávajících elektrických vozidel je vybavena možností nabíjení stejnosměrným a střídavým proudem.
• Nabíjení stejnosměrným proudem se obvykle používá pro nabíjení vysokým výkonem (výkon nad 22 kW). Konektory stanic pro nabíjení stejnosměrným proudem jsou obvykle napájeny symetricky třemi fázemi na straně střídavého napětí nabíjecí stanice.
• Stanice pro nabíjení střídavým proudem jsou obvykle vybaveny jednofázovou zásuvkou 230 V, domácí zásuvkou 16 A nebo zásuvkou Schuko (max. výkon 3,7 kVA) nebo třífázovými konektory Mennekes na střídavý proud (obvykle s nabíjecím výkonem 11 kW (16 A, třífázové), 22 kW (32 A, třífázové) nebo 43 kW (63 A, třífázové).

Interní nabíječky pro nabíjení střídavým proudem ve většině stávajících elektrických vozidel však mají obvykle pouze jednofázové nebo dvoufázové provedení, což znamená, že elektrická vozidla nejsou schopna využít celý potenciál nabíjecích stanic, čímž se může ztrojnásobit doba nabíjení. Kromě toho, jednofázové provedení interních nabíječek pro nabíjení střídavým proudem znamená zvýšenou nerovnováhu či asymetrii napětí v rozvodných soustavách a vzhledem k nutnosti posílení rozvodných sítí i riziko vyšších nákladů pro DSO. V případě nabíjení více elektrických vozidel z nabíjecích stanic pro nabíjení střídavým napětím ze stejné jedné fáze současně by v mnoha případech mohlo dojít k porušení normy pro kvalitu elektrické energie ČSN EN 50160 ed. 3. Na druhé straně, symetrické třífázové nabíjení elektrických vozidel snižuje riziko nerovnováhy napětí. Jiná technická řešení zahrnují použití fázových vodičů?
Podobné problémy s nerovnováhou napětí mohou být způsobeny také asymetrickým nabíjením třífázových interních nabíječek pro nabíjení střídavým proudem v elektrických vozidlech v důsledku softwarového řízení nabíječky. V současnosti zahrnují stávající modely elektrických vozidel, které umožňují třífázové nabíjení střídavým proudem, model Tesla Model S (dvojité nabíječky mají výkon 16 kW nebo 22 kW) a Renault Zoe (22 kW nebo 44 kW).
Protože se předpokládá, že rozdíl v ceně jednofázových a symetrických třífázových interních nabíječek pro nabíjení střídavým proudem je minimální, důrazně se doporučuje navrhovat budoucí elektrická vozidla se symetrickými třífázovými interními nabíječkami pro nabíjení střídavým proudem v případě, že interní nabíječka pro nabíjení střídavým proudem přenáší výkon vyšší než 3,7 kVA. Mohou se tak významně snížit náklady na rozmístění nabíjecí infrastruktury připojené k elektrickým sítím DSO a zvýší se přínos pro řidiče elektrických vozidel v podobě využívání mnohem rychlejšího nabíjení elektrických vozidel. Provozovatelé nabíjecí infrastruktury mohou také v důsledku vyššího nabíjecího výkonu poskytovaného třífázovou nabíječkou pro nabíjení střídavým proudem umožnit souběžné nabíjení více elektrických vozidel.

Zdroj: European Distribution System Operators for Smart Grids