Możliwość dwukierunkowej wymiany energii elektrycznej pomiędzy pojazdem elektrycznym, a siecią elektroenergetyczną (budynkiem) to przede wszystkim interesująca funkcjonalność. W niniejszym artykule inż. Tomasza Ziółka można zapoznać się ze sprawozdaniem z badań V2G pod kątem ewentualnego pogorszenia jakości energii elektrycznej w sieci nN

W dobie rozwoju i dominacji urządzeń elektronicznych szczególnie ważne jest, aby jakość energii dostarczanej do odbiorców była jak najwyższa. Obniżona jakość energii ma niekorzystny, a nawet niszczycielski wpływ na mikroprocesory, zasobniki pamięci czy kondensatory znajdujące się w każdym urządzeniu elektronicznym, z którego korzystamy. Paradoksalnie im więcej podłączonych do sieci urządzeń elektronicznych, które do niezawodnego działania wymagają wysokiej jakości energii, tym jej parametry bardziej się pogarszają. Czym to jest spowodowane?

Skupiając się wyłącznie na przyczynach powstałych u odbiorców, można stwierdzić, że pogorszenie jakości energii wynika z nieliniowej zależności między wartością pobieranego prądu, a wartością napięcia chwilowego. Impulsowy pobór prądu powoduje zniekształcenia napięcia sinusoidalnego dostarczanego do odbiorników.

Czy powinniśmy się zatem obawiać wzrostu liczby stacji ładowania pojazdów, które przetwarzają energię elektryczną? Jaki wpływ na jakość energii z której korzystamy w domu może mieć trójfazowy układ zdolny ładować (G2V) i rozładowywać (V2G) baterię trakcyjną pojazdu (10,7 kWh) z mocą 6,9 kW?

W niniejszym artykule zaprezentowane zostaną wyniki badań przeprowadzone w 2015 roku w Instytucie Fraunhofera IFF, które pomogą udzielić odpowiedzi ma powyższe pytania.

Na początku należy zaznaczyć, że jakość energii wyraża się kilkoma parametrami. Badając pracę układu skupiono się na następujących parametrach opisanych przez polskie normy:

1. Zmiany wartości skutecznej napięcia zasilającego (PN-EN 61000 3-3)
2. Harmoniczne napięcia zasilającego (PN-EN 50160)
3. Emisja harmonicznych prądu (PN-EN 61000-3-2)

Pominięto kwestie na które odbiorcy energii elektrycznej nie mają wpływu (np. częstość i długość braku dostaw energii, co także zalicza się do oceny jakości).

Badany układ zarządzający przepływem energii między siecią niskiego napięcia, a zmodyfikowaną baterią samochodu elektrycznego SAM Re-Volt pracował w sieci 230/400 V w układzie trójfazowym połączonym w gwiazdę. Ze względu na symetrię obciążenia wynikającą z konfiguracji pracy układu, zaprezentowano wyniki badania dla jednej z faz.

Rys. 1. Schemat połączeń badanego układu

Rys. 2. Fotografia stanowiska wraz z wyposażeniem, na którym wykonywano badania

Badania wykonywano zmieniając co 45 sekund wartość zadawanej mocy z którą rozładowywano i ładowano baterię. Każdorazowa zmiana mocy wynosiła około 230 W (10% z 2300 W na fazę). Wyniki omówiono na podstawie pomiarów zarejestrowanych w trakcie jednej serii badań.

Rys. 3. Wykres mocy czynnej zadawanej w trakcie badań. Kolorem czerwonym oznaczono okres rozładowywania baterii, żółtym stan jałowy, zielonym okres ładowania baterii

Wpływ pracy układu na harmoniczne prądu

Pracę układu przetestowano pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej. Sprawdzono zgodność wyników pomiarów z normą PN-EN 61000-3-2 (poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu; prąd fazowy odbiornika ≤ 16 A). Według normy badany układ należy przyporządkować do klasy A urządzeń elektrycznych (symetryczny sprzęt trójfazowy). Dla klasy A dopuszczalne harmoniczne w prądzie kształtują się zgodnie z wartościami podanymi w Tab. 1.

Rys. 4. Wykres wartości harmonicznych prądu występujących w trakcie badań

W stanie ustalonym największa harmoniczna jest rzędu 2. Jej wartość wynosi 0,31 A i jest mniejsza od dopuszczalnego 1,08 A. Wartość harmonicznych 2, 3, 7, 11, 13 rosną wraz ze wzrostem zadawanej mocy rozładowania. W trakcie oddawania energii do sieci mają one większą wartość niż podczas ładowania baterii. Jest to skutkiem generowania sygnałów sinusoidalnych przez przekształtnik AC/DC (prąd wyjściowy ma kształt zbliżony do sinusoidy, występują w nim harmoniczne). Harmoniczne pozostałych rzędów pozostawały w trakcie badań na zbliżonym, pomijalnym poziomie.

Wartość żadnej harmonicznej nie przekraczała dopuszczalnej wartości zarówno podczas ładowania, jak i rozładowania.

Wpływ pracy układu na wartość napięcia

Kolejną normą, z którą sprawdzono kompatybilność pracy układu jest PN-EN 61000-3-3 (ograniczenie zmian napięcia w publicznych sieciach zasilających niskiego napięcia powodowanych przez odbiorniki o fazowym prądzie znamionowym ≤ 16 A).

Według normy ustalona względna zmiana napięcia d_Uc nie powinna przekroczyć 3,3%.

(1.1)

ΔU_c – różnica pomiędzy szczytową ustaloną wartością napięcia na zaciskach odbiornika a napięciem znamionowym sieci U_n.

Rys. 5. Wykres zmian napięcia w trakcie badań. Kolorem czerwonym oznaczono okres rozładowywania baterii, żółtym stan jałowy, zielonym okres ładowania baterii

Na Rys. 5 jako 1 zaznaczono fragment wykresu, gdzie wartość napięcia w sieci jest największa (oddawanie energii do sieci z mocą 2,3 kW / fazę). Jako 2 zaznaczono stan jałowy (moc = 0 W), a jako 3 wartość napięcia w trakcie ładowania baterii mocą 2,3 kW / fazę.

(1.2)

We wzorze 1.2 zastosowano dwa różne poziomy napięć ustalonych (jeden dla procesu ładowania, drugi dla rozładowywania baterii). W obu konfiguracjach dopuszczalny próg 3,3% zmiany napięcia nie został przekroczony. Zakładając liniową zmianę napięcia w funkcji zadawanej mocy, można przyjąć że wykorzystywane złącze może przyjmować 5,1 kW, a oddawać 4,24 kW na fazę.

Wpływ pracy układu na harmoniczne napięcia

Norma PN-EN 50160 dopuszcza maksymalne zniekształcenie napięcia dostarczanego do odbiorców energii elektrycznej na poziomie 8%.

(1.3)

Sprawdzono czy działanie terminala zmienia wartość THD_u powodując pogarszanie jakości napięcia zasilającego inne urządzenia podłączone do sieci.

Rys. 6 Wykres zmian THDu w trakcie wykonywania badań

Wynik jest jednoznaczny. Wartość THD_u oscylowała stale wokół 1%, co oznacza że praca badanego układu nie miała na nią znaczącego wpływu. Można zatem przyjąć, że praca przekształtnika realizującego w myśl koncepcji V2G i G2V dwukierunkowy przesył energii między samochodem elektrycznym a siecią nie wpływa negatywnie na pracę pozostałych urządzeń ani w trakcie ładowania baterii ani w trakcie oddawania energii do sieci.

Sprawność wymiany energii między siecią a baterią

Na podstawie wyników badań opisanych w artykule sporządzono przedstawione na Rys. 7 wykresy mocy czynnej zmierzone po stronie sieci i baterii. Linie mocy nie pokrywają się ze sobą, co oznacza, że część mocy w układzie jest tracona. W trakcie pracy temperatura falowników wewnątrz obudowy wzrosła do 50°C, co było z związane z przetwarzaniem części pobieranej mocy w ciepło.

Rys. 7. Wykres zależności między mocą czynną po stronie sieci (PL1) i baterii (Pvs)

Sprawność układu dla zadanych wartości prądu obliczono wg wzoru:

(1.4)

Sprawność przenoszenia energii między baterią a siecią w zależności od trybu pracy oraz zadanego prądu została podana w Tab. 3.

Z obliczeń wynika, że sprawność procesu oddawania energii do sieci była nieco wyższa od procesu ładowania baterii. Największą sprawność ładowania baterii osiągnięto zadając wartość prądu 9 A, a rozładowywania 5 A.

Na podstawie wartości z Tab. 3 wyznaczono charakterystyki sprawności w funkcji przenoszonej mocy (Rys. 9).

Sprawność dwukierunkowej wymiany energii między baterią a siecią opisuje poniższy wzór:

(1.5)

Oznacza to, że magazynowanie energii i następnie oddawanie jej do sieci z użyciem badanego wyposażenia jest związane ze stratą co najmniej 15,4% energii. Dodatkowo należy uwzględnić straty związane ze stopniem sprawności energetycznej baterii.

Podsumowanie wyników

Na podstawie przedstawionych wyników można stwierdzić niewielki wpływ trójfazowego ładowania pojazdów mocą kilku kilowatów na jakość energii w sieci niskiego napięcia. Stwierdzono kompatybilność pracy układu z normami PN-EN 61000-3-2, PN-EN 50160, PN-EN 61000 3-3.

Moc kilkunastu kilowatów także nie powinna nastręczać problemów. Zarówno pobieranie jak i oddawanie energii do sieci (w myśl koncepcji V2G i G2V) nie wiąże się w zauważalny sposób z pogorszeniem parametrów, choć wyniki pomiarów mogą różnić się w zależności od klasy zastosowanych urządzeń, odległości stacji ładowania od miejsca zasilania oraz od wartości mocy przyłączonego źródła energii elektrycznej.

Należy mieć na uwadze, że w przyszłości przyłączenie np. kilku parkingowych ładowarek dużej mocy do jednej stacji transformatorowej może wymagać zastosowania aparatów kondycjonujących energię.

Moc stacji ładowania aut elektrycznych oferowanych na rynku rośnie ze względu na potrzebę skracania czasu ładowania samochodów elektrycznych oraz stosowane w nich coraz większe pakiety akumulatorów. Dotychczas nie miało miejsca używanie na masową skalę przekształtników energoelektronicznych, które na jednym parkingu/ulicy ładowałyby auta z mocą powyżej 100 kW. Dlatego patrząc w przyszłość należy zacząć przygotowywać się na proces integracji systemu elektroenergetycznego z samochodami elektrycznymi, które będą pełnić istotną rolę w magazynowaniu i przetwarzaniu energii elektrycznej z sieci.

Osobnym istotnym zagadnieniem V2G jest sprawność przechowania i ponownego użycia energii poniżej 85% oraz zużycia akumulatorów pojazdu.

inż. Tomasz Ziółek