1. Introducción
A la luz del alto uso de energía, la contaminación ambiental y el aumento de los precios de los combustibles fósiles, se debe reducir la dependencia actual de la tecnología de motor de combustión interna (ICE) empleada en los vehículos, y se debe reducir el uso generalizado de vehículos eléctricos (EV) como medio de transporte. dentro de 20 o 30 años habrá que aumentar las posibilidades de elección. Se estima que la penetración de vehículos eléctricos aumentará gradualmente: se proyecta un 35 % en 2020 y alcanzará el 50 % en 2024 [1-2].
El efecto general en los sistemas de distribución causado por la proliferación de vehículos eléctricos será un aumento sustancial de la carga y un gran incremento del voltaje del sistema y la distorsión armónica. Otra cuestión que se debe considerar es la coincidencia entre la hora de inicio de la carga y el eventual período pico de carga por la tarde, que varía según el cliente y el país. Para cargar, las baterías de vehículos eléctricos necesitan corriente CC, por lo que el cargador de batería convertirá la corriente CA de la red en CC. El cargador es básicamente el rectificador/inversor con un controlador integrado con un circuito de protección. Aquí es donde surge la preocupación porque el inversor/rectificador se conoce como fuente de armónicos. Entonces, una de las preocupaciones con la carga de vehículos eléctricos es la contaminación armónica de la red eléctrica.
Sin embargo, no hay acuerdo sobre en qué medida la distorsión armónica total (THD) puede liberarse a la red durante la carga. En uno de los informes publicados, la distorsión armónica actual total (THDi) se informa entre 2,36% y 5,26% al comienzo de la carga y alcanza hasta el 28% al final de la carga. Sin embargo, se afirma que la distorsión armónica de voltaje total (THDv) solo oscila entre 1 y 2% con un factor de potencia cercano a la unidad. Para cargadores comerciales, el THDi de los valores de registro de mediciones está entre 60% y 70% [1,3-4].
La preocupación de los ingenieros e investigadores es cuando una gran cantidad de vehículos eléctricos se cargan simultáneamente en la red del sistema eléctrico. ¿Cuál es la suma de THD cuando EV se multiplica en números? Muchos creen que el THD aumentará con el número de vehículos. Sin embargo, es difícil encontrar un informe que analice esta cuestión. Además, los valores indicados en el párrafo anterior fueron reportados [3-4] hace más de 10 años, por lo que los valores no representan la cantidad real de armónicos generados por las tecnologías de carga de última generación que se utilizan en los sistemas eléctricos modernos. vehículos.
El estudio presentado en este artículo intenta investigar la distorsión armónica de un solo vehículo eléctrico y un grupo de vehículos eléctricos. La medición se realizó en un tipo de vehículo eléctrico más antiguo y dos tipos de vehículos eléctricos modernos. Los resultados del estudio son útiles para comprender la contribución de la distorsión armónica de los vehículos eléctricos conectados a la red para su carga.
Este documento está organizado de la siguiente manera. En primer lugar, se analiza brevemente la tecnología de los vehículos eléctricos. A continuación se resalta el límite de distorsión armónica. Luego se presenta la medición de armónicos durante la carga de un solo vehículo. Finalmente, se discute y comenta la distorsión armónica durante la carga de un grupo de vehículos eléctricos.
2. Tecnología de vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos que se verán creando problemas en la red del sistema eléctrico serán de dos tipos. El primer tipo es el híbrido enchufable, donde hay una combinación de motor de combustión interna y batería. El segundo tipo será un vehículo totalmente eléctrico, donde este vehículo depende únicamente de la batería. Para ambos tipos de vehículos eléctricos, se necesita energía eléctrica de la red para cargar.
En la Figura 1 se muestra un ejemplo de una disposición de hardware típica de PHEV. Esto es para el tipo paralelo de PHEV. También existe un tipo de PHEV en serie, pero el enfoque de este artículo está en el tema de la conexión a la red, por lo que no es importante si el EV es de tipo paralelo o en serie. Para los vehículos totalmente eléctricos, los componentes en las líneas de guiones de color verde claro no son necesarios y se retiran, dejando solo las baterías, el cargador, el accionamiento electrónico de potencia y el motor eléctrico de propulsión.
Cuando el vehículo eléctrico se está cargando, los únicos componentes activos son el cargador y la batería porque el vehículo eléctrico no se mueve. Para estudios de interfaz de red, el vehículo eléctrico se puede representar eléctricamente como se muestra en la Figura 2. El cargador de batería es básicamente un rectificador que convierte la corriente alterna de la red en corriente continua para cargar la batería. El rectificador es normalmente del tipo activo donde los dispositivos electrónicos de potencia se emplean para dispositivos de conmutación. En este diagrama, los dispositivos electrónicos de potencia son IGBT.
Los cargadores de vehículos eléctricos normalmente son del tipo conductor, aunque el tipo inductivo está disponible. Los cargadores conductivos tienen una conexión directa al suministro, por ejemplo, usando un cable de alimentación de extensión para enchufarlo desde el tomacorriente de pared al vehículo eléctrico. Los cargadores inductivos, por otro lado, utilizan el acoplamiento magnético como modo de transferencia de energía. Comparando estos dos tipos, los cargadores conductivos son más simples de diseñar, tienen mayor eficiencia y son más populares.
3. Límite de distorsión armónica
La distorsión armónica tiene efectos perjudiciales en los equipos eléctricos dentro del sistema de energía. La severidad de los armónicos está determinada por el porcentaje de distorsión de voltaje armónico total. La tensión armónica se denomina tensión sinusoidal que tiene una frecuencia igual a un múltiplo entero de la frecuencia fundamental del suministro de 50/60 Hz. La distorsión armónica total se calcula de la siguiente manera [7]:
En Malasia, la principal empresa de servicios públicos, Tenaga Nasional Berhad, ha establecido un límite en la distorsión armónica total de voltaje según el nivel de voltaje tal como se tabula en la Tabla 1. Para la corriente, no hay ningún límite de distorsión establecido.
4. Medición armónica
Se realizaron algunas actividades de medición de campo para investigar los armónicos durante la carga de vehículos eléctricos. La medición se realiza utilizando un medidor de calidad eléctrica de Fluke. La imagen del medidor se muestra en la Figura 3. El medidor tiene la capacidad de mostrar directamente las formas de onda de voltaje y corriente en tiempo real. Además, los datos de medición se pueden guardar en la memoria del medidor para su posterior análisis.
Para armónicos individuales, se comparan tres tipos de vehículos eléctricos. El primer tipo de vehículo eléctrico es un tipo comercial de vehículo eléctrico moderno (EV1). El segundo tipo es un prototipo de vehículo eléctrico moderno (EV2). El tercer tipo es un carrito de golf. Debido a cuestiones clasificadas y delicadas, los nombres de los fabricantes y las marcas de estos vehículos eléctricos no se divulgan.
La Figura 4 muestra las formas de onda de voltaje y corriente del EV 1. Las Figuras 5 y 6 muestran THDv y THDi para EV 1 respectivamente. THDv y THDi después del análisis son 1,5% y 11,6% respectivamente. Para EV 2, la forma de onda de voltaje y corriente se muestra en la Figura 7. THDv y THDi para EV 2 son 1,2 % (Figura 8) y 9,2 % (Figura 9) respectivamente. La Figura 10 muestra la forma de onda de voltaje y corriente para el carrito de golf. Las figuras 11 y 12 muestran THDv y THDi para el carrito de golf, que son 1,1 % y 34,4 % respectivamente.
Los resultados de las mediciones revelan que el THDi de los cargadores es bajo para los vehículos eléctricos modernos, pero para el THDv, los vehículos eléctricos modernos liberan una mayor distorsión. El THDv más bajo del carrito de golf se puede explicar debido a la menor magnitud de corriente consumida durante la carga. Para los vehículos eléctricos modernos, aunque el THDi es menor, el THDv es mayor que el medido para el carrito de golf. Esto se debe a la mayor magnitud de corriente consumida por los vehículos eléctricos modernos.
5. Armónico de un grupo de vehículos eléctricos
En la sección anterior, se presentó el THDv medido desde un solo EV. El valor se registró por debajo del límite establecido por la empresa de servicios públicos. Pero la preocupación por los armónicos surge cuando un grupo de vehículos eléctricos se conecta a la red simultáneamente para cargarlos. Muchos ingenieros pensaron que la suma de THD de un grupo de vehículos eléctricos es lineal con la suma de los vehículos eléctricos. Para encontrar la respuesta, se realiza una medición para medir el THD de un grupo de vehículos eléctricos.
En Malasia, los vehículos eléctricos modernos aún no se comercializan, por lo que el estudio no se puede realizar en los vehículos eléctricos comerciales. Pero hay muchos carritos de golf disponibles que se pueden utilizar en el estudio. Los resultados no representarán el armónico de los EV modernos, pero el objetivo principal es investigar la suma de THD de un solo EV y un grupo de EV. En la sección anterior, se presentó el THDv medido a partir de un solo EV. El valor se registró por debajo del límite establecido por la empresa de servicios públicos. Pero la preocupación por los armónicos surge cuando un grupo de vehículos eléctricos se conecta a la red simultáneamente para cargarlos. Muchos ingenieros pensaron que la suma de THD de un grupo de vehículos eléctricos es lineal con la suma de los vehículos eléctricos. Para encontrar la respuesta, se realiza una medición para medir el THD de un grupo de vehículos eléctricos.
La medición se realizó en un club de golf de la Universiti Kebangsaan Malaysia. La medición se realizó en un día laborable. Ese día estuvo lloviendo desde primera hora de la mañana hasta las 10:00 am. Pero las actividades de golf estaban activas y todos los carritos de golf abandonaron el punto de carga a las 9:00 horas. El primer carrito de golf regresó a la estación de carga pasadas las 11 de la mañana. El tiempo, número de vehículos y la línea donde están conectados se detallan en la Tabla 2. Las cantidades medidas son distorsión armónica de tensión y corriente. Los datos de medición se registraron inicialmente cada intervalo de una hora hasta las 6:00 pm. A partir de las 7:00 pm los carritos de golf comenzaron a llegar con mayor frecuencia por lo que la medición se tomó cada 15 minutos.
Los datos se visualizan a través de un gráfico como se muestra en la Figura 14 para THDv y la Figura 15 para THDi. En lugar del tiempo, se utiliza el número de vehículos en el eje x para facilitar el patrón de consumo de estos vehículos eléctricos. También se identificó la línea donde se conectan estos carritos de golf. El consumo comienza a aumentar sustancialmente a partir de las 6:30 pm (18:30 hrs) cuando los golfistas comienzan a devolver el carrito de golf al punto de recogida.
El THD también se mide tanto para voltaje como para corriente, como se muestra respectivamente en las Figuras 14 y 15. Aunque el THDv para cada vehículo se midió en 1,1 %, en el PCC, el valor es solo del 0,7 % para un vehículo. Con el aumento de vehículos conectados, el THDv aumenta constantemente. Para ocho vehículos en L1, el THDv registrado es sólo del 1,9%.
Para el THDi de un vehículo, se registra un THDi del 34,4%, pero en el PCC, el THDi se registra en un 47,8%. Con el incremento de la carga de carritos de golf, el valor de THDi en PCC disminuye al 16,6 % para 3 vehículos, pero aumenta nuevamente para 12 vehículos. Sorprendentemente, el THDi no aumenta mucho cuando el número de vehículos aumenta de 16 a 22 en la L1.
6. Conclusión
En este artículo se presenta el estudio y análisis de la medición de armónicos durante la carga de vehículos eléctricos. La medición se realiza en carritos de golf y dos tipos modernos de vehículos eléctricos. El resultado de la medición muestra que los vehículos eléctricos modernos liberan un THDi más bajo en comparación con un carrito de golf, como se esperaba. Desafortunadamente, para THDv, los vehículos eléctricos modernos causan un mayor porcentaje de distorsión. Para un grupo de carga de vehículos eléctricos, se encuentra que el THD tanto para voltaje como para corriente no es la suma directa del THD de un solo vehículo. Los resultados del estudio son útiles para comprender la contribución de la distorsión armónica de los vehículos eléctricos conectados a la red para su carga.
7. Integración del filtro armónico activo de YT Electric
Para mitigar la distorsión armónica causada por la carga de vehículos eléctricos, el filtro armónico activo de YT Electricpuede integrarse eficazmente en el sistema eléctrico. Este filtro avanzado monitorea y compensa activamente las corrientes armónicas en tiempo real, asegurando que los niveles de THDi y THDv se mantengan dentro de límites aceptables. Al ajustarse dinámicamente a las diferentes cargas de armónicos, el filtro de armónicos activo ayuda a mantener la calidad de la energía y protege la infraestructura eléctrica de posibles daños causados por los armónicos.
El proceso de integración implica conectar el filtro de armónicos activo al punto de acoplamiento común (PCC) donde están conectados los cargadores de vehículos eléctricos. El filtro analiza continuamente el contenido de armónicos del sistema eléctrico e inyecta corrientes de compensación para neutralizar los armónicos. Esto da como resultado una reducción significativa tanto en THDi como en THDv, lo que mejora la calidad general de la energía y la confiabilidad de la red.
En conclusión, la incorporación del filtro armónico activo de YT Electric proporciona una solución sólida a los desafíos que plantea la distorsión armónica durante la carga de vehículos eléctricos. Garantiza que la red eléctrica permanezca estable y eficiente, incluso con la creciente penetración de vehículos eléctricos.
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