Impacto de los cargadores de vehículos eléctricos en el
sistema de distribución de energía eléctrica
Las cargas no lineales, como los cargadores de vehículos
eléctricos, a menudo presentarán problemas de calidad de energía (PQ, Power
quality) dentro de los circuitos de distribución, lo que puede tener efectos
perjudiciales en los componentes del sistema. PQ abarca varios conceptos
específicos, como distorsión armónica, fenómenos transitorios, desequilibrio de
fase y desviaciones de voltaje, entre otros, y estos se cuantifican de
innumerables maneras.
Se procede a medir el PQ de los cargadores de vehículos
eléctricos, prestando especial atención a la distorsión armónica total (THD) de
los cargadores individuales y la distorsión de demanda total (TDD). También
notamos desequilibrio de fase, carga fantasma y otros problemas de PQ
observados durante las mediciones.
Electric Avenue, ubicada en el campus de la Universidad
Estatal de Portland (PSU) (Oregon, USA), es un proyecto conjunto entre Portland
General Electric (PGE), PSU y la ciudad de Portland. Inaugurada en agosto de
2011, Electric Avenue está pensada como una plataforma
de investigación para comprender el impacto que tienen los vehículos
eléctricos (VE) en los sistemas de distribución de energía.
Impacto en el sistema de distribución
eléctrica
La calidad
de la energía (PQ) es una medida de la calidad de la energía suministrada por la empresa de servicios
eléctricos hasta el cliente. Un PQ bajo es motivo de preocupación porque puede
causar variaciones en la magnitud del voltaje, problemas
en la
continuidad del servicio eléctrico y voltajes/corrientes transitorios. La
distorsión armónica es el principal responsable de la causa de la reducción de
la calidad de la energía.
La investigación se centra en tres hipótesis:
Primero, se
plantea la hipótesis que debido a que
los controladores de carga de EV son cargas no lineales y demandan una gran
cantidad de energía, los problemas de PQ presentados por la carga podrían tener un impacto en los alimentadores
de distribución.
Segundo,
hipótesis de que la distorsión armónica
total (THD) de la corriente consumida por una carga de EV cambiaría en función del tiempo a medida que
el controlador pasara por varias fases del ciclo de carga.
Tercero, que
los efectos acumulativos de múltiples controladores de carga en el mismo
alimentador daría como resultado una distorsión mayor que la de cualquier
controlador de carga individual, estableciendo así un límite de las estaciones
de carga que podrían conectarse a un
solo alimentador.
Según lo
especificado por IEEE 519.1992, ese impacto es una función del tamaño del
alimentador de distribución, medido por la relación de la corriente de
cortocircuito disponible en el punto de conexión común a la máxima corriente de
carga fundamental, y cuantificada por la cantidad de distorsión de demanda total (TDD).
Los
vehículos eléctricos emplean componentes electrónicos de potencia dentro de los
controladores de carga que conectan el sistema de energía eléctrica del
vehículo con la red. Para los cargadores de Nivel I y Nivel II, la carga del
vehículo la realiza un rectificador controlado AC-DC que se acopla al servicio
eléctrico a través de un conector monofásico.
Para las
cargas de Nivel III, también conocidas como cargadores rápidos de CC, la carga
se controla mediante componentes electrónicos dentro del controlador de carga.
En cualquier caso, la distorsión armónica introducido en el sistema de
distribución por estos controladores de carga se puede medir en términos de
THD. Debe tenerse en cuenta que el THD de un cargador cambia a lo largo del
ciclo de carga a medida que los ángulos de disparo de los interruptores
electrónicos de potencia cambian en respuesta a las diversas fases del ciclo de
carga. La ecuación muestra cómo se calcula el THD para cada cargador.
TDD es la
distorsión de corriente armónica (Total) de un sistema en porcentaje de la
corriente de carga de demanda máxima. El TDD máximo permisible está determinado
por la relación de la corriente de
cortocircuito en el punto de
acoplamiento común a la corriente de carga de demanda máxima promedio.
Idealmente,
la distorsión armónica causada por un solo consumidor debe limitarse a un nivel
aceptable en cualquier punto del sistema; sin embargo, los niveles prescritos
para TDD establecen la máxima distorsión de corriente permitida para un sistema
dado.
Procedimiento y resultados
obtenidos
El sitio donde
se realizaron las mediciones (Electric Avenue) tiene cuatro cargadores de nivel
2 y dos cargadores de nivel 3, provistos por seis fabricantes diferentes.
Las unidades
de nivel 2 son monofásicas que, cuando
se conectan a un vehículo eléctrico con un receptáculo de carga SAE J1772,
recargan la batería del vehículo eléctrico con una entrada de 4-20 kW a 208
voltios (V) de corriente alterna. La
electrónica de potencia que controla los
cargadores de Nivel 2 se encuentra a bordo de los propios vehículos. Las
unidades de carga de nivel 3 son
trifásicos los mismos entregan energía a través de un conector CHAdeMO
que varía de 20 a 50 kW a 208 V de corriente continua y pueden recargar la batería en tan solo 30 minutos. Los
componentes electrónicos de potencia que controlan el flujo de energía para los
cargadores de nivel 3 están ubicados dentro de la propia unidad de carga.
Durante el
período de recopilación de datos, cuando se monitoreaban los circuitos de carga
individuales, las marcas y modelos que a menudo se cargaron incluyeron Chevrolet Volt, Ford Focus
Electric, Nissan LEAF, Toyota Prius Plug-In Hybrid, Honda Fit EV, Mitsubishi
i-MiEV, Tesla Model S, Smart Electric Drive y THINK City.
A
continuación se presentan los resultados de medir el THD de un controlador de
carga monofásico (Nivel I/II) y un controlador de carga trifásico (Nivel III).
Se midió THD para una gran cantidad de
eventos de carga, pero se presentan solo
estos dos ejemplos para ilustrar el comportamiento de THD en función del ciclo
de carga.
Se
encontró que la THD varía durante el
curso de un ciclo de carga, y la THD generalmente comienza baja durante el
comienzo del ciclo pero se desvía hacia el final del ciclo. El ciclo de carga
generalmente comienza con una gran corriente que disminuye a medida que avanza
el ciclo, como se muestra en la siguiente figura.
Aunque THD
puede aumentar durante el ciclo de carga, la magnitud de esa corriente
distorsionada en realidad está disminuyendo. La medición de THD puede ser algo
engañosa, lo que implica que el contenido armónico dentro del circuito está
empeorando, cuando en realidad lo que está sucediendo es que ese contenido
armónico dentro de una corriente más pequeña está aumentando. Por lo tanto, THD
no es una medida adecuada para expresar el impacto que tienen los armónicos en
un circuito derivado o alimentador. Más bien, TDD es acertada.
Analizamos
el THD de un cargador monofásico (Nivel I/II) en dos puntos de un ciclo de
carga. La figura superior muestra aproximadamente dos períodos de la corriente
frente al tiempo, mientras que la inferior muestra un gráfico espectral, la
magnitud armónica frente a la frecuencia.
Al comienzo
del ciclo de carga, la forma de onda de la corriente es casi sinusoidal, como
se muestra en la parte superior de la figura. Esto indica que la contribución
de los componentes armónicos a la forma de onda actual es muy pequeña. Estos
componentes armónicos se pueden ver en la mitad inferior. El fundamental es el
pico más grande, ubicado a 60 Hz. Se
encuentran componentes armónicos muy pequeños a 180 Hz, 300 Hz y 420 Hz. Estos
componentes son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, 60 Hz, y por lo
tanto corresponden a los armónicos 3, 5 y 7.
A medida que
las baterías del vehículo alcanzan su capacidad de carga, la electrónica de
potencia dentro del controlador de carga hace que la corriente disminuya,
ingresando en un modo de "carga lenta", más adecuado para recargar la
última fracción de la capacidad de la batería. Esta reducción en la corriente
va acompañada de una mayor distorsión en la forma de onda de la corriente, como
se ve claramente en la parte superior de la siguiente figura.
Esta
distorsión también se reconoce por las mayores magnitudes de los componentes
armónicos. Los armónicos 3, 5, 7 y 9 se pueden ver en sus correspondientes
frecuencias, con magnitudes que ahora son mucho más pronunciadas. Esto
significa que tienen un mayor impacto en la forma de la forma de onda y que el
THD de la forma de onda actual es mayor.
La tabla, a
continuación, enumera los armónicos 3.º, 5.º, 7.º y 9.º y la THD en varios
puntos a lo largo del ciclo de carga, expresados como porcentajes de la magnitud
de la corriente fundamental. Nótese que THD cambia durante el curso del ciclo
de carga, aumentando hacia el final del ciclo.
Las formas
de onda y el espectro THD para un cargador trifásico (Nivel III) cerca del
comienzo de su ciclo de carga se muestran en la siguiente figura. Nuevamente,
se puede ver que hay muy poca distorsión en la forma de onda actual; el
espectro armónico de esta forma de onda está dominado por la componente
fundamental. Tenga en cuenta, también, que las tres fases están equilibradas;
es decir, están desfasados 120° entre sí, por lo que no fluye corriente en la
línea neutra.
Posteriormente
en el ciclo de carga, se pueden ver componentes de gran frecuencia en los
armónicos 3, 5, 7 y 9. Además, el espectro FFT muestra que los armónicos de
cada fase varían.
Esto se
confirma con los datos numéricos de la tabla. Esto implica que existe un
desequilibrio del sistema que puede contribuir a las corrientes en el neutro.
Distorsión armónica total en el alimentador
Los datos
para el cálculo de TDD se recopilaron en el punto de acoplamiento común; la
entrada de servicio donde todas las ramas de Electric Avenue se agregan al
alimentador. Estos datos representan la demanda total del sistema. En la figura
se muestran los cálculos de TDD en intervalos de cinco minutos durante un
período de tiempo en el que cinco de los cargadores estaban en uso simultáneamente.
TDD varía en
función del tiempo, aunque la magnitud de esa variación es leve, oscilando
entre alrededor del 2,2 % y poco más del 3,2 % durante el transcurso de la
recopilación de datos. Estos bajos valores de TDD indican que, a pesar de la
THD de los controladores, el tamaño del alimentador de Electric Avenue fue
suficiente para mantener la TDD por debajo del límite del 8 %. Sin embargo,
debe tenerse en cuenta que durante el tiempo de recopilación de datos, un
cargador Nivel III estaba fuera de servicio. Este cargador en particular es un
cargador rápido DC trifásico con una corriente de operación de hasta 200A por
fase. Si este cargador hubiera estado funcionando en el momento de la
recopilación de datos, podría haber tenido un impacto sustancial en el cálculo
de TDD, posiblemente incluso causando que se excedieran los límites definidos.
Conclusiones
Se encontró
evidencia de que los controladores de carga pueden, en ocasiones, demostrar
niveles relativamente altos de THD, lo que está asociado con impactos adversos
en los componentes de sistemas de distribución, en particular los dispositivos
magnéticos. También se mostró que el THD de los cargadores cambia durante el
ciclo de carga, por lo general, comienza con un valor bajo durante el período
de alta corriente del ciclo, pero luego disminuye gradualmente a medida que
disminuye la corriente. Y se calculó los efectos acumulativos que tiene la
operación simultánea de múltiples controladores de carga en TDD.
Todos los problemas
de PQ observados pueden tener efectos perjudiciales en los aparatos de
distribución si el sistema de
distribución no está diseñado adecuadamente para mitigar estos problemas. El
sistema de carga en Electric Avenue es de diseño sólido, como lo demuestran los
valores muy bajos de TDD, los niveles bajos de desequilibrio de voltaje y las
corrientes neutras bajas.
Este artículo
muestra como se utilizó las
instalaciones existentes como un banco de pruebas para recopilar datos sobre la
carga de vehículos eléctricos e inferir los problemas de PQ que podrían surgir
si las restricciones de diseño relacionadas con PQ no se consideraron
adecuadamente.
Artículo
basado en el documento: Impacts of
Electric Vehicle Charging on Electric Power Distribution Systems / Robert
Bass, Nicole Zimmerman - Portland State University
Ing. Ricardo
Berizzo
Cátedra:
Movilidad Eléctrica
U.T.N.
Regional Rosario 2022.-
