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.-
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