آلایندگی هارمونیک جریان شارژرهای خودروهای الکتریکی: بررسی آزمایشگاهی و رعایت استانداردهای PN-EN

چکیده

این پژوهش بر روی ۷ شارژر داخلی خودروهای الکتریکی (EV) متمرکز بوده است. اکثریت اندازه‌گیری‌های آلایندگی هارمونیک جریان طی فرآیند شارژ خودروهای برقی سبک در گاراژهای خصوصی واحدهای مسکونی تک‌خانواده در استان لوبلین، در بازه فوریه تا مه ۲۰۲۲ انجام گرفت. بقیه آزمایش‌ها در دو مکان متمایز — ساختمان دانشگاه فناوری لובלین و مجتمع شرکت PGE Dystri­bucja S.A. در لובלین — اجرا شد. یافته‌ها نشان می‌دهد که ۵ از ۷ خودروی برقی مورد آزمون، الزامات دو استاندارد PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۲ و PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۱۲ را کاملاً برآورده می‌کنند.

کلمات کلیدی

الکتروموبیلیت، آلایندگی هارمونیک جریان، شارژ خودروهای الکتریکی، کیفیت برق

مقدمه

شارژرهای داخلی، ستون فقراتِ امکان شارژ راحت و خانگی خودروهای برقی هستند؛ با این حال، با رو به رشد بودن نرخ جایگزینی خودروهای سوختی با همتایان برقی‌شان، نگرانی‌هایی پیرامون تأثیرات این تجهیزات بر شبکه توزیع برق نیز رو بهfamiliar شده است. ادغام مقیاس‌ وسیع خودروهای الکتریکی در شبکه، می‌تواند پارامترهای کیفیت برق (PQ) را به شیوه‌ای محسوس تحت تأثیر قرار دهد. نتایج تعداد قابل‌توجهی از مطالعات مدل‌سازی و شبیه‌سازی حاکی از آن است که با افزایش سهم خودروهای برقی در بخش جاده‌ای، نه تنها تقاضای اوج به سمت بالا روانه می‌شود، بلکه سطوح هارمونیک‌های ولتاژ و جریان نیز تشدید می‌گردند و چالش‌های دیگری در حوزه PQ به وجود می‌آیند — مسائلی که لزوم شناسایی و ardından رفع یا کاهش آن‌ها را می‌طلبد.

از میان ویژگی‌های شارژرهای داخلی، آلایندگی هارمونیک جریان کارسازترین توجه را به خود اختصاص داده است، چرا که این دستگاه‌ها از جنس بارهای غیرفعال (non‑linear) هستند. در لحظه اتصال شارژر به شبکه، جریان برای تامین انرژی باتری کشیده می‌شود؛ اما تعامل بین مدارهای क्षمتی شارژر و امواج شبکه می‌تواند منجر به ولادت هارمونیک‌ها گردد — انحرافاتی ناخواسته از شکل‌موج سینوسی ایده‌آل ولتاژ و جریان.

برای مهار این پدیده، استانداردهای PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۲ و PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۱۲ تدوین شده‌اند تا سقف مجاز آلایندگی هارمونیک را برای تجهیزات الکترونیکی با جریان ورودی اسمی تا ۱۶ آمپر در هر فاز (استاندارد اول) و تجهیزات متصل به شبکه‌های ولتاژ پایین با جریان ۱۶ تا ۷۵ آمپر در فاز (استاندارد دوم) القا کنند. فلسفه این مقررات، تضمین سازگاری شارژر-شبکه، کاهش اثرات مخرب هارمونیک‌ها و حفظ سطح مطلوب پارامترهای PQ است. التزام تولیدکنندگان به این معیارها، نه تنها برای کارایی و ایمنی شارژرها حیاتی است، بلکه پیش‌شرط حفظ سلامت شبکه برق در مقیاس کلان نیز محسوب می‌شود.

هدف از مطالعه پیش رو، اندازه‌گیری دِقیق آلایندگی هارمونیک جریان هفت شارژر داخلی و ارزیابی میزان انطباق آن‌ها با دو استاندارد یادشده می‌باشد.

روش‌شناسی

مورد مطالعه، ۷ شارژر داخلی خودروهای برقی بود. بخش اعظم اندازه‌گیری‌ها در حین شارژ واقعی خودروهای سبک، در گاراژهای خصوصی واحدهای مسکونی تک‌خانواده در سراسر استان لوبلین و در بازه زمانی فوریه تا مه ۲۰۲۲ به اجرا درآمد. آزمایش‌های تکمیلی در دو پایگاه ثابت — آزمایشگاه دانشگاه فناوری لובלین و ساختمان اجرایی شرکت PGE Dystri­bucja S.A. در لובלین — انجام پذیرفت (شکل ۱). با در نظر گرفتن در دسترس بودن آنالیزورهای PQ و امکان بکارگیری گیره‌های جریان، دو دستگاه برای جمع‌آوری داده‌ها به کار گرفته شدند: Sonel PQM‑۷۱۱ (سازگار با IEC ۶۱۰۰۰‑۴‑۳۰ کلاس A؛ گیره‌های Sonel C‑5A یا Sonel F‑۲) و Chauvin Arnoux ۸۳۳۶ (کلاس B؛ گیره‌های MA193 یا PAC93). با توجه به ماهیت بار (شارژرهای EV)، بازه میانگین‌گیری به کوتاه‌ترین حالت ممکن تنظیم گردید تا رویدادهای آغاز، وقفه لحظه‌ای یا پایان شارژ به دقت شناخده شوند (۱۰ چرخه — ۲۰۰ میلی‌ثانیه برای Sonel با فرکانس اسمی ۵۰ هرتز، و ۱ ثانیه برای Chauvin Arnoux).

جریان هارمونیک میانگین هر خودروی برقی، در مقایسه با سقف‌های مجاز استانداردهای PN EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۲ و PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۱۲ ارزیابی شد — حتی برای مواردی که خودرویی با توان ۱۱ کیلووات در حال شارژ بود و از نظر قاعده نیازی به انطباق با استاندارد اول نداشت. در این تحلیل، فرآیند شارژ به دو فاز متمایز «جریان ثابت» (CC) و «ولتاژ ثابت» (CV) تفکیک گردید.

جدول ۱، مشخصات فنی کامل را در بر می‌گیرد: مدل خودرو، حالت شارژ، انرژی فعال مصرفی، تجهیزات تغذیه خودرو، آنالیزورهای PQ به کار رفته و گیره‌های جریان استفاده‌شده.

نتایج و بحث

تحلیل داده‌ها نشان می‌دهد که پنج شارژر از مجموع هفت مورد آزمایش‌شده، در چارچوب استانداردهای مورد استناد قرار می‌گیرند. نتایج حاصله حاکی از آن است که اکثریت هارمونیک‌های تولیدی در محدوده‌های مجاز به سر می‌برند؛ با این وجود، ضرورت پایش مداوم عملکرد شارژرها در شرایط واقعیِ شبکه — با اعتبارِ تنوع топولوژی‌ها و کیفیت ولتاژ تغذیه — همچنان محسوس است تا تأثیرات بالقوه بر PQ در بسترهای مختلف کمّی‌سازی گردد. جهت ارتقای کیفیت برق و کاستن از آلایندگی هارمونیک، پیشنهاد می‌گردد تولیدکنندگان در طراحی شارژرهای خود از محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌تری پیروی نمایند؛ همچنین انتظار می‌رود هماهنگی بیشتر میان استانداردهای ملی و بین‌المللی، مسیر اعمال الزامات یکنواخت در سطح جهانی را هموار سازد.

عنوان مقاله (از پیش انتخاب شده): آلودگی هارمونیک جریان شارژرهای خودروهای الکتریکی: بررسی آزمایشگاهی و رعایت استانداردهای PN-EN
کلمه کلیدی مورد تمرکز: آلودگی هارمونیک جریان شارژرهای خودروهای الکتریکی

این مقاله، بخش دوم از سه بخش مقاله اصلی است. لطفاً آن را به طور کامل به زبان فارسی و به صورت HTML ترجمه کنید.

محتوای اصلی (بخش ۲ از ۳):
مالکان چهار خودروی الکتریکی از انجام شارژ کامل خودداری کردند، چرا که با توصیه فروشندگان — مبنی بر اینکه شارژ کامل در حالت CV باید به ندرت انجام شود (مانند یک بار در ماه یا پیش از سفرهای طولانی) — موافق نبودند. به محض اتصال خودروها، مقادیر جریان شارژ در عرض ۱ تا ۲ ثانیه به سطح مورد انتظار رسیدند. در تحلیل محتوای هارمونیک جریان، مقادیر ثبت‌شده حدود ۱۰ ثانیه پس از آغاز شارژ مورد بررسی قرار گرفتند. جدول ۲، ارزیابی رعایت سطوح مجاز جریان هارمونیک شارژرها با استانداردهای PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲ و PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۱۲ را نشان می‌دهد.

جدول ۲. ارزیابی انتشار جریان هارمونیک خودروهای جداگانه در مقایسه با استانداردهای PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲ و PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۱۲

.

شکل ۲. انتشار جریان هارمونیک در حین شارژ مرسدس e-Vito (حالت CC)

شارژر خودروی مرسدس e-Vito (با قدرت ۶.۶ کیلووات؛ کمتر از ۱۶ آمپر در هر فاز) به دلیل مقادیر بیش از حد هارمونیک‌های ۱۵ام (۰.۱۹ آمپر) و ۲۱ام (۰.۱۴ آمپر) در ولتاژ فاز L1، الزامات استاندارد PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲:۲۰۱۴ را برآورده نکرد. خودروی تسلا مدل ۳ نیز در هر دو حالت شارژ، الزامات استانداردهای PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲:۲۰۱۴ و PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۱۲:۲۰۱۲ را رعایت نکرد. در حالت CC (شکل ۳)، هارمونیک‌های ۱۱ام (۴.۵۳٪ – L1، ۳.۷۴٪ – L2، ۳.۹۴٪ – L3) و ۱۳ام (۲.۲۱٪ – L1، ۲.۴۹٪ – L2، ۲.۴۶٪ – L3) از حد مجاز فراتر رفتند، در حالی که در حالت CV (شکل ۴)، این تجاوز برای هارمونیک‌های ۷ام (۱۰.۷۵٪ – L1، ۱۰.۹۶٪ – L2، ۹.۶۷٪ – L3)، ۹ام (۴.۳۵٪ – L1)، ۱۱ام (۹.۱۲٪ – L1، ۸.۰۲٪ – L2، ۸.۶۹٪ – L3) و ۱۳ام (۴.۱۰٪ – L1، ۴.۴۵٪ – L2، ۳.۹۵٪ – L3) رخ داد.

مقادیر THDI و PWHD در تمامی موارد، مطابق با استاندارد PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۱۲:۲۰۱۲ بودند و به ترتیب از ۳.۳۷٪ (کیا e-Niro، حالت CC) تا ۱۷.۷۱٪ (تسلا مدل ۳، حالت CV) و از ۲.۶۳٪ (نیسان لیف، حالت CC) تا ۲۲.۲۶٪ (تسلا مدل ۳، حالت CV) متغیر بودند. این ضرایب در حالت CC به‌وضوح پایین‌تر بودند، که نشان‌دهنده درصد بالاتر هارمونیک‌های جریان در حالت CV است. به عنوان مثال، برای تسلا مدل ۳، مقدار THDI در حالت CC ۸.۲۰٪ و مقدار PWHD ۱۲.۷۷٪ ثبت شد.

در هر مکان، در طول شارژ خودروهای الکتریکی، مقادیر درصد ۹۵ام هارمونیک‌های ولتاژ بسیار پایین‌تر از سقف‌های مجاز стандарند PN-EN ۵۰۱۶۰:۲۰۱۰ بودند. با این حال، باید توجه داشت که مقادیر RMS ولتاژهای فاز و هارمونیک‌های منفرد ولتاژ (اغلب تا رتبه نوزدهم)، اندازه‌گیری‌شده قبل، در طول و بعد از شارژ در مقاصد مورد بررسی، با الزامات استانداردهای PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲:۲۰۱۴ و PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۱۲:۲۰۱۲ مطابقت نداشتند. بالاترین مقادیر درصد ۹۵ام هارمونیک‌های غالب ولتاژ در مکان‌هایی ثبت شد که مرسدس e-Vito، تسلا مدل ۳ و هیوندای کونا الکتریک در حال شارژ بودند. شکل ۵، مقادیر درصد ۹۵ام طیف هارمونیک‌های ولتاژ را به صورت میانگین از تمام مکان‌های شارز نشان می‌دهد.

شکل ۳. انتشار جریان هارمونیک در حین شارژ تسلا مدل ۳ (حالت CC)

شکل ۴. انتشار جریان هارمونیک در حین شارژ تسلا مدل ۳ (حالت CV)

شکل ۵. طیف هارمونیک‌های ولتاژ به صورت میانگین (درصد ۹۵ام) از همه مکان‌های شارژ

نتایج

تحلیل محتوای هارمونیک جریان در طول فرآیندهای شارژ خودروهای برقی سبک در حالت CC نشان داد که این مرحله طولانی‌تر است و در مقایسه با شارژ در حالت CV، رایج‌تر رخ می‌دهد؛ به طوری که امکان شارژ همزمان چندین خودروی الکتریکی در این حالت بیشتر می‌باشد. نتایج اندازه‌گیری‌های جریان هارمونیک از سیستم‌های شارژ هفت خودروی الکتریکی указывает می‌کند که خودروی آزمایشی مرسدس e-Vito در حالت CC الزامات استاندارد PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲:۲۰۱۴ را برآورده نمی‌کند، در حالی که تسلا مدل ۳ در هر دو حالت CC و CV، الزامات هر دو استاندارد PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲:۲۰۱۴ و PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۱۲:۲۰۱۲ را رعایت نمی‌کند. شارژ در حالت CV با درصد بالاتر هارمونیک جریان مشخص می‌شود، هرچند مقادیر RMS هارمونیک‌ها در مقایسه با حالت CC پایین‌ترند.

تجاوز هارمونیک‌های ولتاژ نکته‌ای جالب توجه است و دو پرسش را پیش می‌کشد:

• آیا عدم رعایت مشاهده می‌شود اگر مقادیر RMS ولتاژهای تغذیه و هارمونیک‌های ولتاژ در محدوده‌های مربوطه قرار گیرند؟

• آیا این می‌تواند نشان دهد که الزامات مربوط به مقدار RMS ولتاژهای تغذیه و هارمونیک‌های ولتاژ ناکافی هستند، یا اینکه باید محدودیت‌های جریان هارمونیک تشدید گردند تا انتشار بیشتر هارمونیک‌ها در حضور هارمونیک‌های ولتاژ پس‌زمینه بالاتر در شبکه‌های واقعی منعکس شود؟

بر اساس نتایج به دست آمده، جهت‌های احتمالی برای تحقیقات بیشتر عبارتند از: مطالعات بلندمدت پارامترهای کیفیت برق در یک ایستگاه شارژ پرکاربرد برای ارزیابی محتوای هارمونیک جریان از خودروهای الکتریکی مختلف، و ارزیابی تأثیر شارژ خودروهای برقی سبک بر پارامترهای کیفیت برق در نقاط اتصال چند ایستگاه شارژ که به طور همزمان کار می‌کنند.

این تحقیق با حمایت مالی کمک هزینه دانشگاه فناوری لوبلین شماره FD-۲۰/EE-۲/۴۰۳ انجام شد.

منابع

۱. خان، و.، احمد، آ.، احمد، ف.، سعد عالم، م.، «بررسی جامع زیرساخت‌های شارژ سریع برای خودروهای الکتریکی»، علوم هوشمند، جلد ۱۲۰، شماره ۱۱، صفحات ۱-۱۵، ۲۰۱۸.

۲. چودی، آ.، مزارک، پ.، «الکتروموبیلیتی – اهمیت کیفیت برق و پایداری محیط زیست»، ژورنال مهندسی اکولوژی، جلد ۲۰، شماره ۱۰، صفحات ۱۵-۲۳، ۲۰۱۹.

۳. نور، م.، چاوز-آویلا، خ. پ.، ماگدی، گ.، سانچز-میرالس، آ.، «بررسی تأثیرات مثبت و منفی شارژ خودروهای الکتریکی بر سیستم‌های برق»، انرژی‌ها، جلد ۱۳، شماره ۱۸، ۲۰۲۰.

۴. داس، اچ.اس.، رحمان، م.م.، لی، س.، تان، سی.دابلیو.، «استانداردهای خودروهای الکتریکی، زیرساخت‌های شارژ و تأثیر آنها بر یکپارچه‌سازی شبکه: بررسی فناوری»، مجلات بازنگری انرژی‌های تجدیدپذیر و پایدار، جلد ۱۲۰، ۲۰۲۰.

۵. چودی، آ.، مزارک، پ.، «شارژ فوق سریع ناوگان اتوبوس‌های الکتریکی و تأثیر آن بر پارامترهای کیفیت برق»، پرژوئرُد الکتروتکنیچنی، جلد ۱، شماره ۱، صفحات ۲۹۶-۲۹۹، ۲۰۲۳.

۶. مزارک، پ.، چودی، آ.، «تحلیل اختلالات الکترومغناطیسی از یک ایستگاه شارژ خودروهای الکتریکی»، انرژی‌ها، جلد ۱۵، شماره ۱، ۲۰۲۲.

منابع

[۷] چودی آ.، هالیشکو پ.، مازورک پ.، تأثیر شارژ سریع اتوبوس‌های برقی بر کیفیت توان: تحلیلی بر پایه اندازه‌گیری‌های میدانی، Energies، ۱۵ (۲۰۲۲)، شماره ۱۵

[۸] کات ل.، سارآیاروی ای.، لئونن م.، مولدر ه.، نیتسو ج.، نوسانات هارمونیکی جریان بار شارژرهای خودروهای برقی به دلیل تفاوت‌های سطح ولتاژ تغذیه – مطالعه موردی. در: سمینار بین‌المللی ۲۰۱۴ در الکترونیک توان، محرک‌های برقی، اتوماسیون و حرکت (SPEEDAM)؛ IEEE، (۲۰۱۴)، ۹۱۷-۹۲۲

[۹] Колин آ. ج.، شو ای.، جوکیچ س. ز.، مولر ف.، مایر ج.، کات ل.، لئونن م.، تحلیل انتشار هارمونیکی شارژرهای خودروهای برقی در بازار اروپا. در: سمینار بین‌المللی ۲۰۱۶ در الکترونیک توان، محرک‌های برقی، اتوماسیون و حرکت (SPEEDAM)؛ IEEE، (۲۰۱۶)، ۱۲۰۸-۱۲۱۳

[۱۰] مولر ف.، مایر ج.، کلات م.، لاکنبرینک ک.، Васиل پ.، هالدر ر.، تأثیر گسترش خودروهای برقی بر کیفیت توان در زیرساخت‌های شارژ متمرکز و توزیع‌شده. در: CIRED ۲۰۲۱ – کنفرانس و نمایشگاه بین‌المللی ۲۶ توزیع برق؛ مؤسسه مهندسی و فناوری، (۲۰۲۱)، ۹۵۵-۹۵۹

[۱۱] ماریسکتی آ.، انتشار هارمونیکی و فراهارمونیکی شارژرهای قابل اتصال خودروهای برقی، Smart Cities، ۵ (۲۰۲۲)، شماره ۲، ۴۹۶-۵۲۱

نویسنده

الکساندر چودی، مهندس برق و کارشناس ارشد در دانشکده مهندسی برق و فناوری‌های برقی دانشگاه فناوری لوبلین است. او در خیابان نادبیستrzyska ۳۸A، ۲۰-۶۱۸ لوبلین واقع شده و می‌توانید از طریق ایمیل a.chudy@pollub.pl با او تماس بگیرید.

مشخصات منبع و ناشر

مجله PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY با شماره ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، در سال ۱۰۱، شماره ۱/۲۰۲۵ منتشر شده است. شاخص دیجیتالی: doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۵.۰۱.۲۵

این مقاله توسط PQBlog منتشر شده است.

تهیه‌شده توسط مهندس برق

برای مشاهده مطالب بیشتر کلیک کنید.

پرسش‌های متداول

آلایندگی هارمونیک جریان چیست و چرا در شارژرهای خودروهای الکتریکی مهم است؟

آلایندگی هارمونیک جریان انحرافات ناخواسته از شکل موج سینوسوی استاندارد ولتاژ و جریان شبکه هستند که توسط بارهای غیرفعال مانند شارژرهای خودروهای الکتریکی تولید می‌شوند. این هارمونیک‌ها می‌توانند کیفیت برق را کاهش داده، دستگاه‌های الکتریکی را آسیب برسانند و موجب اختلال در عملکرد سایر تجهیزات شوند.

استانداردهای PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۲ و PN-EN ۶۱۰۰۰-۳-۱۲ چه محدودیت‌هایی تعیین می‌کنند؟

این استانداردها آلایندگی هارمونیک جریان تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی را محدود می‌کنند: برای تجهیزات با جریان ورودی اسمی ≤ ۱۶ آمپر در هر فاز (PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۲) و برای تجهیزاتی که به شبکه‌های عمومی ولتاژ پایین متصل می‌شوند با جریان ورودی > ۱۶ و ≤ ۷۵ آمپر در هر فاز (PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۱۲). هدف آنها تضمین سازگاری شارژر-شبکه، کاهش تأثیر هارمونیک‌ها و حفظ کیفیت برق مناسب است.

از کدام روش‌های اندازه‌گیری برای ارزیابی هارمونیک‌های جریان در این مطالعه استفاده شد؟

دو آنالیزور کیفیت برق Sonel PQM‑۷۱۱ (کلاس A) و Chauvin Arnoux ۸۳۳۶ (کلاس B) به همراه گیره‌های جریان Sonel و Chauvin Arnoux مورد استفاده قرار گرفتند. زمان میانگین‌گیری برای تشخیص دقیق مراحل شارژ به ۲۰۰ میلی‌ثانیه (۱۰ چرخه) برای Sonel و ۱ ثانیه برای Chauvin Arnoux تنظیم شد.

یافته‌های اصلی این پژوهش چیست؟

پنج شارژر از هفت شارژر آزمایش‌شده با الزامات استانداردهای PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۲ و PN‑EN ۶۱۰۰۰‑۳‑۱۲ مطابقت داشتند. این نتایج نشان می‌دهد که بیشتر شارژرهای مورد بررسی هارمونیک‌های تولیدشده خود را در محدوده‌های مجاز نگه می‌دارند، اما نظارت مداوم و طراحی احتمالی بهبودی برای کاهش هرگونه آلایندگی باقیمانده ضروری است.

توصیه‌های عملی حاصل از این مطالعه برای تولیدکنندگان چیست؟

تولیدکنندگان باید رعایت دقیق استانداردهای PN‑EN را در فرآیند طراحی تضمین کنند، از محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌تر در خصوص تولید هارمونیک پیروی نمایند و آزمایش‌های عملکردی گسترده‌تری را در شرایط واقعی شبکه انجام دهند تا سازگاری شارژرها با کیفیت برق شبکه را تأیید کنند.

منبع: powerquality.blog