Den nye metoden kompenserer for overharmonisk støy produsert av ladestasjoner og reduserer total overharmonisk støy i strømmen til ladestasjonen fra 32,6 prosent til 2,2 prosent.
På fagspråket kalles strømforstyrrelser for harmonisk forvrengning, og metoden for å rette opp i forstyrrelsen kalles harmonisk kompensering.
Det er forskere ved SINTEF Energi som gjennom Grønn plattform-prosjektet MegaCharge har utviklet den nye metoden for harmonisk kompensering. Forskningsresultatene ble presentert på IPEC-konferansen i Japan i juni, og er publisert i tidsskriftet IEEE i artikkelen A Wideband Harmonic Compensation Method for Distributed Converters.
– Denne forskningen gir et nyttig bidrag til hvordan vi kan få til et godt ladetilbud langs veiene, også for tungtransport. Det vil nok være enklere for nettselskap å si ja til ladeaktører dersom problemet med harmonisk forvrengning løses på en bedre og mer effektiv måte, uten at det er nødvendig å installere ekstrautstyr for harmonisk kompensering. Da blir nettapet mindre og spenningskvaliteten i nettet bedre, sier forskningsleder Bendik Nybakk Torsæter. Han leder MegaCharge-prosjektet.
Strømforstyrrelser i overgang til lader
Hurtigladere for elbiler og elektrisk tungtransport inneholder kraftelektronikk som omformer vekselstrøm fra strømnettet til likestrøm som kan lagres i batteriet. Denne prosessen gjør at laderen ikke trekker strøm i en jevn sinusform, slik som en varmeovn, men i mer ujevne pulser. Slike laster omtales som ikke-lineære laster.
Den ujevne strømformen kan beskrives som en kombinasjon av grunnfrekvensen på 50 Hertz (Hz) og høyere frekvenser, kalt harmoniske strømmer. Når disse harmoniske strømmene flyter gjennom strømnettet, skapes harmoniske spenninger som forvrenger den opprinnelige sinusformede spenningskurven.
Harmonisk strøm er dermed årsaken til harmonisk spenning. Jo større harmoniske strømmer laderen genererer, og jo lengre linjene i nettet er, desto større blir spenningsforvrengningen. Dersom mange hurtigladere er tilkoblet samme nettområde, kan de samlede harmoniske strømmene derfor påvirke spenningskvaliteten i nettet og føre til økt harmonisk forvrengning.
– I koblingen mellom en hurtigladestasjon og det lokale strømnettet er det en omformer som gjør vekselstrøm om til likestrøm. Problemet er at det i denne overgangen oppstår noe som kalles harmonisk forvrengning, der den jevne vekselstrømmen på 50 Hz blir til en forvrengt og ujevn kurve som også har 150, 250, 350, 450 Hz, og så videre, forklarer SINTEF-forsker Lucas Savoi Araujo, som er en av forfatterne bak studien.
Omformeren må dermed forsøke å rydde unna alle disse forstyrrelsene.
Dagens metoder for å gjøre dette klarer kun å redusere et veldig begrenset utvalg av den harmoniske forvrengningen.
– Vår nye metode er ikke begrenset til å kompensere for spesifikke harmoniske komponenter, men prøver å kompensere for hele spekteret, sier Araujo.
Batterier med kompenseringshjelp
Den nye metoden fra SINTEF-forskerne baserer seg på at hurtigladestasjonen er koblet til et eget batteri som fungerer som et energilagringssystem, på engelsk kalt battery energy storage systems (forkortet BESS). Slike batterier blir stadig vanligere i ladeinfrastruktur, spesielt når det gjelder hurtigladere for tunge kjøretøy.
Hovedformålet med energilageret i batteriet er gjerne å dekke ladestasjonens effektbehov i samspill med strømnettet slik at belastningen på strømnettet reduseres i perioder der kapasiteten i strømnettet er dårlig.
Men batteriet kan også bidra med harmonisk kompensering for å håndtere den overharmoniske støyen slik at elbilen får ladet uten at strømnettet opplever tap av energi og redusert spenningskvalitet. Dette kan i fremtiden bli en vanlig tilleggstjeneste fra batteriet.
Øyvind Mjanger i Pixii, som er en leverandør av batterisystemer og partner i MegaCharge, peker på at ladestasjonene stadig blir kraftigere, men at de ofte kobles til relativt små transformatorer som aldri var dimensjonert for denne typen last.
– Harmoniske strømmer fra ladeutstyret gir ekstra oppvarming og tap i transformatoren og kan forstyrre batterisystemene på samme nett pga høy total harmonisk forvrengning. Derfor er god harmonisk kompensering viktig for oss. Når batterisystemet i tillegg kan rydde opp i strømkvaliteten, kan man få plass til mer lading uten å måtte bygge om nettet først, sier Mjanger.
Mer testing må til
Den nye metoden er så langt testet i en datasimulering med et case der en ladestasjon benytter en diodelikeretter som omformer. Denne type omformer er enkel, robust og kostnadseffektiv, men kan gi betydelige strømforstyrrelser.
– Neste steg for oss forskere er å teste løsningen i lab. Dette er noe vi skal gjøre i et annet forskningsprosjekt; B-READY , som nettopp startet opp, forklarer Araujo.
B-READY er også et Grønn plattform-prosjekt som utvikler neste generasjons batterisystemer for å styrke både grønn omstilling og forsyningssikkerhet i kraftsystemet. Prosjektet ledes av SINTEF og eies av Pixii.
– Vi ser frem til å teste denne metoden på reell maskinvare i B-READY, sier Mjanger.
