Effektfaktorkorrektur für EV-Ladestationen

Die Blindleistungskorrektur für Ladestationen von Elektrofahrzeugen muss die Diversität der Ladegeräte, gleichzeitige Ladevorgänge, Oberschwingungsströme, Leerlaufzeiten und die Messgrenze des Energieversorgers berücksichtigen. Eine Ladestation kann einen guten durchschnittlichen Leistungsfaktor (PF) aufweisen und dennoch kurze Stromspitzen erzeugen, wenn viele Fahrzeuge gleichzeitig mit dem Laden beginnen. Über Nacht kann sie außerdem einen kapazitiven Leistungsfaktor aufweisen, wenn fest installierte Kondensatoren nach dem Abstecken der Fahrzeuge weiterhin zugeschaltet bleiben. Das Korrekturkonzept sollte die Steuerung der Ladegeräte, die Transformatorleistung, eine SVG- oder APFC-Anlage sowie die Lastmanagementstrategie der Ladestation aufeinander abstimmen.

Das CNBYG SVG-Produktseite liefert Kontext für die dynamische Bereitstellung von Blindstrom. Wählen Sie die Kapazität und die Regelungspriorität anhand der gemessenen Ladedaten, der zulässigen Spannungsgrenzen und der Betriebsmodi des Standorts aus und nicht allein anhand der Anzahl der Parkplätze.

Ladestationen sind variable elektronische Lasten

AC-Ladegeräte, DC-Schnellladegeräte, Zahlungssysteme, Beleuchtung, Belüftung und Batteriespeicher können denselben Transformator nutzen. Ladegeräte können gruppenweise starten, den Ladestrom schrittweise erhöhen, aufgrund von Fahrzeugbegrenzungen pausieren oder einer standortweiten Leistungsbegrenzung folgen. Ihre Eingangsstromkurven und die Definition des Leistungsfaktors können je nach Modell unterschiedlich sein. Erfassen Sie den Ladegerättyp, die Nenneingangsleistung, den Phasenanschluss, den Lastzyklus und die Lastmanagementregel.

Erstellen Sie einen Plan der Ladegeräte-Unterverteilungen, des Transformators, des Hauptzählers, der Kondensatorbatterie, der SVG-Anlage, der Batterie, der Solaranlage und des Netzanschlusses. Erfassen Sie die Betriebszustände im Leerlauf, bei einem aktiven Ladegerät, bei normaler Auslastung, beim gleichzeitigen Laden mit maximaler Leistung, bei Übergängen der Leistungsbegrenzung sowie bei nächtlicher Hilfslast. Erfassen Sie kW, kvar, Spannung, Strom, PF, THD und einzelne Oberschwingungsordnungen am Netzanschlusspunkt (PCC) sowie bei einer repräsentativen Ladegerätegruppe.

Entscheidungstabelle zur Blindleistungskorrektur von EV-Ladestationen

Die Grenzen zwischen Versorgungsnetz und Ladestation festlegen

Angeben, ob das Ziel der tatsächliche Leistungsfaktor (PF), der Verschiebungsleistungsfaktor, der Bedarfsleistungsfaktor oder ein netzbetreiberspezifischer Wert ist. Den Netzverknüpfungspunkt (PCC) und jeden Stromwandler (CT) der Ladegeräteverteilung markieren. Eine Anzeige am Ladegerät kann einen guten Leistungsfaktor anzeigen, während am PCC zusätzlich der Magnetisierungsstrom des Transformators, die Beleuchtung und ein weiterer Abgang berücksichtigt werden. Umgekehrt muss eine Korrektur auf Ladegeräteebene den am Abrechnungspunkt erfassten Wert nicht unbedingt verbessern.

CT-Übersetzungsverhältnis, Phase, Polarität, Bürde und Spannungsreferenz überprüfen. Die Zähler des Ladegeräts, der Schaltanlage und des PCC während des Betriebs mit einem einzelnen Ladegerät sowie mit mehreren gleichzeitig betriebenen Ladegeräten mit einem unabhängigen Analysator vergleichen. Die SVG-Anleitung zur reaktiven Stromkompensation erklärt, warum eine falsch definierte Messgrenze fälschlicherweise als Kapazitätsproblem interpretiert werden kann.

Stufenweise oder dynamische Kompensation auswählen

Gestufte Kondensatorbatterien eignen sich für eine vorhersehbare Grundlast, benötigen jedoch Mindest-Ein- und Ausschaltzeiten, Entladeeinrichtungen und Schutzmaßnahmen. Ladestationen für Elektrofahrzeuge können schnell von Volllast auf Leerlauf wechseln. Daher kann eine während einer Ladespitze geeignete Stufe überdimensioniert sein, sobald die Fahrzeuge den Standort verlassen. Eine Regelung für Nacht- oder Leerlaufbetrieb ist unerlässlich.

Ein SVG kann dem sich ändernden Blindstrom folgen und den Strom mit der Kompensation von Oberschwingungen oder Unsymmetrien teilen. Die Rasterspannung und SVG Kapazitätsguide erklärt, warum sich die verfügbare Blindleistung (kvar) mit der Spannung ändert. Bei erheblichen Verzerrungen durch die Ladegeräte muss Stromkapazität für die Oberschwingungsfilterung reserviert werden. Außerdem ist das SVG mit dem Lastmanagementsystem der Ladestation abzustimmen, damit nicht beide auf dasselbe Ereignis reagieren.

Dimensionierung anhand gleichzeitiger Ladeszenarien

Die Wirkleistung (kW) und Blindleistung (kvar) am PCC bei geringer Auslastung, normaler Auslastung und maximaler gleichzeitiger Ladeleistung messen. Den Blindleistungsbedarf anhand folgender Formel abschätzen:

[
Q_c = P\left(\tan(\cos^{-1}PF_1)-\tan(\cos^{-1}PF_2)\right)
]

Die Vorzeichenkonvention des PCC verwenden und anschließend den Strom bei der niedrigsten Spannung anhand von (I_Q=Q/(\sqrt{3}V_{LL})) überprüfen. Den zusätzlich erforderlichen Strom für Oberschwingungen und Unsymmetrien berücksichtigen. Die Anzahl der Ladegeräte nicht direkt als Multiplikator für die erforderliche Blindleistung verwenden. Ladeleistung, Phasenbalance, Leistungsbegrenzungen und Auslastung bestimmen das tatsächliche Lastprofil.

Transformator-Einschaltströme, das Hochfahren der Ladegeräte und einen kontrollierten Eingriff der Leistungsbegrenzung berücksichtigen. Verfügt der Standort über eine Photovoltaikanlage oder Batteriespeicher, müssen Netzbezug, Netzeinspeisung und Inselbetrieb separat getestet werden. Dokumentieren, was geschieht, wenn das SVG seine Stromgrenze erreicht: Das PF-Ziel lockern, die Priorität der Oberschwingungskompensation reduzieren, einen Alarm auslösen oder den letzten sicheren Wert beibehalten.

Ladesteuerung und Kompensation aufeinander abstimmen

Eine Schaltsequenz für das Anschließen eines Fahrzeugs, das Hochfahren des Ladegeräts, den Eingriff der Leistungsbegrenzung, das Beenden des Ladevorgangs und den nächtlichen Leerlaufbetrieb festlegen. Definieren, welcher Regler den PCC-Sollwert vorgibt, welches Gerät den Oberschwingungsstrom kompensiert und welche Kondensatorstufen gesperrt sind. Hysterese und Verzögerungszeiten verwenden, damit kurze Ladeimpulse nicht zu wiederholten Schaltvorgängen führen.

Wenn die Anlage einen Generator, einen Solarwechselrichter oder eine Batterie verwendet, stimmen Sie deren Blindleistungsregelung mit der EV-Ladestation ab. Die Anleitung zur Installation von SVG Deckt die Bereiche Kühlung, Kabelzugang und Servicezugang ab. Checkliste zur Inbetriebnahme von SVG kann CT-, Verriegelungs-, Kurvenverlaufs- und Alarmnachweise strukturieren.

Akzeptanztests

Testen Sie einen einzelnen Ladepunkt, mehrere gleichzeitig startende Ladepunkte, die maximale Auslastung, Übergänge zwischen Bedarfslimits, Fahrzeugstopps und die nächtliche Hilfslast. Erfassen Sie synchronisierte Werte für kW, kvar, Spannung, Strom, Verschiebungsleistungsfaktor, tatsächlichen Leistungsfaktor, THD, Harmonischenordnungen, Ladezustand, Kondensatorzustand, SVG-Strom, Temperatur und Alarme. Stellen Sie sicher, dass der PCC-Zähler die beabsichtigte Verbesserung erkennt, ohne den Betrieb während Leerlaufphasen zu beeinflussen.

Wiederholen Sie den Test nach einem Firmware-Update eines Ladegeräts, der Einführung eines neuen Lademodells oder einer Änderung der Bedarfsbegrenzungsregel. Informationen zur Messmethode finden Sie in der IEC 61000-4-30-Katalogeintrag und die Projektinstrumentenanforderungen befolgen.

Gängige Fehler, die vermieden werden sollten

Bemessen Sie die Kompensationsanlage nicht anhand der Anzahl der Anschlüsse der Ladestation. Verwenden Sie keinen durchschnittlichen Leistungsfaktor, bei dem das Startverhalten der Ladevorgänge unberücksichtigt bleibt. Lassen Sie Kondensatoren nachts nicht angeschlossen, ohne zuvor die Hilfslast überprüft zu haben. Vermeiden Sie, dass ein Energiemanagementsystem, eine Ladegerätesteuerung und ein SVG unterschiedliche Regelgrenzen oder Reaktionsprioritäten verwenden.

Ein weiterer Fehler besteht darin, die Phasenbalance und die Oberschwingungsströme zu ignorieren. Die Station kann einen akzeptablen Verschiebungsleistungsfaktor aufweisen, während der Effektivstrom des Transformators weiterhin hoch ist. Speichern Sie vor einer Änderung des Sollwerts die bisherigen Einstellungen, einen Rücksetzungswert und den Lastverlauf bei maximal gleichzeitigem Laden.

Führen Sie ein Betriebsprotokoll für die Ladegeräte

Dokumentieren Sie für jeden Test das Lademodell, die Firmware, die Nenneingangsleistung, den Phasenanschluss, den Fahrzeugzustand, den Wert der Bedarfsbegrenzung und die Auslastung. Speichern Sie synchronisierte Messverläufe am PCC und an den Abgängen mit kW, kvar, tatsächlichem Leistungsfaktor, Verschiebungsleistungsfaktor, THD, Spannung, Strom, Kondensatorzustand und SVG-Ausgang. Kennzeichnen Sie den Beginn und das Ende jeder Ladewelle sowie das Ruheintervall nach dem Abstecken der Fahrzeuge.

Überprüfen Sie das Protokoll nach der Einführung eines neuen Lademodells, einer Änderung der Bedarfsrichtlinie am Standort, einer Änderung der Transformatoranzapfung oder einem Kommunikationsupdate. Eine Station, die mit sechs Ladegeräten stabil arbeitet, kann sich anders verhalten, wenn zwölf Geräte gleichzeitig starten. Wenn das SVG eine Strombegrenzung erreicht, dokumentieren Sie die Priorisierungsentscheidung sowie die daraus resultierenden Werte für Leistungsfaktor und THD, anstatt die Begrenzung durch einen aggressiveren Sollwert zu verschleiern.

Führen Sie einen stufenweisen Test durch. Überprüfen Sie zunächst die PCC-Messgrenze bei deaktivierter Kompensation. Testen Sie anschließend ein einzelnes Ladegerät, mehrere Ladegeräte, die Bedarfsbegrenzung und den Leerlaufbetrieb. Ändern Sie jeweils nur eine Reglereinstellung und bewahren Sie den vorherigen Wert für eine mögliche Rücksetzung auf. Dadurch entstehen nachvollziehbare Nachweise, die von einer anderen Schicht wiederholt werden können. Außerdem wird verhindert, dass ein durchschnittlicher täglicher Leistungsfaktor einen kurzen, aber wichtigen Ladevorgang verdeckt.

Das abschließende Protokoll sollte die getesteten Ladekombinationen, den Auslastungs- und Bedarfsbegrenzungsbereich, den Spannungsbereich, den aktiven Regler, gesperrte Stufen und die genaue Abnahmeentscheidung enthalten. Falls das Szenario mit maximal gleichzeitigem Laden nicht verfügbar war, dokumentieren Sie das fehlende Szenario und stellen Sie einen Messverlauf bei normaler Auslastung nicht als Worst-Case-Szenario der Station dar.

Bewahren Sie die Zeitbasis des Analysators, das Mittelungsintervall und die Telemetriedaten der Ladegeräte zusammen mit dem Protokoll auf. Ein durchschnittlicher Leistungsbedarf auf Stationsebene kann eine kurze Laderampe verschleiern. Überprüfen Sie den Plan erneut, sobald sich die Bedarfsregel des Energieversorgers, die Firmware der Ladegeräte oder der Lastmanagement-Zeitplan ändert.

Dokumentieren Sie, ob die Ladegruppenschaltung unter normaler oder Notfall-Nachfragekontrolle stand. Ein Fallback mit reduzierter Stromstärke kann sowohl das Wirkleistungsprofil als auch den gemessenen Blindleistungsbedarf verändern.

Behalten Sie die Fahrzeugmischung mit der Spur bei, da verschiedene Onboard-Ladegeräte unterschiedlich reagieren können.

Häufig gestellte Fragen

Benötigt jedes Ladegerät für Elektrofahrzeuge einen lokalen Kondensator?

Nein. Der Bedarf hängt von der Auslegung der Ladegeräte, dem tatsächlichen Leistungsfaktor, dem Oberschwingungsstrom, den Vorgaben am Netzanschlusspunkt (PCC) und der Gesamtlast der Ladestation ab. Lokale Kondensatoren können riskant sein, wenn ihre Schaltung nicht koordiniert erfolgt.

Warum ändert sich der Leistungsfaktor (PF), wenn die Leistungsbegrenzung greift?

Die Ladegruppe verändert gleichzeitig ihre Wirkleistung und ihren Strom. Auch der Kompensator reagiert möglicherweise gleichzeitig darauf. Daher sind synchronisierte Messverläufe und eindeutig festgelegte Steuerungsprioritäten erforderlich.

Kann ein SVG schnelle Änderungen am Ladegerät bewältigen?

Das System kann dynamisch Strom bereitstellen, wenn Ansprechverhalten, thermische Belastbarkeit, Spannungsfähigkeit und die Priorisierung von Oberschwingungen validiert wurden. Die Dimensionierung muss dennoch auf Grundlage der niedrigsten Spannung und des anspruchsvollsten gleichzeitigen Betriebsereignisses erfolgen.

Was sollte der Abnahmetest umfassen?

Er sollte ein einzelnes Ladegerät, gleichzeitige Starts, Übergänge zwischen Bedarfsschwellen, Stopps und den Leerlauf über Nacht umfassen, einschließlich Messwerten am PCC und an den Einspeisungen, THD, Controllerstatus, Alarmen sowie dem Status der Kondensatorbatterie bzw. des SVG.

Fazit

Leistungsfaktor-Korrektur für Ladestationen für Elektrofahrzeuge ist ein variierendes elektronisches Lastproblem. Definieren Sie den PCC, messen Sie gleichzeitiges Laden und Leerlaufzustände, trennen Sie den echten und den Verschiebungs-PF, und koordinieren Sie Kondensatoren, SVG und Nachfrageverwaltung. Validieren Sie die schwierigste Ladewelle und die ruhige Nachtzeit, bevor Sie das Ziel akzeptieren.

Neutrales Video: Hintergrund mit Leistungsfaktor

Die nachfolgende NPTEL-Vorlesung bietet eine neutrale pädagogische Einblicke in den Zusammenhang zwischen Leistungfaktor und Reaktiver Leistung. Sie stellt keine Produktempfehlung dar.