Sep 7, 2020
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Sonstiges

Power Quality | Paralleles Laden von E-Mobilen

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ERZlich Willkommen liebe Freunde der Schutz-, Leit- und Elektrotechnik. Power Quality - Was ist hier Phase ? In unserem neuen Gastbeitrag erhalten wir einen interessanten Einblick in das Thema vor dem praktischen Hintergrund der E-Mobilty. Wir übergeben an die Herren Thomas, Blum und Prof. Dr. Plumhoff. Los geht's.

Auswirkungen auf die Netze

Im Sommer 2016 wurden an der Technischen Hochschule Bingen (THB) an zehn Ladestellen E-Mobile parallel geladen. Unter anderem war von Interesse, Ladeströme und deren Auswirkung auf das THB-Netz zu messen; Taktfrequenzen und deren Verteilung im Netz zu ermitteln und Netz-Unsymmetrien zu bewerten.

Die Auswertung ergab, dass Normverletzungen in geringem Maße aufgetreten sind, d.h. die Stromqualität hat sich in den letzten Jahren verbessert, dass bei der Spannungsqualität in Zukunft genauer hingeschaut werden muss und dass die Ladeelektronik verbessert werden sollte.

Einleitung

Die Studie »Power Quality in der Elektromobilität« aus dem Jahre 2013 ergab, dass rund ein Viertel aller in diesem Projekt gemessenen E-Mobile unzulässige Oberschwingungsströme während der Ladevorgänge erzeugten [1].

Heutzutage hat die Ladetechnik in den E-Fahrzeugen deutlich an Qualität zugenommen. Grenzwertüberschreitungen sind wesentlich geringer geworden. Die weiterhin am häufigsten auftretende, nicht eingehaltene Anschlussbedingung ist die Unsymmetrie beim einphasigen Laden von Elektrofahrzeugen. Zum Teil werden hier einphasige Ladeleistungen bis zu 7 kW erreicht.

Bei Serien-E-Mobilen treten fast keine Normverletzungen auf, außer wenn die Ladeelektronik defekt ist. Die größten Oberschwingungsströme treten bei umgebauten E-Mobilen auf. Diese entstehen, wenn einfache Gleichrichterschaltungen aus Dioden mit kapazitiver bzw. induktiver Glättung im DC-Kreis eingesetzt werden.

Mit der Bewertung nach den VDN-Technischen Regeln werden alle in einer Anlage relevanten Oberschwingungserzeuger bezüglich der am gemeinsamen Netzanschlusspunkt zu erwartenden Emissionen zusammengefasst. Dabei werden zum einen die einzelnen Oberschwingungsströme als auch die Gesamtheit aller Stromharmonischen über den Verzerrungsfaktor der Grundschwingung THD betrachtet.

Zum Messen der Ströme und Spannungen während der Ladevorgänge werden Power Quality Analysatoren und Störschreiber der Firma A. Eberle aus Nürnberg eingesetzt. Die Abtastfrequenz der PQ-Box 200 liegt bei 40,96 kHz, so dass Frequenzen von DC bis 20 kHz erfasst werden.

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Stromqualität

Die Ladestellen 1 bis 8 sind CEE-Steckdosen 32 A, von denen die ersten vier nach ca. 30 m zusammengeführt sind. An den Ladestellen 9 und 10 sind 63 A Verteiler angeschlossen, so dass dort per Schuko, CEE oder Typ-2-Anschluss geladen werden kann. Alle Ladevorgänge bis auf zwei sind so, dass gemäß der D-A-CH-CZ-Richtline keine Grenzwertverletzungen auftreten. Das heißt, alle serienmäßig gebauten E-Mobile und die meisten umgebauten E-Mobile zeigen im Stromverlauf keine Grenzwertverletzungen.

In den Bildern 1 bis 4 sind verschiedene Ladeströme von E-Mobilen dargestellt, dabei sind normgerechte sowie grenzwertüberschreitende Verläufe zu sehen; einmal handelt sich um eine einfache kapazitive Glättung, im anderen Fall um eine einfache induktive Glättung. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Auswertung der beiden grenzwertüberschreitenden Stromverläufe. Der erste Strom mit einfacher kapazitiver Glättung zeigt den erwarteten THD-Wert von 118 %; der zweite Strom mit einfacher induktiver Glättung bringt den erwarteten THD-Wert von 30 %.

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Das Bild 5 zeigt den Ladestrom eines E-Mobils, das einphasig mit ca. 7 kW lädt. Es ist bekannt, dass es einzelne EVUs gibt, die damit kein Problem haben, dass aber auch ein Anschluss eines solch unsymmetrischen Verbrauchers (größer als 4,6 kVA) abgelehnt wird.

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Standardmäßig beginnen die Ladeströme mit allen am Ladevorgang beteiligten Phasen gleichzeitig. Einige Serienfahrzeuge sind so aufgebaut, dass eine Phase nach der anderen zugeschaltet wird (Bild 6).

Das E-Mobil lädt zunächst mit 16 A und nach kurzer Zeit erst mit 32 A stufenweise. Durch die die starke Unsymmetrie wird der Neutralleiter kurzzeitig mit dem Phasenstrom belastet und erhöht die Neutralleiter-Erde-Spannung und erhöht somit auch Spannung der nichtbelasteten Phasen leicht.

Unter den 50 E-Mobilen, die an diesem Nachmittag geladen werden, befinden sich zwei, deren Ladeelektronik fehlerhaft arbeitete (Bild 7). Da stellt sich die Frage, ob die Elektronik selbst so einen Fehler meldet oder ob es eine regelmäßig Über- prüfung gibt bzw. geben sollte.

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Oberschwingungen - Ströme

Die ersten vier Messpunkte (2101 bis 2104) werden nach ca. 30 m in einem Anschluss (1100) zusammengeführt. Die Ströme der Messpunkte 2101 bis 2104 werden im Messpunkt 1100 als Summe gemessen. In dem betrachteten Zeitpunkt ist der Strom an der Messstelle 2104 gleich Null. Die Ströme an den Messstellen 2101, 2102, 2103 und 1100 sind im Bild 8 im Oberschwingungsspektrum dargestellt.

In Rot ist die arithmetische Summe der drei Ströme und in Schwarz die gemessene Summe der drei Ströme dargestellt. Da diese beiden Werte nicht gleich sind, haben die einzelnen Oberschwingungsströme unterschiedliche Phasenlagen, d.h. sie eliminieren sich zum Teil.

Supraharmonische - Spannungen

Die Ladeelektronik von E-Fahrzeugen emittiert in das Netz auch Schaltfrequenzen (Bild 9, 10). Hier gab es sehr deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Herstellern.

Die Störaussendung von Schaltfrequenzen der unterschiedlichen Hersteller sollte während der Messkampagne untersucht werden. Jedoch erwies sich diese Untersuchung als problematisch. Obwohl jedes Fahrzeug an einer separaten Zuleitung und CEE-Dose angeschlossen war, konnte man immer alle Schaltfrequenzen der benachbarten Fahrzeuge im momentan gemesse- nen Fahrzeug in der Spannung und auch sehr deutlich im Strom erkennen.

Somit stellt jedes Fahrzeug mit seiner Elektronik für die supraharmonischen Frequenzen eine Störsenke dar und nimmt diese Störpegel auf. Hierdurch ist es nicht mehr so leicht möglich, über den Strom an einer Messstelle eindeutig den Verursacher dieser Supraharmonischen zu ermitteln. Es ist auch bekannt, dass sich Fahrzeuge gegenseitig so stören können, dass der La- devorgang abgebrochen wird.

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Ausbreitung von Supraharmonischen im Netz

In Bild 11 und 12 ist deutlich zu erkennen, dass vom E-Fahrzeug bis zum Transformator die Pegelhöhe der Supraharmonischen abnimmt. Und zwar nehmen die Pegel bei höheren Frequenzen stärker ab als bei den niedrigeren Frequenzen. Somit sind am Transformator 8 kHz mit dem höchsten Wert zu erkennen, während in der Verteilung noch die 10 kHz überwiegen.

Aktuell gibt es keine Grenzwerte für die Störaussendung von E-Mobilen im Frequenzbereich 2,5 kHz bis 150 kHz. Auch für das öffentliche Netz ist dieser Bereich nicht geregelt. Es gibt aber aktuell Bestrebungen in den Normgremien, diese Lücke mit Verträglichkeitspegeln zu schließen. Für E-Mobile gelten aktuell die Normen IEC 61000-3-2 (Klasse A) bis 16 A und IEC 61000-3-12 (unsymmetrische Geräte Rsce = 33) für 16 A bis 75 A.

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Transiente Einschaltspitzen

Nahezu alle E-Mobile erzeugen im Einschaltmoment eine Strom- und Spannungstransiente im Netz (Bild 13). Die größte Spannungstransiente betrug 400 V und wurde mit 1 MHz Abtastfrequenz ermittelt. Der größte Einschaltstrompeak lag bei 150 A.

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Zusammenfassung

Einige E-Mobile werden einphasig mit einer Leistung von deutlich mehr als 4,6 kVA geladen, in der Messkampagne mit bis zu 7,2 kVA.

Schaltfrequenzen werden von den Fahrzeugen sehr unterschiedlich stark erzeugt. Alle Fahrzeuge wirken aber wieder als Störsenke und »saugen« diese Supraharmonischen aus dem Netz ab. Alle Fahrzeuge erzeugen im Einschaltmoment eine deutliche Spannungstransiente. Dies könnte für andere Verbraucher störend wirken.

Die Stromharmonischen von verschiedenen E-Mobil-Herstellern addieren sich zwar im Netz, aber nicht so stark wie bei einer linearen Addition. Alle Serienhersteller haben die Grenzwerte der Stromharmonischen bis zur 50. Ordnungszahl nicht verletzt.

Die Autoren

Jürgen Blum
Produktmanager Power Quality
A. Eberle GmbH & Co. KG

Prof. Dr.-Ing. Peter A. Plumhoff & Timo Thomas
Elektrische Energietechnik, TH Bingen

HERZliche Grüsse,

Eurer SCHUTZTECHNIK-TEAM

Literatur

[1] Thomas, Timo; Plumhoff, Peter A.: Studie Power Quality in der Elektromobilität – Auswirkungen der Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeugen auf die Netzqualität. FH Bingen, 2013

[2] VDN: Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen. 2. Ausgabe 2007

[3] DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2):2015-03: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 3-2: Grenzwerte – Gren- zwerte für Oberschwingungsströme(Geräte-Eingangsstrom ≤ 16 A je Leiter) (IEC 61000-3-2:2014)

[4] DIN EN 61000-3-12 (VDE 0838-12):2012-06: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 3-12: Grenzwerte – Grenzwerte für Oberschwingungsströme, verursacht von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom > 16 A und ≤ 75 A je Leiter, die zum Anschluss an öffentliche Niederspannungsnetze vorgesehen sind (IEC 61000-3-12:2011)

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