ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2020/008-SE
Examensarbete 15 hp
November 2020
Mätning av högfrekventa övertoner
vid laddning av elbil.
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Measurement of high frequency harmonics during
charging of electric vehicles.
Christoffer Wildner
With more Electric vehicles (EV) on the street, it will lead to an impact of the electric grid. In this work, the charging process of an EV the high-frequency harmonics will be analysed. A common problem with EV charging is that the AC DC converter produces high-frequency
harmonics, which can lead to function loss for electronics at home or reduce the lifetime.
Today's environmental goal of reducing CO2 emissions from transport has led to more and more fossil-free cars starting to roll on the road. With more and more battery-powered electric cars on the roads and sales of electric cars pointing up, more and more questions are raised about how electric car charging affects the electric grid and above all how it will affect surrounding equipment that is close or on the same node when electric cars are being charged.
This thesis will have a deeper look into the high fervency’s harmonics during charging. The range of interest is 2 kHz and 200kHz. The reason for choosing the range is that there has been a new IES6100 standard that includes harmonics in the range of 2 kHz to 200 kHz.
The measurement method was done by measuring a normal Dummy load, the charge box by itself, 2 different cars and with the 2 cars
together. 1 car had only the option to charge at 3,7 kWh on one phase and the second car was charge with 11 kWh on 3 phases. Measurement points where the voltage between Phase and Ground together with Neutral and Ground. The current was measured on one Phase and Neutral. The reason to have the ground as a referencing point is to see how much of a voltage the Neutral will get during charging. Due to lack of time and lack of ICE standard combined with the Covid19 situation measurements have been done manually and only on 2 different types of EV’s and during different battery levels.
But this thesis has a good base for future evaluations of high frequency’s harmonic analyses of different Electric vehicles. The results of the measurements have been reported in a different section. Together with the spectrum diagram and Diagram of the number of the individual harmonics.
Tryckt av: Uppsala
2
Sammanfattning
Med ett ökat antal elbilar i fordonsflottan, undersöks uppkomsten av högfrekventa övertoner i elnä-tet vid laddning av elbilar. 2015 kom ett nytt direktiv som reglerar uppkomsten av högfrekventa övertoner inom området 2 kHz till 150 kHz, samtidigt som ordet supra toner myntades. Eftersom all elektronisk utrustning har krav på EMC-kompatibilitet, genomfördes det en analys av övertoner i detta frekvensområde. AC/DC-omvandlaren som är inbyggd i elbilen har en tendens att ge upphov till högfrekventa övertoner vilket orsakar störningar.i Störningarna som finns kommer i framtiden
även att hittas i närheten av bostäder. Övertoner i detta frekvensområde kan orsaka störningar som brus i radio och tv-apparater eller kan påverka känslig elektronik som datorer. Mätningarna påvisade att det förekommer övertoner mellan 2 kHz och 150 kHz.
3
Innehållsförteckning
Introduktion ... 4 1 Problembeskrivning ... 5 1.1 Avgränsning ... 5 2 Teori ... 6 2.1 Elnätet ... 6 2.2 Effektivvärde (RMS) ... 6 2.3 Vad är övertoner ... 62.4 Total Harmonic Distortion (THD) ... 7
Bilens omformare ... 7
2.4.1 Beskrivning av laddboxen: ... 7
2.4.2 Fast Fourier Transform (FFT) ... 8
Y-Delta kopplad last ... 8
2.4.3 Spektrogram ... 8
2.4.4 Persistence Spektrum ... 9
3 Elkvallitet ... 10
4 Metod ... 11
4.1.2 Storleken på data som ska samlas in ... 12
5 Resultat ... 13 5.1 Resistiv last ... 13 5.1.1 FFT av resistiva Lasten. ... 15 5.1.2 THD-värden ... 16 6 Analys av laddboxen ... 18 6.1.1 THD-värdet för Laddboxen ... 20 6.2 3,7 kW laddning ... 21 6.3 När uppstår övertonerna ... 22
6.4 Skillnad mellan fullt och tomt batteri ... 22
6.4.1 THD-värdena vid tomt och fullt batteri ... 23
6.5 Analys av övertonerna mellan tomt och fullt batteri ... 23
6.6 Övertoner från 99 % till fullt laddat batteri ... 26
7 Snabbladdning på 11 kW ... 28
7.1.1 THD-värdena vid 11 kW laddning ... 31
7.2 Analys på TH- värdena mellan tomt och halvfullt batteri ... 31
7.3 Snabbladdning med 11 kWh och en 3.7 kWh i samma laddbox ... 33
7.4 Analysering av THD-värden ... 36
4
Introduktion
Med ett ökat antal elbilar i fordonsflottan, undersöks uppkomsten av högfrekventa övertoner i elnä-tet vid laddning av elbilar. 2015 kom ett nytt direktiv som reglerar uppkomsten av högfrekventa övertoner inom området 2 kHz till 150 kHz, samtidigt som ordet supra toner myntades. Eftersom all elektronisk utrustning har krav på EMC-kompatibilitet, genomfördes det en analys av övertoner i detta frekvensområde. Då Elbilar oftast parkeras och laddas i närheten till bostadsområden så kom-mer dessa störningar även söka sig till anläggningar som har kom-mer känslig elektronik som tex TV appa-rater och datorer. Det pågår redan forskning på detta ämne där man kollar på högfrekventa toner som kallas för supra toner.
Denna rapport kommer att besvara frågan om det finns störningar i elnätet som kommer från elbilar vid laddning. För att kunna ta reda på dessa frågor kommer först en mätning på en ren resistiv last att genomföras, därefter på laddboxen i Standby mode och senare på laddboxen tillsammans med Elfordon. Elfordonen kommer att laddas var för sig och senare tillsammans. Med tanken på att majo-riteten av alla AC/DC omvandlare i Elfordon använder sig utav swtichar så kommer man kunna se frekvensen i vilket omvandlaren opererar i. Det som avgör om frekvensen är inom godkända områ-det är IES standarden, resultaten kommer att redovisas med hjälp av spektrogram och Diagram av hur stora övertonerna är för övertons numret efter 2000 kHz.
5
1 Problembeskrivning
Dagens miljömål att sänka utsläppen av transporter har lett till att allt fler fossilfria bilar börjar rulla på vägen. Med allt fler batteridrivna elbilar på vägarna samt nybilsförsäljning av elbilar som pekar upp börjar allt fler frågor ställas om hur Elbilsladdningen påverkar elnätets, och framförallt hur den kommer att påverka omkringliggande utrustning som ligger på samma node vid elbilsladdning. Våra apparater som finns i hemmet börjar bli allt känsligare för störningar och 2015 kom ett nytt direktiv IES6100 som beskriver kraven som utrustning måste uppnå för att kunna fungera i dagens hem. Det finns olika förfarande av laddning av elfordon, vilka är indelade i olika kategorier.
Normalladdning: Genomförs oftast med låg effekt och kan ta flera timmar. Laddningen lämpas bäst att ladda hemma eller på jobbet. Normalladdning är oftast laddning som sker över enfas med effek-ter upptill 7,4 kW. Rent praktiskt innebär det att man kan ladda fordonet via en standard Schukokon-takt som är standard i majoriteten av alla hem i Europa. Vid en säkring på 16 A laddar man då med 3,7 kW. Ett Schoku uttag är den typen av uttag som har 2 hål med jordkontakterna på var sin sida. Semisnabbladdning: Förfarande som laddar med högre effekt än normalladdning. Det tar mellan 30 minuter till 2 timmar att ladda en ren elbil. Semisnabbladdning syftar att man har laddstationer som laddar upptill 22 kW likström eller 7 kW till 22 kW växelström.
Snabbladdning: Är när man laddar från tomt till fullt batteri mellan 20 till 30 minuter.ii
Med detta Examensarbete kommer jag att undersöka uppkomsten av övertoner i elnätet vid ladd-ning av Elbilar.
1.1 Avgränsning
6
2 Teori
2.1 Elnätet
Redan tidigt valde man som standard att använda sig av ett nät som hade 3 faser eftersom de var lägst antal ledare som krävdes för att få ett jämnt vridmoment i en 3 fas elmotor och generator. Nätet har utöver 3 faser även en neutralledare och en skyddsjord. Neutralledarens uppgift är att leda tillbaka strömmen från förbrukaren till generatorn när man bara belastar en fas eller får obalans i faserna. Skyddsjordens funktion medför att om ett fel inträffar i apparaten, ska strömmen passera den och säkringen, respektive ska jordfelsbrytaren lösas ut för att skydda person eller egendom. Förr kopplade man oftast en elektrisk motor som gick på 50 Hz på nätet. Allt eftersom mer heme-lektronik används i hushållet som kopplas direkt på nätet, medför detta även skapandet av nya över-toner. Just när det kommer till de högre frekvenser, ansåg man förr att detta inte är av betydelse då de klingar av vid längre avstånd. Med allt fler solpaneler, datorer och elbilar som kopplar in sig, har behovet av reglering av dessa störningar blivit större. Övertonerna har inte blivit mindre av att man har kopplat många halvledare som inte har ett linjärt förhållande. Vilket kan ställa till det för el-kvali-tén.
2.2 Effektivvärde (RMS)
Root Mean Square (RMS). Inom elektroniken används Effektivvärde för att förenkla beräkningar av effekt i växelström. Man använder även Effektivvärdet i växelström eller växelspänning i hushållen för att kunna beräkna energiåtgång på ett enklare sätt.
Eftersom vi mäter strömmen på en periodisk våg som består av en sinus kan man beräkna RMS vär-det enkelt med följande formel. 𝑠̃ = ̂
√
Den generella formeln för beräkning av Effektivvärdet på en periodisk signal är då 𝑠̃ = ∫ 𝑠(𝑡) 𝑑𝑡 s= signalen som är beroende av t.
t= tiden. T = Periodtiden.
2.3 Vad är övertoner
Övertoner är elektriska spänningar och ström som finns i elkraftsystemet som orsakats av olinjära laster. Övertoner i elnätet är en vanlig orsak för el-kvalitetsproblem. För en linjär last är impedansen konstant och oberoende av spänningen. Normalt har vårt kraftnät en spänning som är sinusformad med frekvens på 50 Hz. Den fundamentala tonen som vi har i vårt elnät är på 50Hz. När en last som är linjär kopplas på nätet passerar en ström som är proportionellt med spänningen och som har samma frekvenser. (Måste inte vara i fas med spänningen.)
Om en icke linjär last kopplas på nätet, ger den upphov till en ström som är en förvrängd sinus. Där-med bildas övertoner som orsakar varmgång och extra energiförluster.
Övertoner förses med nummer i ordningen 1,2,3…. (1=50 Hz, 2=2x50 Hz =100 Hz och 3=3x50 Hz=150 Hz). Övertonerna som skapar problem är de ojämna talen som 3, 5, 7, 9, 11 osv.
7
2.4 Total Harmonic Distortion (THD)
Total Harmonic Distorsion. Är ett mått där man mäter förekomsten av övertoner i en signal och är ett definierat förhållande mellan summan på alla förekommande övertoner och den fundamentala frekvensen av signalen.
𝑇𝐻𝐷 =
𝑉 + 𝑉 + 𝑉 + 𝑉 + 𝑉 + 𝑉 𝑉
𝑉 är då RMS-värdet på den n:de övertonen och n=1 är den fundamentala tonen i signalen. Man bru-kar försöka hålla THD-värdena under 8 % för att uppnå en bra elkvalitet.iii
Bilens omformare
Laddboxen är bara en styrkrets som kommunicerar med bilen för att säkerställa att det är säkert att ladda. Det framgår inte vad bilarna har för kraftelektronik och hur likriktningen sker. I figur 1 illustre-ras hur en passiv omvandlare kan se ut. För att kunna omvandla växelström (AC) till likström (DC) an-vänds kraftelektronik som ska ha en funktion som liknar en ventil som släpper igenom strömmen i en given tid och riktning. Det finns olika tekniska lösningar på hur man åstadkommer en sådan funktion. När det kommer till AC/DC-omvandlare, har de en förmåga att läcka likström i neutralledaren. Lik-strömmen har en förmåga att påverka jordfelsbrytare av typ A vilket kan leda till att dessa inte löser ut när ett jordningsfel uppstår. Störningen kan sprida sig längs hela det lokala nätet och in i kringlig-gande anläggningar, skulle störningen vara en likström i neutralledaren kan det vara livsfarligt för omkringliggande anläggningar som har jordfelsbrytare typ A, eftersom man som anläggningsägare inte vet om jordfelsbrytarens skyddande funktion är i takt.
Figur 1 Ett exempel på AC/DC-omvandlare av modell helvågsomriktare
2.4.1 Beskrivning av laddboxen:
8
Figur 2 Charge Amp Aura uppställd i labbet
2.4.2 Fast Fourier Transform (FFT)
En algoritm som beräknar alla toner som signalen är uppbyggd av.
Applicerar man en FFT över en signal, kommer resultatet vara ett diagram som visar alla förekom-mande toner som signalen innehåller.
Figur 3 beskriver hur en signal med toner 50 Hz och 130 Hz ser ut tillsammans med brus, Figur 4 visar hur signalen ser ut i frekvensspektrumet och även vilka frekvenser som störningen består av.
Figur 4 Signal som innehåller 50 Hz och 130 Hz med brus.
Y-Delta kopplad last
Eftersom man har ett 3fasnät, kan man Y eller deltakoppla laster för att kunna få olika spänningar. Vid Y last är lasten kopplad i Y-konfiguration vilket leder till att neutralledaren vid symmetrisk belast-ning inte har en ström i sig.
2.4.3 Spektrogram
Ett spektrogram är en variant på diagram där man använder sig av FFT-algoritmen. Med ett spektro-gram kan man se vilka övertoner som uppstår vid exakta tidpunkten. Färgskalan visar styrkan och X-axeln frekvensen. Y-X-axeln är tidsvektorn.
Figur 5 Ett exempel på spektrogram.
9
2.4.4 Persistence Spektrum
Är ett spektrogram som är mer avancerad än en FFT. Per-sistence spektrum fungerar genom att den analyserar sig-naler och visar alla övertoner oavsett om de bara före-kommer en gång eller flera gånger. Ju fler signaler som fö-rekommer i samma spektrum desto intensivare blir fär-gen. Se exemplet i figur 6iv.
10
3 Elkvallitet
11
4 Metod
4.1.1.1 Spänningsmätning
För att mäta spänningen, valdes Testec TT-SI9001. Den klarar mätningar upp till 10 MHz-området. Spänningen mättes mellan fas och jord samt neutral och jord. Anledningen varför jord valdes som gemensam referenspunkt var för att kunna mäta om det förekommer likspänning i neutralledaren. Fasspänningen beräknas efter att den har bearbetats i MATLAB.
)
Figur 7 Jämförelse mellan strömsensor HASS(gul) och Tektronix A622 (blå) på samma 50 Hz våg.
4.1.1.2 Strömsensorn
Strömsensorn som var planerad att användas var av modellen LEM HAS200 med ett mätområde upp till 200 kHz figur 9. Eftersom utsignalen hade ett SNR-nivå på 21 dB, var det svårt att kunna avläsa de små strömmarna i höga frekvenser. Det gjordes försök att skärma av strömsensorn utan framgång som kan ses i figur 10. Eftersom tiden började närma sitt slut, valdes en strömtång av modellen Tektronix A622 som fanns i Electroniclabbet. Strömtången klarade en upplösning på 100 kHz. Enligt databladet, var signalkarakteristiken -3 dB vid 100 kHz och -4 dB vid 200 kHz. Med signalkarakteristi-ken menas att mäter man en våg som innehåller signaler med samma amplituder men olika frekven-ser, kommer signalerna som innehåller 100 kHz vara -3dB mindre än signaler som har samma ampli-tud i 50Hz och -4dB för signaler som innehåller 200 kHz. Eftersom tillgången till standarden för gränsvärdena saknades så ansågs att -4 dB vid 200 kHz var acceptabel,
då man fortfarande kan se om störningar inom detta område finns men inte säkerställa om dessa är inom ramen.
12
4.1.1.3 Mätningens miljö
Mätningen genomfördes på Uppsala universitet Ångströmlaboratoriet Ellab.
Laddboxen placerades på ett bord med mätinstrumenten. Tanken från början var att bygga en mät-box som kopplades mellan nätet och laddmät-boxen. Då skulle man kunna skärma av mätutrustningen mer från EMC-störningar som kommer från omgivningen och mätningen kunde genomföras automa-tiskt. Vid genomförandet av mätningarna, mätboxen ställdes på ett bord nära utgången av labbet. Strömmen hämtades från ett 32 A 3fas-uttag och en 3fas-kabel på 25 meter kopplades mellan utta-get och laddboxen. Kabeln placerades rak längst golvet så att inga knutar eller slingor bildas. Fasle-darna i kabelstommen är tvistade med varandra. Samma typ av kabel som troligen används vid fast-installation av en laddbox av samma modell.
4.1.1.4 Avgränsningar i mätningen
Tiden för mätningen ska vara 0,4 s. Enligt IES6100-4-30 är 0,2 s tillräckligt för att kunna göra en FFT-analys för frekvenser mellan 2 kHz och 200 kHz. Samplingsfrekvensen ska vara minst 1024 kHz. För mätningarna i denna rapport användes en samplingsfrekvens på 1250 kHz och en mättid på 0,1s. Den korta mättiden beror på begränsningar i Picoskåpets arbetsminne. Picoskåpet har en upplösning på 16 Bit Integer. Man får en upplösning på +-32768 värden. Om man nu vill kunna läsa av fasspän-ningen som har +-340 Vp, är det lämpligt att välja ett mätområde på 360 Volt. Detta betyder att man har 91,02 mätpunkter på en volt och kan därmed mäta en skillnad upp till 10,98 mV.
För strömmen är den teoretiska upplösningen 1024/A. Vilket ger 0,976 mA.
4.1.2 Storleken på data som ska samlas in
En mätpunkt på 16 Bit int, har en storlek på 2 byte. Vid 1,25 MHz samplingsfrekvens kommer det bli 1 250 000 mätpunkter i sekunden som blir 2 500 000 byte eller 2,5 MB i sekunden. Om man vill mäta spänning och ström i neutralledaren och fas, blir det 4 kanaler som genererar 2,5 MB/s data var = 10MB/s. Vid mätning under 1 timme blir det 36 GB/h.
För att hålla mängden data på en rimlig nivå, genomförs det en mätning var tredje minut. Främsta anledningen till att mätningen görs manuellt är pga. avsaknad av mätboxen.
4.1.2.1 Mätnoggrannheten
Picoskopet mätte med en 16 bitars upplösning. Spänningen mättes med en upplösning på 15 mV, strömmen med en upplösning på 1,5 mA. Att den verkliga upplösningen skiljer sig från den teore-tiska upplösningen beror på att mätområdet var inställt på 500 V vilket påverkar upplösningen av mätningen till det negativa. Tidsaspekter mellan tidpunkterna måste man ta hänsyn till, det tar unge-fär 5 timmar att ladda ett elfordon med den laddboxen som används, variationen i elnätet kan på-verka mätresultatet. För att kunna utföra en beräkning som kan jämföra med standarden så använ-des det en samplingsfrekvens på 1,25 MHz.
Vid uträkning av THD så beräknades alla värdena på alla enskilda övertoner.
4.1.2.2 Hur behandlas data
Samplingen behandlades i Matlabbprogram: Först bearbetades spänningen i fasen för att få fram värden på fasspänningen. Man tog fasspänningen och subtraherade spänningen från neutralledaren. Efteråt filtrerades signalen med ett lågpassfilter med passband till 200 kHz.
4.1.2.3 Hur kommer resultaten att redovisas.
13
5 Resultat
5.1 Resistiv last
Mätning genomfördes då på alla faser och neutralledaren som infattar både ström och spänning. Re-sistorn är balanserad och kopplades i Y-konfiguration. För att säkerställa att ingen omkringliggande störning förvränger våra mätvärden, mättes en resistiv last, även kallad för Dummy Load. (figur11). Lasten var av märket Terco MV1100 3fas 3,3kW steglösreglering. Mätningen av den resistiva lasten skedde efter att laddningen av 11kWh avslutades.
.
Figur 10 Bild på den resistiva lasten som kopplades i Y-konfiguration
14 Resistorerna kopplades i Y-konfiguration. I figur 11 kan man se några få dominanta övertoner i 2 kHz området som uppstår vid tidpunkten kort innan 0.02, 0.08 och 0.09.
Figur 12 Fasströmmen Dummy Loade fas1 Y-kopplad.
Man kan tydligt se i figur 13 att man har frekvenstoppar i neutralströmmen som är regelbundna men i varierande styrka. Dessa kan komma från omkringliggande elektrisk utrustning. Utifrån resistorns datablad framgår inte hur linjärt lasten är i de högfrekventa områdena. Däremot kan man använda denna som jämförelse mot elbilarna och laddboxen.
15
5.1.1 FFT av resistiva Lasten.
Vid beräkningen av FFT i fasströmmen figur 14 och figur 15 ser man att majoriteten av de dominanta övertonerna ligger vid de lägre frekvenserna. Och efter 5000 Hz är övertonerna förhållandevis låga i fasström och spänning. I neutralströmmen kan man se högre värden på övertonerna efter 5000 Hz men detta beror på att signalen har blivit normaliserad för att kunna jämföras lättare.
.
Figur 14 FFT av fasströmmen i Dummy Load
16
5.1.2 THD-värden
Tabell 1 THD-värden av den resistiva lasten med 50 Hz-grundton
Fas1 Fas2 Fas3 Neutral RMS THD RMS THD RMS THD RMS THD Spänning 228,74 V 47,00 % 231,32 V 12,64 % 230,68 V 12,68 % 0,08 V 17,19 %
Ström 4,4 A 12,630 % 4,5 A 12,66 % 4,49 A 12,07 % 0,05 A 43,78 % Vid mätningen av övertoner i frekvensområdet mellan 2 kHz och 200 kHz är nivån på övertonerna noggrannare än vid de lägre frekvenserna. Detta beror på att vid 0,1 sekunder har man bara 5 hela perioder på en 50 Hz-våg. För frekvenser på 2 kHz räknar skriptet ut THD på 200 perioder och för 200 kHz blir det 20 000 perioder. Magnituden av de enstaka fundamentala tonerna för spänningen och strömmen kan avläsas i figur 17 och figur 18. Tonerna i neutralledaren var såpass små att dessa för-stärktes med 100 gånger för spänningen i figur 17 och 10 gånger för övertonen i strömmen i figur 18. De höga THD värdena I faserna kommer att diskuteras senare under diskussion. I tabell1 kan man se de höva THD värden som mättes vid den resestiva lasten.
Majoriteten av dessa övertoner kommer från de lägre övertonnummer. För att kunna få ett statist-iskt bra underlag för dessa toner så krävs det att mätningen sker på en våg som är minst 10 perioder lång och att mätningen pågår under än längre tid. I Tabell 1 mättes bara en tidsperiod på 0,2 sekun-der vilket inte är tillräckligt för att kunna skapa ett statistiskt bra unsekun-derlag men tabellen ger en fing-ervisning på att det finns övertoner i den lägre nummerordningen som påverkar våran mätning.
Figur 16 De 15 första övertonerna i spänningen mellan 2 kHz och 200 kHz 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Spänningarna % av grundtonen
17
Figur 17 De 15 första övertonerna i strömmen mellan 2 kHz och 200 kHz 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i strömmen % av grundtonen
18
6 Analys av laddboxen
För att säkerställa övertonerna inte bara kommer från elbilen så analyserades även laddboxen. Mät-ningarna genomfördes när laddboxen var kopplad till nätet och ingen bil ansluten. Laddboxen kunde inte belastas med en ren resistiv last då elektroniken i boxen inte godkänner/ känner igen lasten som kopplas in. Vilket går i linje med standarden som man har använt sig av för att ladda elfordon då laddboxen bara ska ge ström när en elbil är inkopplad och det är säkert att ladda. I figur 19 kan man se att den blåa linjen är fasen som är fri från störningar i området 2 kHz. I figur 20 ser man att stör-ningarna är minimala. Detta kan ha att göra med att laddboxen konsumerar liten ström som leder till att spänningsdippen vid belastningen är liten.
.
Figur 18 FFT av laddboxen.
Figur 19 Fasspänningen för laddboxen spektrogram med ett persistence spektrum.
19 filtrerat bort de högfrekventa spänningsövertonerna från nätet. Det man däremot kan se är en distinkt område på 70 kHz-störningarna i neutralspänningen som man ser i figur 21 kommer från laddboxen. Störningarna i neutralledaren kommer från att laddboxen tar ut effekten på en fas. Man kan se likheter i karakteristiken på övertonerna när man jämför fasströmmen figur22 och neutral-strömmen figur 23.
Figur 20 Spektrogram för neutralspänningen med Persistence Spektrum
20
Figur 22 Spektrogram för Neutralspänningen med Persistence Spektrum
6.1.1 THD-värdet för Laddboxen
THD-värdet på spänningen är på 12 % (Tabell 2). Man kan även se att THD-värdera på 111 % är höga med en ström på 0,08 𝐴 . Att strömmen har ett högt RMS-värde är föga förväntad då laddboxen bara förbrukar 0,08 𝐴 och att den icke linjära lasten är orsaken för det höga THD-värdet.vi. Då
tidsfönstret är kort så har skriptet bara kunnat räkna på 5 cykler i grundtonen. Praxis är minst 20 för att få bra värden på låga övertoner. Detta har en inverkan på THD-värdet i tabell 2 då de låga överto-nerna har störst inverkan på THD-värdet.
Tabell 2 Uppmätta THD-värden av laddboxen
Fas1 Neutral RMS THD RMS THD
21
6.2 3,7 kW laddning
VW E-Up! har bara möjlighet att ladda med 3,7 kW detta då fordonet inte har funktionen att kunna ta emot 22 kW laddning. 3,7 kW laddning innebär att fordonet bara hämtar ut effekten på en fas. Rent praktiskt innebär det att man kan ladda fordonet via en standard Schuko-uttag som är standard i majoriteten av allas hem i Europa. Det man kunde se var att övertonernas karaktär i fasströmmen liknar den som finns i neutralströmmen. Detta på grund av Kirchhoffs strömlag. Man kan se i figur 24 att nivåerna i övertonerna inte är av betydande storlek efter 20 kHz.
.
Figur 23 FFT av spänningen mellan 2 kHz och 200 kHz.
När det kommer till neutralspänningen så ser man vissa högfrekventa toner i 135 kHz-området när bilens batterinivå är lågt men detta kan vara en minimal störning då den inte uppstår lika regelbun-det som de lägre frekvenserna.
22
6.3 När uppstår övertonerna
När man avläser spektrogrammet i figur 25 ser man att övertonen blir starkast när spänningen går från positiv period till negativ period. Eftersom dessa är regelbundna, kan man anta att de kommer från likriktaren. Det är vid dessa nollgenomgångar som övertonerna är starkast då likriktaren arbetar i det olinjära arbetsområdet. I figur 26 så kan man även se att likriktaren från den positiva till nega-tiva vågen ger upphov till starkare övertoner än från negativ till positiv. Indikationen på styrkan kan man avläsa på färgen som är mer gulvit än ljusgrön.
Figur 25 Visualisering när övertonerna uppstår vid nollgenomgång av signalen.
6.4 Skillnad mellan fullt och tomt batteri
Vid låg batterinivå som motsvarar ungefär 13 % i figur 27 kan man se att övertonerna är flera i fasspänningen. När batteriet är fulladdat syns det tydligt att övertonerna i neutralledaren (figur 30) och fasen (figur 29) är mindre intensiv än vid laddning med full effekt. Däremot ser man mindre re-gelbundna frekvenstoppar i 10 kHz-området.
23
Figur 27 Spektrogram och spektrum av fasspänningen vid fullt batteri.
6.4.1 THD-värdena vid tomt och fullt batteri
THD-värden som fås fram när man laddar fordonet är relativt jämna under hela förloppet, i tabell 3 kan man se alla uppmätta värden.
Tabell 3 THD-värden för tomt och fullt batteri
6.5 Analys av övertonerna mellan tomt och fullt batteri
I figur 29 syns övertonerna vid fullt batteri är generellt mindre än majoriteten av alla övertonerna. Det man kan se är att de ojämna övertonerna är dominantare än de jämna. I genomsnitt så är de flesta övertonerna som starkast när batteriet är tomt. Man kan även tydligt se att förekomsten av övertoner i fasströmmen figur 29 och neutralströmmen figur 30 har starka likheter. När man jämför histogrammen i figur 29 och 30 så måste man ha i åtanke att tidsskillnaden mellan mätning 10 % och 99 % är mer än 4 timmar viket kan ha en påverka på mätnoggrannheten då störningar kan före-komma.
Tomt batteri
RMS THDFullt batteri
RMS THD24
.
Figur 28 Intensiteten av övertoner vid olika batterinivåer uppdelad på övertonsnummer
Figur 29 Intensiteten av övertoner vid olika batterinivåer. uUppdelad på övertonsnummer
Att övertonerna i fasströmmen och neutralströmmen är identiska är extra tydligt när man jämför fi-gur 30 samt 31. Magnituden på alla övertoner är lika vilket stämmer överens med Kirchhoffs ström lag. 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Fasspänningen % av grundtonen
10% 50% 99% 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Neutralströmmen % av grundtonen
25 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Fasströmmen % av grundtonen
10% 50% 99%
26
6.6 Övertoner från 99 % till fullt laddat batteri
Den största skillnaden på övertonerna kunde man se när fordonet var fulladdad. Tiden mellan mät-ningen 99 % och 100 % mindre än 1 minut. Man kan anta att fordonet reglerar strömmen för att inte överladda batteriet vilket kan skada batteriet. vii När man kollar på tabell 4 ser man att strömmen
av-tar ganska snabbt från 14,71 𝐴 till 12,79 𝐴 sen direkt till 0,5 𝐴 . Spänningen under denna nergång håller sig på en jämn nivå lika med THD-värdarna som håller sig på en jämn nivå. När man avläser figurerna 32 och 33 kan man se en tydlig skillnad mellan fullt och tomt batteri. Det som hän-der är vid tomt batteri passerar det en högre effekt igenom likriktaren. Eftersom likriktaren är desig-nad för en ström som är normalt vid laddning, avger likriktaren starkare övertoner när batteriet bör-jar bli fulladdat. Observerar att det inte var möjligt att mäta likriktarens temperaturskillnad mellan tomt och fullt batteri. Temperaturen kan ha en inverkan på likriktaren karakteristik i det olinjära om-rådet.
Tabell 4 THD och RMS vid slutskedet av batterieladdningen.
Det som märks är att THD-värdet ökar ju fullare batteriet blir, detta för att strömmen till batteriet avtar. De övertoner som är dominantast är som vanligt de udda. I figur 32 och 33 kan man se histo-grammet av hur övertonerna förändrar från ungefär 99 % till fullt batterier.
Figur 31 magnituden av övertoner i fasen vid slutet av laddningen uppdelad på Övertonsnummer 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65
Övertoner i fasspänningen % av grundtonen
99% 99,5% 100%
99% 99,50% 100%
27
Figur 32 Övertoner i fasströmmen vid slutet av laddningen, uppdelad på övertonsnummer. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65
Normalisernade Övertoner i Fasströmmen % av grundtonen
28
7 Snabbladdning på 11 kW
Vid 11 kW laddning så får bilen ström via alla 3 faser. Man kan då utgå att bilen laddar lika på alla 3 faser som kommer att resultera i en symmetrisk last. Vid en första anblick i figur 34 kunde man re-dan avläsa att neutralströmmen med ett värde på 3 𝐴 betyder att lasten inte var symmetrisk. Strömmen i fas3 var på ungefär 15 𝐴 . Utöver osymmetri kunde man även avläsa en massa transi-ter i neutralströmmen.
Figur 33 Graf av signalen vid laddning av en BMW i3
Bilens batterinivå var på 3 % när laddningen börjades och laddningen avslutades när batterinivån låg på 45 %. Vid ungefär 30 % på batterinivån byttes plats på spänningsproben från fas1 till fas2. Detta gjordes för att få mer data från fas2 då övertonerna i strömmen för denna fas liknade mer en triang-elvåg än sinus.
29 Då komponenterna för bilens omformare inte är kända så antar vi att den består av en aktiv
helvågsomriktare för att kunna ta ut så stor effekt som möjligt. När man studerar spektrogrammet för fasspänningen i figur 36 så ser man att man även kan tyda siluetterna från övertonerna som upp-kommer från övriga faser.
Figur 35 Spektrogram på fasspänningen
Även när man mäter strömmen så ser man tydligt att övertonerna från närliggande faser återspeglas i spektrogrammet i figur 37 likt det som händer i figur 36.
Figur 36 Spektrogram på fasströmmen
30
Figur 37 Spektrogram För neutralströmmen
31
7.1.1 THD-värdena vid 11 kW laddning
THD-värdarna för neutralspänningen och neutralströmmen är höga. Detta kan förklaras genom att strömmen och spänningen hos dem är ganska lågt och att neutralledaren behandlas som en ledare där alla störningar samlas på en punkt se Tabell 5. En fördel med 11 kW laddning är att den använder sig av alla 3 faser vilket reducerar höga strömmar i neutralledaren. Höga strömmar i neutralledaren kan påverka alla fasspänningar. Detta på grund av strömmen i neutralledaren ger upphov till en spänning som påverkar fasspänningen i alla faser och omkringliggande utrustning.
7.2 Analys på THD
7.3 värdena mellan tomt och halvfullt batteri
Skillnaden i övertonerna mellan olika batterinivåer är stor. Vid 45 % batterinivå har vi den starkaste övertonen i fasspänningen övertonsnummer 43. De ojämna övertonstalen är större än de jämna då vilket man kan se i figur 39. För fasströmmen i figur 40 är de största övertonerna vid 45% batterinivå. Återigen ser man att alla udda övertonsnummer är de dominerande. Skillnaden på THD värden i ne-utralledaren är ganska jämna för 3 % respektive 45 % vilket går att avläsa i figur 41.
Figur 38 FFT av fasspänningen uppdelad på övertonsnummer 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Fasspänningen i % av grundtonen
3% 30% 45%
3% 45% Fas2
RMS THD RMS THD
Fas Spänning 228,73V 13,56% 229,93V 12,66% Fasström 16,4A 13,07% 16,2A 12,72% Neutralspänning 0,4V 46,50% 0,3V 29,30% Neutrals ström 2,69A 51,47% 2,4A 30,40%
32
Figur 39 Övertonerna från fasströmmen mellan tomt och fullt batteri uppdelad på övertonsnummer. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Fasströmmen i % av grundtonen
3% 30% 45%
Figur 40 Övertonerna av neutralströmmen uppdelad i övertonsnummer 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Neutralströmmen i % av grundtonen
33
7.4 Snabbladdning med 11 kWh och en 3.7 kWh i samma laddbox
Vid laddning av 2 bilar med samma laddbox belastades fas1 av båda Bilar. Detta återspeglas i ne-utralströmmen pga Kirchhofs strömlag. Man kan i figur 42 avläsa att strömmen i fas 1 är nu 32 𝐴 och neutralströmmen på runt 16 𝐴 Detta då fordonet som laddar med 3,7 kW bara belastar 1Fas.
Figur 41 Graf av signalen när man laddade 2 bilar samtidigt.
I figur 43 ser man att efter 10 kHz så är övertonerna signifikant lägre än de som finns i området mel-lan 2 kHz och 10 kHz.
Figur 42 FFT av spänningen och Neutralströmmen i fas1.
34 blivit mindre. I figur 36 kan man se fasspänningen ör BMW i3 och i figur 27 kan man se fasspän-ningen för VW E-Up!
Figur 43 Spektrogram av fasspänningen
Fasströmmen i figur 45 visar likheter i spektrogrammet som i fasspänningen i figur 44. Detta för att det finns en korrelation mellan ström och spänning.
Figur 44 Spektrogram av fasströmmen
35
Figur 45 Spektrogram av neutralströmmen .
36
7.5 Analysering av THD-värden
Mätningen med 2 bilar varade bara under en kort tid. Bilen som laddas med 22 kW hade en batteri-nivå på 20% och bilen som laddade med 3,7 kW hade en batteri-nivå på 85%. I tabell 6 kan man se att THD-värden var höga. Spänningen i neutralledaren var de högsta som mättes under alla mätningar man genomförde. Man brukar säga att en spänning på 4 Volt i neutralledaren tyder på en hög neutral-ström vilket kan påverkar fasspänningen för omkringliggande utrustning.
Tabell 6 THD värden vid laddning av 2 bilar
Fas1 Fas2 Fas3 Neutral RMS THD RMS THD RMS THD RMS THD Spänning 224,65V 12,48% no data no data no data no data 2,42V 13,6% Ström 32,12A 12,6% 15,68A 13,16% 14,96A 12,53% 18,57A 13,35% Man kan se att övertonerna i neutralledaren sticker ut i mängden när det laddas 2 bilar samtidigt. Fas 2 har de starkaste övertonerna i strömmen. Det kan bero på variationer i likriktarna detta visas både i Tabell 6 och i Figur 48
Figur 47 Övertonerna i strömmarna vid 11 kW och 3,7 kW laddning
När man jämför övertonerna i spänningen mellan varandra i figur 49 ser man att de högfrekventa övertonerna vid laddning av båda bilar samtidigt är mindre. Detta gäller inte för strömmarna där fasströmen vid laddning av båda bilar är signifikant högre än alla andra övertoner inklusive neutralledaren. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Övertoner i Strömmarna % av grundtonen
37
Figur 48 FFT av övertonerna i fasspänningen
Figur 49 övertonerna i strömmen för olika laddningsmodeller.
Vilken laddningsmetod som är lämpligast för avseende elkvalitet så är en laddning på 11 kW att före-dra pga lägre neutralströmmar. Även när det kommer till elkvalitet i de högre frekvenser så är 11 kW laddning det bästa alternativet. Strömmen i neutralledaren är i de flesta fall ett problem när det gäl-ler höga effektuttag. Detta för att höga strömmar i neutralledare ger upphov till en spänning som påverkar fasspänningen för alla faser. Även att det kan förekomma likströmmar i neutralledare som kan slå ut Jordfelsbrytare av Typ A är ett problem som måste beaktas.
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Skillnad i spänningsövertonen mellan BMW i3 och VW E-Up!
Fas1 BMWi3 VW E-up! Vid Ladding av BMW i3 + VW E-Up!
0 0,5 1 1,5 2 2,5 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Skillnad i strömövertonerna mellan BMW och VW E-Up!
Fas1 BMWi3 VW E-up! Fass1 BMW i3+VW E-Up!
38
8 Diskussion
I tabell1 kan man se de höva THD värden som mättes vid den resestiva lasten.
majoriteten av dessa övertoner kommer från de lägre övertonnummer. För att kunna få ett statist-iskt bra underlag för dessa toner så krävs det att mätningen sker på en våg som är minst 10 perioder lång och att mätningen pågår under än längre tid. I Tabell 1 mättes bara en tidsperiod på 0,2 sekun-der vilket inte är tillräckligt för att kunna skapa ett statistiskt bra unsekun-derlag men tabellen ger en fing-ervisning på att det finns övertoner i den lägre nummerordningen som påverkar våran mätning. Saker som kan diskuteras är inverkan av högfrekventa toner från omgivningen. Man kan avläsa att de högfrekventa övertonerna vid laddning av EV var ungefär 10 gånger större än vi resestiv last. Detta ger os en indikation att vi även mäter de högfrekventaövertonerna från omgivningen men att dessa är runt 10gånger lägre eller -20dB lägre än de uppmätta vid laddning av EV.
Det förekommer högfrekventa övertoner vid laddning av elbilar. Frågan man ställer sig är om dessa är inom gränsvärden och om dessa blir starkare ju fler elbilar som laddas samtidigt. När jag startade projektet fanns det inte att tillgång till standarden som tog upp gränsvärden vilket leder till att man inte kan avgöra ifall övertonerna är inom det acceptabla området. När man studerar spektrogram-met kan man se att störningarna i neutralledaren vid resistiv last som var Y-kopplad är något större i neutralledaren än i fasen. Detta kan troligen ha att göra med omkringliggande utrustning som avger störningarna påverkar neutralledaren.
Vid laddning av elbilar ändras dessa med tiden när batteriet är fullt/ tomt. Mätningen skedde bara på 2 bilar. Men för att kunna få bättre resultat skulle det vara bra att kunna genomföra mätningar på flera bilar samt att dessa mätningar är automatiserade.
Frågor som bör diskuteras är vem bör vara ansvarig för att övertoner inte ska leta sig igenom Elsyste-met? Vilket intresse har elbilstillverkaren att deras produkter är kompatibla med elnätet, att de inte påverkar omkringliggande utrustning och förbrukare. Som regelverket ser ut nu, testas elkvaliten vid typgodkännandet innan fordonsmodellen får säljas. När det kommer till konsumenten och anlägg-ningsägaren, kan elleverantören sätta stopp för att ladda elfordonen hemma om det förekommer för stora störningar i nätet, detta med hjälp av elavtalet.
När det kommer till ansvarsfördelningen, finns det ett regelverk som reglerar störningarna beroende på hur långvariga eller starka de är. Är varaktigheten i spänningsdipp kortare än 1,1 sekunder och över 40 % av U nominell så är det kundens ansvar.viii Men om nu alla skulle ha en elbil och kopplar
den på samma nät blir det svårt att lägga ansvaret på kunden, detta då elbilen förflyttar sig geogra-fiskt och kunden inte vet när tex grannen ska ladda sin elbil. Här skulle det vara passande att man lägger ansvaret på tillverkaren av laddstolpen som stoppar laddningen om spänningsdippen är för hög. När sen fler i ett område har införskaffat sig en elbil, kommer detta att sätta större krav på elnä-tet vilket i slutändan kräver utbyggnad av redan befintliga infrastruktur.
Eftersom det är flera nyare komponenter som orsakar problem i elnätet som tex vindkraft, solpane-ler och elbilar kommer detta ställa krav på både tillverkaren och leverantörer.
När det kommer till ansvarsområdet för tillverkare av elbilar, följer de flesta tillverkare EU-standar-den. Frågan borde lyftas om standarden för elfordon är tillräcklig som det är nu. Elbilar är trotsallt stora förbrukare som inte är fast installerade och som kan förflytta sig geografiskt snabbt och enkelt.
i Elinstalatörern. (den 2 May 2019). Obehagligt när jordfelsbrytarnas skydd försvinner i det tysta.
https://www.elinstallatoren.se/innehall/nyheter/2019/maj/obehagligt-nar-jordfelsbrytarnas-skydd-forsvinner-i-det-tysta/
39
iii (Sven-Erik Berglund, 2007)
https://energiforskmedia.blob.core.windows.net/media/19568/emc-elkvalitet- och-elmiljo-guide-for-elanvandare-och-allmant-sakkunniga-inom-elomradet-ny-version-januari-2007-elforskrapport-2007-40.pdf
iv Wikipedia ”Prestistence Spectrum”
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/b/bd/Bluetooth_signal_behind_wireless_lan_signal.png
v Leinonen, A. A. (2017). Projektering och elkvalitetsstudie av. Högskolan Väst vi (Niklas Scherman, 2015-06-30)
vii Elsäkerhetsverket
https://www.elsakerhetsverket.se/globalassets/publikationer/rapporter/elsak-rapport-informationsbehov-och-elsakerhetskrav-vid-energilagring-av-el.pdf
