Transformacja transportu publicznego sprawia, że zajezdnie autobusowe coraz częściej przypominają nie klasyczne punkty konserwacji pojazdów, lecz dynamiczne, energetyczne stacje wyposażone w impulsowe odbiorniki dużej mocy. Szczególnie w większych miastach tradycyjne spalinowe autobusy są zamieniane na hybrydowe lub w pełni elektryczne środki transportu. Ten proces stanowi poważne wyzwanie energetyczne i wiąże się z poważnym wyzwaniem, jakim jest modernizacja energetyczna takich obiektów. Kluczowym elementem nowoczesnych zajezdni stają się stacje ładowania. W przeciwieństwie do tradycyjnych obciążeń, ładowarki autobusów elektrycznych nie generują stałego profilu poboru energii – zarówno czynnej, jak i biernej.

W praktyce eksploatacyjnej coraz częściej obserwuje się zjawisko gwałtownych skoków mocy biernej pojemnościowej, występujących wyłącznie w trakcie ładowania, przy bardzo niskim poborze poza cyklem pracy. Efekt ten prowadzi do:

• znacznego pogorszenia współczynnika mocy cos φ,
• naliczania opłat za energię bierną pojemnościową,
• powstawania strat mocy w instalacji i konieczności przewymiarowania kabli,
• w skrajnych przypadkach – problemów z jakością energii i w konsekwencji negatywnego wpływu na urządzenia pracujące w instalacji, zmniejszającego ich żywotność i podnoszącego ryzyko wystąpienia awarii.

W artykule przedstawiono analizę rzeczywistych instalacji stacji ładowania autobusów elektrycznych oraz omówiono mechanizm powstawania zjawiska mocy biernej i skuteczne metody jego kompensacji.

Na czym polega problem?

Ładowarki elektryczne dużej mocy to zaawansowane urządzenia energoelektroniczne, które przetwarzają prąd przemienny z sieci na prąd stały o określonych parametrach wymaganych do skutecznego i bezpiecznego ładowania akumulatorów. Ze względu na swoją konstrukcję posiadają szereg podzespołów, których normalna praca generuje efekt uboczny w postaci energii biernej pojemnościowej. Są to między innymi:

• aktywne prostowniki, charakteryzujące skokowymi cyklami ładowania,
• filtry przeciwzakłóceniowe EMC,
• kondensatory po stronie napięcia stałego i przemiennego (DC i AC).

W efekcie podczas pracy układ zaczyna generować moc bierną pojemnościową. Co więcej, wartość tej mocy nie jest stałą i zależy od wielu czynników, takich jak technologia wykonania ładowarki, zapotrzebowanie na moc (wynikające z pojemności czy częściowego naładowania akumulatorów) czy ilości pojazdów podłączonych w jednym momencie do stacji. Układ kompensacji mocy biernej dla takich warunków pracy musi więc uwzględniać:

• pracę ładowarki w trybie stand-by, kiedy żaden pojazd nie jest podłączony (tryb czuwania),
• zróżnicowanie pobieranych przez ładowarki mocy przy ładowaniu różnych typów pojazdów,
• dynamiczne zmiany obciążenia.

Jakie są rozwiązania?

Problem kompensacji dla stacji ładowania nie jest trywialny i wymaga dokładnej analizy energetycznej i technicznej obiektu. Również rozwiązania kompensacji są w dużej mierze zależne od specyfiki danej instalacji, stąd do każdej realizacji należy wdrożyć podejście indywidualne. Wymienione wcześniej wyzwania wymagają uwzględnienia szczególnych warunków pracy układu kompensacji:

• niski pobór mocy w trybie stand-by – konieczne jest rozważenie możliwości samoczynnego odłączania ładowarki w trybie bezczynności lub zrealizowanie kompensacji z członami o niskiej mocy,
• gradacja poziomów mocy zależna od chwilowego zapotrzebowania – konieczność odpowiedniego stopniowania dla poszczególnych poziomów mocy, poprzedzona dokładnymi pomiarami i analizą badanej instalacji i przyłączanych pojazdów,
• środowisko sprzyjające awariom – kurz, warunki atmosferyczne, zmiany temperatur czy też wilgotność, czyli czynniki, które wpływają na żywotność układu kompensacji i uzasadniają zastosowanie klasycznych, pasywnych rozwiązań.

Kluczowym etapem przy doborze układu kompensacji jest wykonanie prawidłowej i dokładnej analizy obiektu. W tym celu niezbędnym etapem są pomiary analizatorem jakości energii przynajmniej w klasie S z aktualnym świadectwem wzorcowania. Analizowane są wartości mocy czynnej, biernej pozornej, wartości współczynników cos φ i tg φ, zawartości harmonicznych, wartości skuteczne prądów i napięć. Szczególną uwagę zwraca się na stany rozpoczęcia ładowania oraz pracy na pełnym obciążeniu i w stanie bezczynności dla różnych konfiguracji przyłączonych pojazdów. Próbkowanie powinno być jak najczęstsze (np. co 1 sekundę) w celu zarejestrowania dynamicznych zmian mocy, możliwych do przypadkowego pominięcia i uśrednienia przy dłuższych interwałach pomiarowych.

               Najczęstsze metody kompensacji dla takich obiektów to:

• regulator mocy biernej z baterią dławików – rozwiązanie zalecane ze względu na żywotność, jednak wymagające skrupulatnej analizy instalacji,
• kompensator hybrydowy – połączenie baterii dławików z członem aktywnym (szybko reagującym, np. TCR lub SVG), łączące żywotność z wysoką dynamiką pracy układu,

kompensator aktywny typu SVG lub APF – skuteczne dynamiczne urządzenie, kompensujące jednocześnie moc bierną pojemnościową i indukcyjną, jednak charakteryzujące się zmniejszoną żywotnością i niską odpornością na warunki zewnętrzne, co wiąże się z potrzebą regularnej i częstej konserwacji.

Case Study 1

Stacja ładowania autobusów elektrycznych w zajezdni na terenie małego miasta w województwie dolnośląskim

Jedną z realizacji firmy Rabbit był układ kompensacji mocy biernej dla stacji ładowania autobusów elektrycznych w zajezdni na terenie małego miasta. Ładowarka zasilała jednocześnie do dwóch autobusów i generowała zarówno duże ilości energii biernej pojemnościowej w trakcie pracy oraz niskie wartości w trybie stand-by. Rozwiązaniem doraźnym było więc odłączanie zasilania ładowarki na okres bezczynności oraz załączanie jej jedynie na czas ładowania akumulatorów.

Zaproponowano dwa warianty kompensacji – urządzenie aktywne SVG oraz kompensator zbudowany z baterii dławików. Ze względu na charakterystykę obiektu zalecono rozwiązanie z pasywnymi dławikami, które zostało zatwierdzone przez inwestora. Główny człon kompensacyjny stanowiły trzy 3-fazowe dławiki o mocy 5, 10 i 20 kVAr, dobrane do zmierzonej mocy biernej dla różnych wariantów podłączenia pojazdów. Taki wybór stopni pozwala na uzyskanie 7 różnych stopni kompensacji (od 5 do 35 kVAr, co 5 kVAr), w zależności od chwilowego zapotrzebowania. Członem dodatkowym były 4 stopnie 1-fazowych dławików, gwarantujące prawidłową kompensację w czasie bezczynności lub zasilenia niedużych odbiorników. Kompensator został uzupełniony o automatyczny regulator mocy biernej Lovato DCRG8IND z rozszerzonymi wyjściami. Ze względu na wagę zastosowanych elementów pasywnych zdecydowano się na wariant obudowy aluminiowej posadowionej na fundamencie betonowym.

Dokładna wizja lokalna w terenie wykazała również konieczność zbudowania dodatkowego złącza pośredniczącego pomiędzy złączem zakładu energetycznego a punktem ładowania. Zaprojektowano szafę z szynami miedzianymi o odpowiednim przekroju dopasowanym do prądu roboczego, z możliwością przyłączenia kabli zasilających do szyn. Na szynach zainstalowano przekładniki prądowe o przekładni 200/5 w klasie 0.5s, gwarantujące wysoką dokładność pomiaru w pełnym zakresie pracy przekładnika.

Całość stanowiła kompletny, dopasowany do instalacji inwestora układ kompensacji zapewniający skuteczność w szerokim zakresie pracy. Całkowita moc szafy to 40 kVAr.

Rys. 1. Widok złącza oraz szafy realizującej kompensację mocy biernej

Rys. 2. Fragment pomiaru mocy czynnej i biernej dla omawianej realizacji

Case Study 2

Stacja ładowania autobusów elektrycznych składająca się z 3 ładowarek zasilanych ze wspólnego złącza

Kolejnym przykładem skutecznej realizacji systemu kompensacji mocy biernej jest stacja ładowania autobusów elektrycznych składająca się z 3 ładowarek zasilanych ze wspólnego złącza – jednocześnie podłączone mogły być zatem od 1 do 3 autobusów. Każda ładowarka jednocześnie może ładować jeden pojazd. Urządzenia były zasilone przez całą dobę, a więc generowały moc bierną pojemnościową również w stanie bezczynności.

Symetryczne obciążenie poszczególnych faz, wynikające z 3-fazowego zasilania urządzeń, pozwalało na wykorzystanie 3-fazowych dławików, jednak ze względu na stosunkowo niską moc układu zaproponowano alternatywę o dużo większej elastyczności pozwalającej na kompensację każdej fazy niezależnie, czyli kompensatory KMB firmy Rabbit w wersji MAX+. W tym wykonaniu każda faza posiada indywidualny 11-stopniowy kompensator dławikowy w wariancie rozszerzonym o dodatkowy, zewnętrzny dławik kompensacyjny, w rezultacie osiągając aż 23 możliwe stopnie kompensacji mocy biernej. Każdy kompensator posiada swój niezależny, autonomiczny i automatyczny układ regulacji, gwarantując częściowe skompensowanie nawet w sytuacji awarii jednego z urządzeń, dając wymierne oszczędności i zwiększając niezawodność. Pomiar prądu realizowany jest przez przekładniki prądowe kalibrowane precyzyjnie dla każdego kompensatora, zapewniając wysoką dokładność. Przekładniki posiadają ponadto rozpinany rdzeń, co ułatwia montaż w instalacjach, w których problematyczne jest wyłączenie zasilania głównego lub punkty przyłączenia pomiaru są trudno dostępne, co znacznie usprawnia proces instalacji.

Każdy z kompensatorów charakteryzuje się mocą znamionową równą 3.7 kVAr, tworząc łącznie szafę kompensacyjną o mocy ponad 11 kVAr.

Rys. 3. Widok szafy realizującej kompensację mocy biernej

Rys. 4. Fragment pomiaru mocy czynnej i biernej.

Rozwój elektromobilności ujawnia nowe, wcześniej marginalne problemy jakości energii. Ładowarki autobusów elektrycznych, mimo zaawansowanej energoelektroniki, mogą być istotnym źródłem mocy biernej pojemnościowej o charakterze skokowym i trudnym do kompensacji.

Analiza rzeczywistych obiektów pokazuje, że problem nie jest incydentalny, lecz systemowy, a jego skala rośnie wraz z liczbą ładowarek. W praktyce oznacza to konieczność indywidualnej analizy każdego obiektu, stosowania dynamicznych i dostrojonych do obiektu układów kompensacyjnych oraz uwzględniania mocy biernej już na etapie projektowania infrastruktury ładowania. W przeciwnym razie koszt energii biernej może stać się istotnym składnikiem kosztów eksploatacyjnych transportu elektrycznego, nierzadko przekraczającym stawki wynikające z poboru energii czynnej.