Трансформатор для зарядной станции электромобилей: как подобрать мощность, почему гармоники определяют характеристики и когда стандартный распределительный блок не справляется

Сначала ответ: трансформатор для зарядной станции электромобилей выбирается по коэффициенту совпадения, гармоникам и току КЗ — а не по подключённой мощности зарядных устройств в кВА

Почти каждая площадка зарядки электромобилей выглядит перегруженной на бумаге ещё до того, как станет перегруженной в реальности, потому что подключённая мощность зарядных устройств в кВА — это не та нагрузка, которую фактически несёт трансформатор. Чтобы правильно подобрать агрегат, нужны три числа: ваш коэффициент совпадения (неодновременности) — сколько зарядных устройств потребляют полную мощность в один и тот же момент; содержание гармоник во входных каскадах зарядных устройств, которое нагревает трансформатор значительно выше его номинальной мощности; и доступный ток КЗ, который трансформатор пропустит. Для парка зарядных станций переменного тока уровня 2 это обычно означает выбор по коэффициенту совпадения примерно 50–70% и покупку агрегата с K-4 – K-9; для хаба быстрой зарядки постоянным током это означает допущение почти полного совпадения, выбор K-13 (или снижение номинала на 15–20%) и зачастую выделенный понижающий агрегат 400 В / 480 В, питаемый от сети среднего напряжения. Выбирайте только по подключённой мощности в кВт — и трансформатор станет самым слабым звеном: он будет работать при температуре выше допустимой для его класса изоляции задолго до того, как зарядные устройства достигнут своего предела.

Ключевые выводы

• Зарядные устройства электромобилей — это нагрузки силовой электроники, а не резистивные нагрузки. Их гармонические токи добавляют потери на вихревые токи и потери рассеяния, на которые стандартный трансформатор никогда не был рассчитан, — поэтому K-фактор, а не только кВА, должен быть в спецификации.
• Выбирайте по совпадению, а не по подключённой мощности. Площадка, заполненная зарядными устройствами, почти никогда не потребляет свою номинальную сумму; то, какая доля этой суммы потребляется одновременно, — главный рычаг влияния на размер трансформатора.
• K-фактор и снижение номинала по IEEE C57.110 определяют реальную тепловую нагрузку. K-4 для лёгкой смешанной нагрузки офис/электромобили; K-9 – K-13 для регулярной зарядки переменным током; K-13 — или жёсткое снижение номинала стандартного агрегата — для быстрой зарядки постоянным током.
• Ток КЗ и бросок тока намагничивания — это решения по трансформатору. Напряжение КЗ (Uk%) ограничивает ток КЗ, который должны отключать зарядные устройства, а подача напряжения на площадку, полную зарядных устройств, вызывает бросок тока намагничивания, который не должен отключать вышестоящий автоматический выключатель.
• Хабы зарядки электромобилей работают круглосуточно при частичной нагрузке, поэтому потери холостого хода имеют значение. Более низкий класс потерь или аморфный сердечник окупаются за годы непрерывного энергопотребления в режиме ожидания — экономика количественно оценена ниже.

Почему нагрузка зарядки электромобилей — это не обычная нагрузка трансформатора

И зарядное устройство переменного тока уровня 2, и зарядное устройство постоянного тока быстрой зарядки преобразуют переменный ток в постоянный через выпрямитель, и этот выпрямительный входной каскад является нелинейной нагрузкой: он потребляет ток короткими импульсами, а не в виде гладкой синусоиды. Результат — богатый гармонический спектр, в котором преобладают 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники, протекающий через трансформатор и создающий дополнительные потери на вихревые токи и потери рассеяния в обмотках и сердечнике. Трансформатор, рассчитанный на линейную (синусоидальную) нагрузку, может перегреваться при такой гармонической нагрузке даже тогда, когда он несёт ток меньше номинального, потому что дополнительные потери превращаются в тепло именно там, где находится изоляция. Эта физика — причина существования номинала по K-фактору; механизм подробно объяснён в наших руководствах по гармоникам трансформаторов и выбору трансформатора по K-фактору.

Вторая нестандартная особенность — это профиль нагрузки. Завод нагружает свой трансформатор постепенно; хаб зарядки электромобилей переходит от почти холостого режима ожидания к тяжёлой, энергонасыщенной нагрузке в тот момент, когда автомобиль подключается. Эта цикличность важна вдвойне: она подвергает изоляцию и масло повторяющимся термическим циклам (что ускоряет старение) и делает пиковую, а не среднюю нагрузку расчётным случаем. Трансформатор, выбранный по среднесуточной нагрузке, будет испытывать термический стресс каждый раз, когда площадка заполняется.

Как выбрать трансформатор для зарядки электромобилей: метод из трёх шагов

Метод намеренно прост, потому что ошибки возникают на входных данных, а не в арифметике.

Шаг 1 — Суммируйте подключённую нагрузку

Сложите номинальную мощность зарядных устройств. Двадцать четыре зарядных устройства переменного тока по 22 кВт — это 528 кВт подключённой мощности; шесть зарядных устройств постоянного тока быстрой зарядки по 180 кВт — это 1 080 кВт подключённой мощности. Для устройств постоянного тока номинал — это выходная мощность, поэтому добавьте примерно 5–10% на собственные потери преобразования зарядного устройства, чтобы получить входную мощность в кВт, которую должен обеспечить трансформатор.

Шаг 2 — Примените коэффициент совпадения (неодновременности)

Умножьте подключённую нагрузку на долю зарядных устройств, которые, как вы ожидаете, будут работать на полной мощности одновременно. Публичная зарядка переменным током с длительным временем стоянки распределена неравномерно (обычно 0,3–0,5); парк зарядных станций, обслуживающий автомобили один за другим, имеет более высокое совпадение (около 0,6–0,7); хаб быстрой зарядки постоянным током с короткими сессиями высокой мощности и очередями в часы пик приближается к 0,7–0,9. Там, где установлен контроллер управления нагрузкой или интеллектуальной зарядки — всё более стандартная практика, — потребление площадки ограничивается этим контроллером, и трансформатор следует выбирать по ограничению, а не по необработанной сумме. Тот же подход к коэффициенту нагрузки, который управляет любым трансформатором, применим и здесь; см. наше руководство по коэффициенту нагрузки и перегрузочной способности.

Шаг 3 — Переведите в кВА и выберите номинал по гармоникам

Переведите совпадающую мощность в кВт в кВА, используя входной коэффициент мощности зарядного устройства (около 0,95–0,99 для современных агрегатов), затем выберите K-фактор, соответствующий гармоническому профилю, — или, если необходимо использовать стандартный распределительный трансформатор, примените снижение номинала по IEEE C57.110, описанное ниже. Наконец, добавьте запас 10–15% на температуру окружающей среды и будущий рост. Результат — мощность трансформатора в кВА, и обычно она меньше наивной суммы зарядных устройств — именно поэтому площадку зарядки электромобилей можно правильно специфицировать, а не переплатить наугад.

Парк зарядных станций переменного тока уровня 2 против хаба быстрой зарядки постоянным током: две разные спецификации трансформатора

Одна и та же физика порождает две совершенно разные спецификации. В таблице ниже приведены типичные проектные диапазоны для каждого случая (значения основаны на отраслевом опыте для主流 оборудования, а не на каталожных ограничениях).

K-фактор, снижение номинала по гармоникам и правило IEEE C57.110

K-фактор — это одно число, которое описывает, насколько хорошо трансформатор переносит гармонический ток нагрузки, не превышая номинальный перегрев. Стандартный ряд: K-1 (только линейные нагрузки), K-4, K-9, K-13 и K-20. Трансформатор K-13 сконструирован так, чтобы нести полный номинальный ток при гармонической нагрузке, потери на вихревые токи которой до тринадцати раз превышают потери чистой синусоиды, что охватывает большинство смешанных установок зарядки электромобилей; K-4 подходит для лёгких нагрузок, в которых преобладают резистивные цепи и освещение с небольшой долей зарядки; для тяжёлого хаба быстрой зарядки постоянным током лучше всего подходит K-13 или выше.

Если агрегат с номиналом по K-фактору недоступен и необходимо использовать стандартный распределительный трансформатор, IEEE C57.110 определяет, насколько снизить его номинал. Снижение номинала зависит от гармонического спектра и коэффициента потерь на вихревые токи трансформатора: как практическое правило, нагрузка с THD тока примерно 20% обычно требует снижения номинала в кВА на 10–20%, а богатая гармониками зарядка постоянным током может увеличить это значение. Практическое следствие однозначно: трансформатор с маркировкой 1 000 кВА может вести себя как агрегат на 800–900 кВА, как только учтены гармоники от электромобилей. Указание трансформатора с номиналом по гармоникам почти всегда дешевле, чем обнаружение этого после постройки площадки.

Класс напряжения, масляный или сухой тип и место установки трансформатора

Зарядка электромобилей — это низковольтная нагрузка: зарядные устройства переменного тока потребляют 230 В однофазного или 400/480 В трёхфазного напряжения, а зарядные устройства постоянного тока быстрой зарядки обычно потребляют 400 В (ЕС) или 480 В (США) трёхфазного напряжения. Поэтому трансформатор почти всегда является понижающим агрегатом от сети среднего напряжения площадки — обычно 10, 15, 20 или 33 кВ, или 13,8 кВ в Северной Америке — до 400 В или 480 В. Преобладают два варианта размещения. Внутри парковочной конструкции или зала зарядки сухой (литой под вакуумом) трансформатор — обычный выбор: нет масла, которое может протечь или загореться, и меньшие расстояния изоляции, как сравнено в нашем руководстве по выбору между масляным и сухим типом. Снаружи, на площадке или внутри компактной подстанции, масляный трансформатор более компактен и дешевле в расчёте на кВА и лучше переносит высокую температуру окружающей среды и солнечный нагрев — что важно, поскольку хабы зарядки часто находятся под открытым солнцем. Какой бы вы ни выбрали, согласуйте класс охлаждения с реальной температурой окружающей среды на площадке, потому что агрегат, подходящий при 25 °C, может быть перегружен при 45 °C.

Защита, бросок тока намагничивания и ток КЗ: пункты спецификации, которые забывают покупатели

Три пункта регулярно упускаются при заказе трансформатора для зарядки электромобилей. Во-первых, ток КЗ: напряжение КЗ трансформатора (Uk%) определяет, какой ток короткого замыкания достигает зарядных устройств и их автоматических выключателей. Агрегат с низким Uk% обеспечивает более точное регулирование напряжения, но более высокий уровень тока КЗ, поэтому низковольтная защита и отключающая способность зарядных устройств должны быть согласованы с фактическим доступным током КЗ — это проработано в нашем руководстве по расчёту тока короткого замыкания. Во-вторых, бросок тока намагничивания: подача напряжения на трансформатор намагничивает его сердечник и вызывает кратковременный бросок тока намагничивания, значительно превышающий номинальный, и хаб, который подаёт напряжение на трансформатор, а затем одновременно включает множество зарядных устройств, может отключить вышестоящий аппарат, рассчитанный только на установившийся режим, — правило 5–12× объяснено в нашем руководстве по броску тока намагничивания. В-третьих, регулирование напряжения: зарядные устройства снижают мощность или отключаются при пониженном напряжении, а напряжение, которое фактически видит каждое зарядное устройство, определяется регулированием трансформатора плюс падением напряжения в низковольтном кабеле, как рассмотрено в нашем руководстве по регулированию напряжения. Заказ трансформатора без проверки этих трёх пунктов — это то, как площадка, которая «работает» при вводе в эксплуатацию, выходит из строя в пик через год.

Эффективность и потери в режиме ожидания: круглосуточная экономика хаба зарядки электромобилей

В отличие от заводского трансформатора, который простаивает несколько часов за ночь, трансформатор на публичном хабе зарядки находится под напряжением круглосуточно и большую часть времени работает при частичной нагрузке. Доминирующие потери в этом режиме — это потери холостого хода (в стали), которые накапливаются 8 760 часов в год независимо от того, подключён автомобиль или нет. Это делает более высокие классы эффективности по потерям — S13/S20 или агрегат с аморфным сердечником — экономически интересными: дополнительные первоначальные затраты окупаются за счёт более низких потерь в режиме ожидания за срок службы хаба. Добавьте составляющую потерь нагрузки — и вы получите аргумент совокупной стоимости владения; наше сравнение классов потерь и руководство по аморфному сердечнику количественно оценивают этот компромисс, а метод совокупной стоимости владения превращает его в число, которое можно включить в тендер. Чтобы рассчитать сторону нагрузки за один шаг, калькулятор инженерного инструментария принимает данные площадки и возвращает оборудование и бюджет вместе.

Контрольный список спецификации трансформатора для зарядки электромобилей

• Подключённая мощность в кВт и коэффициент совпадения задокументированы — включая любое ограничение спроса системой управления нагрузкой или интеллектуальной зарядки.
• Гармонический профиль / ожидаемый THD тока указан, с зафиксированным результирующим K-фактором (или снижением номинала по IEEE C57.110).
• Вторичное напряжение и конфигурация — 400 В или 480 В, звезда-треугольник, группа соединений согласована с заземлением площадки.
• Напряжение КЗ (Uk%) выбрано для координации тока КЗ, а не только для регулирования напряжения.
• Доступный ток КЗ рассчитан и согласован с отключающей способностью автоматических выключателей зарядных устройств.
• Класс охлаждения и расчётная температура окружающей среды согласованы с установкой (наружные хабы в жарком климате снижают номинал).
• Класс потерь или аморфный сердечник выбраны для круглосуточной экономики при частичной нагрузке.
• Запас по броску тока намагничивания проверен относительно вышестоящей схемы защиты.
• Масляный или сухой тип выбран для места установки и противопожарных норм, с правильным классом IP и коррозионной стойкости для наружных или прибрежных площадок.

Источники / 资料来源

• Источник: серия IEC 61851 — Система проводной зарядки электромобилей
• Источник: IEC 62196 — Вилки, розетки, соединители транспортных средств и вводы транспортных средств для электромобилей
• Источник: IEC 60364-7-722 — Низковольтные электроустановки — Электроснабжение электромобилей
• Источник: IEEE C57.110 — Рекомендуемая практика установления нагрузочной способности трансформатора при питании несинусоидальными токами нагрузки
• Источник: IEEE C57.12.01 — Общие требования к сухим распределительным и силовым трансформаторам
• Источник: IEEE 519 — Рекомендуемая практика и требования к контролю гармоник в электроэнергетических системах
• Источник: статья 625 NEC (NFPA 70) — Система передачи электроэнергии для электромобилей
• Источник: GB/T 18487.1 — Система проводной зарядки электромобилей — Общие требования
• Источник: инженерная команда QDTB — отраслевой опыт для типичных коэффициентов совпадения, номиналов зарядных устройств и выбора K-фактора