Máy biến áp trạm sạc EV: Cách chọn công suất, vì sao sóng hài quyết định thông số kỹ thuật, và khi nào thiết bị phân phối tiêu chuẩn không đáp ứng được yêu cầu

Câu trả lời trước tiên: máy biến áp trạm sạc EV được chọn theo hệ số đồng thời, sóng hài và dòng ngắn mạch — không phải theo kVA kết nối của bộ sạc

Gần như mọi trạm sạc EV đều trông như quá tải trên giấy trước khi thực sự quá tải, bởi vì kVA kết nối của các bộ sạc không phải là tải mà máy biến áp thực sự mang. Để chọn đúng thiết bị, bạn cần ba con số: hệ số đồng thời (đa dạng) — có bao nhiêu bộ sạc cùng lúc lấy công suất tối đa — thành phần sóng hài của tầng đầu vào bộ sạc, vốn làm nóng máy biến áp vượt xa định mức trên nhãn máy, và dòng ngắn mạch khả dụng mà máy biến áp sẽ cho qua. Đối với một depot đội xe sạc AC Level 2, điều đó thường có nghĩa là chọn theo hệ số đồng thời khoảng 50–70% và mua thiết bị K-4 đến K-9; đối với một trung tâm sạc nhanh DC, điều đó có nghĩa là giả định hệ số đồng thời gần như hoàn toàn, chỉ định K-13 (hoặc giảm định mức 15–20%), và thường là một thiết bị hạ áp chuyên dụng 400 V / 480 V được cấp từ lưới trung áp. Nếu chỉ chọn theo kW kết nối, máy biến áp sẽ trở thành mắt xích yếu nhất — nó sẽ chạy nóng hơn mức mà cấp cách điện của nó cho phép rất lâu trước khi các bộ sạc đạt đến giới hạn của chúng.

Những điểm chính cần ghi nhớ

• Bộ sạc EV là tải điện tử công suất, không phải tải thuần trở. Dòng sóng hài của chúng làm tăng tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản mà một máy biến áp tiêu chuẩn chưa từng được định mức để mang — đó là lý do hệ số K, chứ không chỉ kVA, thuộc về bản đặc tính kỹ thuật.
• Chọn theo hệ số đồng thời, không phải theo công suất kết nối. Một trạm đầy bộ sạc gần như không bao giờ lấy tổng công suất trên nhãn máy; mức độ đồng thời của tổng đó là đòn bẩy lớn nhất đối với kích cỡ máy biến áp.
• Hệ số K và việc giảm định mức theo IEEE C57.110 quyết định định mức nhiệt thực tế. K-4 cho tải nhẹ, hỗn hợp văn phòng/EV; K-9 đến K-13 cho sạc AC thường xuyên; K-13 — hoặc giảm định mức mạnh đối với thiết bị tiêu chuẩn — cho sạc nhanh DC.
• Dòng ngắn mạch và dòng xung kích là những quyết định về máy biến áp. Điện áp trở kháng (Uk%) giới hạn dòng ngắn mạch mà các bộ sạc phải cắt, và việc đóng điện cho một trạm đầy bộ sạc tạo ra dòng xung kích không được làm nhảy aptomat thượng nguồn.
• Các trung tâm sạc EV hoạt động 24/7 ở chế độ tải một phần, nên tổn thất không tải rất quan trọng. Một cấp tổn thất thấp hơn hoặc lõi vô định hình sẽ hoàn vốn qua nhiều năm tiêu thụ điện chờ liên tục — bài toán kinh tế được định lượng bên dưới.

Tại sao tải sạc EV không phải là tải máy biến áp thông thường

Cả bộ sạc AC Level 2 và bộ sạc nhanh DC đều biến đổi AC thành DC qua một bộ chỉnh lưu, và tầng đầu vào đã chỉnh lưu đó là một tải phi tuyến: nó lấy dòng điện theo các xung ngắn thay vì dạng sóng sin mượt mà. Kết quả là một phổ sóng hài phong phú — chủ yếu là sóng hài bậc 5, 7, 11 và 13 — chảy qua máy biến áp và tạo ra thêm tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản trong cuộn dây và lõi. Một máy biến áp được định mức cho tải tuyến tính (hình sin) có thể quá nhiệt dưới tải sóng hài này ngay cả khi nó mang dòng điện thấp hơn dòng định mức trên nhãn máy, bởi vì tổn thất tăng thêm biến thành nhiệt đúng tại vị trí của lớp cách điện. Vật lý đó là lý do tồn tại định mức hệ số K; cơ chế này được giải thích chi tiết trong các hướng dẫn của chúng tôi về sóng hài máy biến áp và lựa chọn máy biến áp hệ số K.

Đặc điểm phi tiêu chuẩn thứ hai là đặc tính tải. Một nhà máy tăng tải cho máy biến áp của mình dần dần; một trung tâm sạc EV chuyển từ chế độ chờ gần như không tải sang tải nặng, mật độ công suất cao ngay khi một xe cắm sạc. Chu kỳ đó quan trọng gấp đôi: nó khiến lớp cách điện và dầu chịu chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại (làm tăng tốc lão hóa), và nó biến đỉnh — chứ không phải giá trị trung bình — thành trường hợp thiết kế. Một máy biến áp được chọn theo giá trị trung bình hàng ngày sẽ bị ứng suất nhiệt mỗi khi trạm đầy tải.

Cách chọn máy biến áp trạm sạc EV: phương pháp ba bước

Phương pháp này được cố ý làm đơn giản, bởi vì sai sót xảy ra ở dữ liệu đầu vào, không phải ở phép tính.

Bước 1 — Cộng tổng tải kết nối

Cộng công suất trên nhãn máy của các bộ sạc. Hai mươi tư bộ sạc AC 22 kW là 528 kW kết nối; sáu bộ sạc nhanh DC 180 kW là 1.080 kW kết nối. Đối với thiết bị DC, công suất trên nhãn máy là công suất đầu ra, nên cộng thêm khoảng 5–10% cho tổn thất biến đổi của chính bộ sạc để ra kW đầu vào mà máy biến áp phải cấp.

Bước 2 — Áp dụng hệ số đồng thời (đa dạng)

Nhân tải kết nối với tỷ lệ bộ sạc mà bạn kỳ vọng chạy ở công suất tối đa cùng lúc. Sạc AC công cộng thời gian đỗ dài thường được phân bổ so le (thường 0,3–0,5); một depot đội xe quay vòng xe liên tục có độ đồng thời cao hơn (khoảng 0,6–0,7); một trung tâm sạc nhanh DC với các phiên sạc ngắn, công suất cao và hàng đợi giờ cao điểm tiệm cận 0,7–0,9. Ở nơi có lắp đặt bộ điều khiển quản lý tải hoặc sạc thông minh — ngày càng phổ biến — nhu cầu của trạm bị giới hạn bởi bộ điều khiển đó, và máy biến áp nên được chọn theo giới hạn đó, không phải theo tổng thô. Cách tư duy về hệ số tải chi phối mọi máy biến áp cũng áp dụng ở đây; xem hướng dẫn của chúng tôi về hệ số tải và khả năng quá tải.

Bước 3 — Quy đổi sang kVA và chọn định mức sóng hài

Quy đổi kW đồng thời sang kVA bằng hệ số công suất đầu vào của bộ sạc (khoảng 0,95–0,99 đối với thiết bị hiện đại), sau đó chọn hệ số K phù hợp với phổ sóng hài — hoặc, nếu buộc phải dùng máy biến áp phân phối tiêu chuẩn, áp dụng việc giảm định mức theo IEEE C57.110 được mô tả bên dưới. Cuối cùng cộng thêm biên dự phòng 10–15% cho nhiệt độ môi trường và tăng trưởng tương lai. Kết quả là kVA của máy biến áp, và nó thường nhỏ hơn tổng cộng ngây thơ của các bộ sạc — đó chính là lý do một trạm EV có thể được đặc tả đúng thay vì mua thừa do phỏng đoán.

Depot AC Level 2 so với trung tâm sạc nhanh DC: hai đặc tả máy biến áp khác nhau

Cùng một vật lý tạo ra hai đặc tả khá khác nhau. Bảng dưới đây tóm tắt phạm vi thiết kế điển hình cho mỗi loại (các giá trị là kinh nghiệm ngành đối với thiết bị phổ thông, không phải giới hạn trong catalogue).

Hệ số K, giảm định mức do sóng hài và quy tắc IEEE C57.110

Hệ số K là một con số duy nhất mô tả mức độ chịu đựng của máy biến áp đối với dòng tải sóng hài mà không vượt quá độ tăng nhiệt định mức. Dãy tiêu chuẩn là K-1 (chỉ tải tuyến tính), K-4, K-9, K-13 và K-20. Một máy biến áp K-13 được chế tạo để mang dòng định mức đầy đủ với tải sóng hài có tổn thất dòng xoáy lên tới mười ba lần so với sóng sin thuần, đáp ứng hầu hết các lắp đặt EV hỗn hợp; K-4 phù hợp với tải nhẹ chủ yếu là mạch thuần trở và chiếu sáng với một ít sạc; một trung tâm sạc nhanh DC nặng được phục vụ tốt nhất bằng K-13 hoặc cao hơn.

Nếu không thể tìm được thiết bị định mức K và buộc phải dùng máy biến áp phân phối tiêu chuẩn, IEEE C57.110 định nghĩa mức giảm định mức cần thiết. Mức giảm định mức phụ thuộc vào phổ sóng hài và hệ số tổn thất dòng xoáy của máy biến áp: theo quy tắc kinh nghiệm, tải có THD dòng khoảng 20% thường buộc phải giảm định mức kVA 10–20%, và sạc DC giàu sóng hài có thể đẩy mức đó cao hơn nữa. Hệ quả thực tế rất rõ ràng — một máy biến áp ghi 1.000 kVA có thể hành xử như một thiết bị 800–900 kVA khi tính đến sóng hài từ EV. Chỉ định một máy biến áp định mức sóng hài hầu như luôn rẻ hơn so với việc phát hiện điều này sau khi trạm đã được xây dựng.

Cấp điện áp, loại ngâm dầu so với loại khô, và vị trí đặt máy biến áp

Sạc EV là tải hạ áp: bộ sạc AC dùng 230 V một pha hoặc 400/480 V ba pha, và bộ sạc nhanh DC theo quy ước dùng 400 V (EU) hoặc 480 V (Mỹ) ba pha. Do đó máy biến áp hầu như luôn là một thiết bị hạ áp từ nguồn trung áp của trạm — thường là 10, 15, 20 hoặc 33 kV, hoặc 13,8 kV ở Bắc Mỹ — xuống 400 V hoặc 480 V. Hai lựa chọn vị trí chiếm ưu thế. Bên trong một kết cấu bãi đỗ xe hoặc nhà sạc, máy biến áp loại khô (đúc nhựa) là lựa chọn thông thường: không có dầu để rò rỉ hay cháy, và khoảng cách an toàn nhỏ hơn, như được so sánh trong hướng dẫn loại ngâm dầu so với loại khô của chúng tôi. Ngoài trời, trên bệ hoặc trong trạm biến áp kiểu kín, máy biến áp ngâm dầu nhỏ gọn hơn và rẻ hơn trên mỗi kVA và chịu đựng nhiệt độ môi trường cao và bức xạ mặt trời tốt hơn — điều này quan trọng vì các trung tâm sạc thường nằm dưới ánh nắng trực tiếp. Dù chọn loại nào, hãy khớp cấp làm mát với nhiệt độ môi trường thực tế của trạm, bởi vì một thiết bị đúng ở 25 °C có thể bị quá tải ở 45 °C.

Bảo vệ, dòng xung kích và dòng ngắn mạch: những điểm đặc tả mà người mua thường quên

Ba điểm thường bị bỏ qua khi đặt hàng máy biến áp cho nhiệm vụ EV. Thứ nhất, dòng ngắn mạch: điện áp trở kháng (Uk%) của máy biến áp quyết định lượng dòng ngắn mạch đến được các bộ sạc và aptomat của chúng. Một thiết bị có Uk% thấp cho điều chỉnh điện áp chặt hơn nhưng mức ngắn mạch cao hơn, nên bảo vệ phía hạ áp và khả năng cắt của bộ sạc phải được phối hợp với dòng ngắn mạch khả dụng thực tế — được trình bày trong hướng dẫn tính dòng ngắn mạch của chúng tôi. Thứ hai, dòng xung kích: việc đóng điện cho máy biến áp từ hóa lõi của nó và tạo ra dòng xung kích ngắn hạn cao hơn nhiều so với định mức, và một trung tâm đóng điện cho máy biến áp rồi sau đó đưa nhiều bộ sạc vào vận hành cùng lúc có thể làm nhảy một thiết bị thượng nguồn chỉ được chọn cho trạng thái ổn định — quy tắc 5–12× được giải thích trong hướng dẫn dòng xung kích của chúng tôi. Thứ ba, điều chỉnh điện áp: bộ sạc giảm công suất hoặc ngắt khi điện áp thấp, và điện áp mà mỗi bộ sạc thực sự nhận được do độ điều chỉnh của máy biến áp cộng với sụt áp trên cáp hạ áp quyết định, như được đề cập trong hướng dẫn điều chỉnh điện áp của chúng tôi. Đặt hàng máy biến áp mà không kiểm tra ba điểm này là cách một trạm "chạy được" khi nghiệm thu lại hỏng vào giờ cao điểm một năm sau đó.

Hiệu suất và tổn thất chờ: bài toán kinh tế 24/7 của một trung tâm sạc EV

Khác với máy biến áp nhà máy chỉ chạy không tải vài giờ mỗi đêm, máy biến áp tại một trung tâm sạc công cộng được cấp điện suốt ngày đêm và chạy ở tải một phần trong phần lớn thời gian đó. Tổn thất chiếm ưu thế trong chế độ đó là tổn thất không tải (tổn thất sắt), tích lũy 8.760 giờ một năm dù có xe cắm sạc hay không. Điều đó khiến các cấp tổn thất hiệu suất cao hơn — S13/S20 hoặc thiết bị lõi vô định hình — trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế: chi phí ban đầu cao hơn được thu hồi từ tổn thất chờ thấp hơn trong suốt vòng đời của trung tâm. Cộng thêm thành phần tổn thất có tải và bạn có lập luận về tổng chi phí sở hữu; so sánh cấp tổn thất và hướng dẫn lõi vô định hình của chúng tôi định lượng sự đánh đổi này, và phương pháp tổng chi phí sở hữu biến nó thành một con số bạn có thể đưa vào hồ sơ dự thầu. Để chọn phía tải chỉ trong một bước, công cụ tính toán engineering toolbox nhận dữ liệu của trạm và trả về cả thiết bị lẫn ngân sách.

Danh mục kiểm tra đặc tả máy biến áp trạm sạc EV

• kW kết nối và hệ số đồng thời được ghi nhận — bao gồm mọi giới hạn nhu cầu của bộ quản lý tải hoặc sạc thông minh.
• Phổ sóng hài / THD dòng dự kiến được nêu rõ, cùng với hệ số K kết quả (hoặc mức giảm định mức theo IEEE C57.110) được cố định.
• Điện áp thứ cấp và cấu hình — 400 V hoặc 480 V, đấu tam giác-sao, tổ đấu dây phù hợp với hệ thống nối đất của trạm.
• Điện áp trở kháng (Uk%) được chọn để phối hợp dòng ngắn mạch, không chỉ để điều chỉnh điện áp.
• Dòng ngắn mạch khả dụng được tính toán và phối hợp với khả năng cắt của aptomat bộ sạc.
• Cấp làm mát và nhiệt độ môi trường thiết kế phù hợp với lắp đặt (các trung tâm ngoài trời ở khí hậu nóng bị giảm định mức).
• Cấp tổn thất hoặc lõi vô định hình được chọn cho bài toán kinh tế tải một phần 24/7.
• Biên dòng xung kích được xác minh so với sơ đồ bảo vệ thượng nguồn.
• Loại ngâm dầu hoặc loại khô được chọn theo vị trí lắp đặt và quy định phòng cháy, với cấp IP và cấp chống ăn mòn phù hợp cho trạm ngoài trời hoặc ven biển.

Nguồn / 资料来源

• Nguồn: IEC 61851 series — Hệ thống sạc dẫn điện cho xe điện
• Nguồn: IEC 62196 — Phích cắm, ổ cắm, đầu nối xe và đầu vào xe cho xe điện
• Nguồn: IEC 60364-7-722 — Lắp đặt điện hạ áp — Cấp điện cho xe điện
• Nguồn: IEEE C57.110 — Thực hành khuyến nghị để thiết lập khả năng của máy biến áp khi cấp dòng tải không hình sin
• Nguồn: IEEE C57.12.01 — Yêu cầu chung cho máy biến áp phân phối và máy biến áp lực loại khô
• Nguồn: IEEE 519 — Thực hành khuyến nghị và yêu cầu kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện
• Nguồn: NEC Article 625 (NFPA 70) — Hệ thống truyền tải điện cho xe điện
• Nguồn: GB/T 18487.1 — Hệ thống sạc dẫn điện cho xe điện — Yêu cầu chung
• Nguồn: Đội ngũ kỹ thuật QDTB — kinh nghiệm ngành về hệ số đồng thời điển hình, định mức bộ sạc và lựa chọn hệ số K