Sự phát triển nhanh của xe điện kéo theo nhu cầu xây dựng các trạm sạc xe điện có công suất ngày càng lớn. Đặc biệt, các trạm sạc nhanh DC với công suất hàng trăm kW sử dụng nhiều bộ biến đổi điện tử công suất, từ đó có thể tạo ra các thành phần sóng hài trong hệ thống điện.

Nếu không được kiểm soát, sóng hài có thể làm tăng dòng điện RMS, gia tăng tổn thất trên cáp và máy biến áp, ảnh hưởng đến tụ bù và các thiết bị điện khác. Trong những hệ thống có mật độ bộ sạc cao, Bộ lọc sóng hài chủ động AHF (Active Harmonic Filter) là một trong những giải pháp có thể được cân nhắc để kiểm soát dòng điện hài.

Sóng hài trong trạm sạc xe điện là gì?

Sóng hài là các thành phần điện áp hoặc dòng điện có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản. Với hệ thống điện xoay chiều 50 Hz, các thành phần như 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz tương ứng với sóng hài bậc 3, bậc 5 và bậc 7.

Trong điều kiện lý tưởng, dòng điện có dạng sóng sin. Tuy nhiên, các bộ sạc xe điện sử dụng mạch điện tử công suất để chuyển đổi và điều khiển năng lượng. Quá trình này có thể khiến dòng điện lấy từ lưới bị biến dạng và xuất hiện các thành phần sóng hài.

Mức độ biến dạng dòng điện thường được đánh giá thông qua THDi (Total Harmonic Distortion of Current).

Vì sao trạm sạc xe điện có thể phát sinh sóng hài?

Nguyên nhân chính đến từ các bộ biến đổi công suất bên trong bộ sạc. Đặc biệt, khi số lượng bộ sạc cùng hoạt động tăng lên, tổng dòng điện hài đưa vào hệ thống điện có thể trở nên đáng kể.

Bộ chỉnh lưu và mạch công suất của bộ sạc

Bộ sạc cần chuyển đổi điện năng từ AC sang DC để nạp vào pin xe điện. Quá trình chỉnh lưu và chuyển đổi công suất có thể tạo ra dòng điện không hoàn toàn hình sin ở phía AC.

Đây là một trong những nguồn gây méo dòng điện cần được xem xét khi thiết kế hệ thống điện cho trạm sạc.

Số lượng bộ sạc hoạt động đồng thời lớn

Một trạm sạc có thể sử dụng hàng chục bộ sạc cùng lúc. Khi nhiều bộ sạc hoạt động đồng thời, dòng điện tổng của hệ thống tăng lên và các thành phần sóng hài từ từng bộ sạc có thể cộng hưởng hoặc chồng lên nhau theo điều kiện vận hành.

Vì vậy, không nên chỉ đánh giá một bộ sạc riêng lẻ mà cần xem xét tổng thể trạm sạc ở trạng thái tải thực tế.

Công suất bộ sạc ngày càng lớn

Các trạm sạc nhanh và siêu nhanh có công suất lớn hơn đáng kể so với bộ sạc AC thông thường. Công suất càng lớn thì yêu cầu thiết kế hệ thống điện, máy biến áp, cáp và thiết bị bảo vệ càng cao.

Nếu nhiều bộ sạc công suất lớn được tập trung tại một điểm đấu nối, việc đánh giá chất lượng điện năng cần được thực hiện ngay từ giai đoạn thiết kế.

Sóng hài gây ảnh hưởng gì đến trạm sạc xe điện?

Sóng hài không nhất thiết khiến trạm sạc ngừng hoạt động ngay lập tức. Tuy nhiên, nếu mức độ méo hài cao và kéo dài, nó có thể làm tăng các tổn thất và gây thêm áp lực lên nhiều thiết bị trong hệ thống.

Làm tăng dòng điện RMS

Khi dòng điện chứa nhiều thành phần sóng hài, giá trị RMS tổng có thể tăng so với trường hợp dòng điện gần hình sin.

Dòng điện tăng có thể khiến cáp, thanh cái, thiết bị đóng cắt và các thành phần khác phải chịu tải cao hơn, đồng thời làm tăng tổn thất do hiệu ứng nhiệt.

Làm máy biến áp nóng hơn

Máy biến áp cấp nguồn cho trạm sạc phải đáp ứng công suất tải lớn. Dòng điện hài có thể làm gia tăng một số dạng tổn hao trong máy biến áp và góp phần làm tăng nhiệt độ vận hành.

Đối với các trạm sạc hoạt động với tải cao trong thời gian dài, vấn đề nhiệt cần được đặc biệt quan tâm khi thiết kế và vận hành.

Ảnh hưởng đến tụ bù

Nếu trạm sạc sử dụng hệ thống tụ bù, sóng hài cần được đánh giá cẩn thận. Tụ điện có đặc tính trở kháng giảm khi tần số tăng nên có thể chịu ảnh hưởng đáng kể từ các thành phần hài.

Trong một số cấu hình hệ thống, tương tác giữa tụ bù và trở kháng lưới còn có thể tạo ra điều kiện cộng hưởng, làm gia tăng dòng điện tại một số tần số.

Ảnh hưởng đến thiết bị điện tử và hệ thống điều khiển

Chất lượng điện năng không ổn định có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử, hệ thống điều khiển và thiết bị đo lường được kết nối trong cùng mạng điện.

Đối với một trạm sạc thông minh có hệ thống quản lý năng lượng, truyền thông và giám sát, việc duy trì chất lượng điện năng ổn định càng có ý nghĩa quan trọng.

Các chỉ số cần kiểm tra khi đánh giá sóng hài tại trạm sạc

Để đánh giá chính xác tình trạng chất lượng điện năng, doanh nghiệp không nên chỉ kiểm tra một thông số duy nhất.

Các thông số nên được theo dõi gồm:

• THDi.
• THDv.
• Dòng điện RMS.
• Điện áp RMS.
• Phổ sóng hài theo từng bậc.
• Hệ số công suất.
• Công suất tác dụng.
• Công suất phản kháng.
• Công suất biểu kiến.
• Mức độ biến động của tải theo thời gian.

Việc đo nên được thực hiện ở nhiều trạng thái vận hành, chẳng hạn khi ít xe sạc, nhiều xe sạc đồng thời và thời điểm trạm hoạt động gần công suất thiết kế.

Đo sóng hài tại đâu trong trạm sạc?

Tại điểm đấu nối với lưới điện

Đây là vị trí quan trọng để đánh giá tổng thể ảnh hưởng của trạm sạc đối với hệ thống điện phía trước điểm đấu nối.

Tại đầu ra máy biến áp

Đo tại khu vực này giúp đánh giá dòng điện mà máy biến áp đang cung cấp cho toàn bộ hệ thống trạm sạc và xác định mức độ méo hài tổng thể.

Tại tủ phân phối trạm sạc

Nếu trạm có nhiều khu vực hoặc nhiều nhóm bộ sạc, đo tại từng tủ phân phối giúp xác định khu vực nào đang đóng góp nhiều dòng hài nhất.

Tại các bộ sạc công suất lớn

Đo trực tiếp tại các bộ sạc hoặc nhóm bộ sạc giúp đánh giá đặc tính dòng điện của từng loại thiết bị và xác định nguồn phát sinh chính.

AHF xử lý sóng hài trong trạm sạc xe điện như thế nào?

AHF được kết nối song song với hệ thống điện và sử dụng cảm biến dòng để theo dõi dòng điện của tải.

Bộ điều khiển của AHF phân tích dòng điện và xác định các thành phần sóng hài cần bù. Sau đó, bộ nghịch lưu tạo ra dòng điện bù có biên độ và pha phù hợp để triệt tiêu các thành phần hài trong hệ thống.

Quá trình này diễn ra liên tục và có khả năng đáp ứng theo sự thay đổi của phụ tải.

Trong trạm sạc, khi số lượng xe đang sạc thay đổi, dòng điện và mức sóng hài cũng có thể thay đổi. Khả năng điều chỉnh dòng bù theo thời gian thực là một ưu điểm đáng chú ý của AHF.

Vị trí lắp đặt AHF cho trạm sạc

Không có một vị trí duy nhất phù hợp cho mọi trạm sạc. Vị trí lắp đặt cần được xác định dựa trên sơ đồ điện và kết quả khảo sát.

Lắp AHF gần nhóm bộ sạc

Phương án này phù hợp khi một khu vực tập trung nhiều bộ sạc có mức phát sinh sóng hài cao.

AHF có thể xử lý dòng hài gần nguồn phát sinh, hạn chế dòng hài lan truyền về phía tủ phân phối.

Lắp AHF tại tủ phân phối chính

Nếu nhiều bộ sạc cùng được cấp nguồn từ một tủ điện, AHF có thể được lắp tại tủ này để xử lý dòng hài tổng hợp của cả khu vực.

Lắp AHF tại tủ điện tổng

Đối với trạm có quy mô lớn, AHF có thể được xem xét tại tủ điện tổng nhằm xử lý tổng dòng hài của nhiều nhánh tải.

Việc lựa chọn vị trí cần dựa trên kết quả đo thực tế để tránh tình trạng thiết bị được lắp đặt ở vị trí không tối ưu.

Cách xác định công suất AHF cho trạm sạc

Công suất AHF không nên được lựa chọn chỉ dựa trên tổng công suất của trạm sạc. Điều quan trọng hơn là xác định dòng điện sóng hài cần xử lý.

Quy trình cơ bản gồm:

• Khảo sát công suất và sơ đồ điện của trạm.
• Xác định số lượng và công suất từng bộ sạc.
• Đo dòng điện thực tế.
• Đo THDi và phổ các bậc sóng hài.
• Xác định dòng hài lớn nhất trong điều kiện tải cao.
• Xác định mức THDi mục tiêu.
• Tính toán dòng bù cần thiết.
• Lựa chọn AHF có công suất phù hợp và mức dự phòng hợp lý.

Đối với trạm có kế hoạch mở rộng thêm bộ sạc, cần tính đến phụ tải tương lai để tránh phải thay đổi hệ thống lọc quá sớm.

AHF có xử lý được toàn bộ vấn đề chất lượng điện năng của trạm sạc không?

AHF chủ yếu tập trung vào việc xử lý dòng điện sóng hài. Một số thiết bị AHF có thể tích hợp thêm chức năng bù công suất phản kháng hoặc cân bằng dòng điện, nhưng khả năng cụ thể phụ thuộc vào từng dòng sản phẩm.

Nếu trạm sạc đồng thời gặp vấn đề về hệ số công suất hoặc điện áp, doanh nghiệp cần đánh giá riêng từng vấn đề để lựa chọn giải pháp phù hợp.

Trong một số hệ thống, có thể kết hợp AHF với SVG để xử lý đồng thời sóng hài và công suất phản kháng.

Những trường hợp trạm sạc nên cân nhắc AHF

Doanh nghiệp nên tiến hành khảo sát chất lượng điện năng nếu trạm sạc xuất hiện một hoặc nhiều dấu hiệu sau:

• THDi cao tại điểm đấu nối.
• Dòng điện tăng bất thường khi nhiều bộ sạc hoạt động.
• Máy biến áp vận hành nóng hơn dự kiến.
• Tụ bù thường xuyên gặp sự cố.
• Cáp hoặc thanh cái có dấu hiệu quá nhiệt.
• Thiết bị điện tử thường xuyên báo lỗi.
• Trạm sạc có số lượng bộ sạc nhanh lớn.
• Trạm dự kiến mở rộng công suất trong tương lai.

AHF mang lại lợi ích gì cho trạm sạc xe điện?

Khi được lựa chọn và thiết kế đúng, AHF có thể hỗ trợ trạm sạc trong việc kiểm soát chất lượng dòng điện và giảm tác động của sóng hài.

Một số lợi ích có thể kể đến:

• Giảm THDi.
• Cải thiện dạng sóng dòng điện.
• Giảm dòng điện hài lan truyền trong hệ thống.
• Hạn chế tổn thất và phát nhiệt do dòng điện không mong muốn.
• Giảm áp lực lên máy biến áp và cáp điện.
• Hỗ trợ bảo vệ hệ thống tụ bù.
• Nâng cao độ ổn định của hệ thống điện.
• Tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng trạm sạc.

Có nên lắp AHF ngay từ khi thiết kế trạm sạc?

Không phải mọi trạm sạc đều bắt buộc phải lắp AHF ngay từ đầu. Tuy nhiên, với các dự án có quy mô lớn, nhiều bộ sạc nhanh hoặc yêu cầu cao về chất lượng điện năng, việc khảo sát và dự phòng phương án xử lý sóng hài ngay từ giai đoạn thiết kế là rất cần thiết.

Cách tiếp cận này giúp doanh nghiệp chủ động bố trí không gian tủ điện, công suất máy biến áp, thanh cái, cáp nguồn và vị trí lắp đặt thiết bị xử lý chất lượng điện năng.

Nếu kết quả đo và tính toán cho thấy mức sóng hài nằm trong giới hạn chấp nhận được, doanh nghiệp có thể chưa cần đầu tư AHF ngay nhưng vẫn có thể chuẩn bị hạ tầng để bổ sung khi quy mô trạm tăng lên.

Kết luận

Sóng hài trong trạm sạc xe điện chủ yếu liên quan đến đặc tính của các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống sạc. Khi số lượng bộ sạc và công suất sạc tăng, việc kiểm soát chất lượng điện năng càng trở nên quan trọng.

Doanh nghiệp nên thực hiện đo THDi, THDv, dòng điện RMS và phổ sóng hài tại các vị trí quan trọng trước khi lựa chọn giải pháp xử lý. Đối với những trạm có mức sóng hài cao, AHF có thể là một phương án hiệu quả để giảm dòng điện hài và hỗ trợ cải thiện chất lượng điện năng.

Quan trọng nhất, công suất và vị trí lắp đặt AHF cần được xác định dựa trên dữ liệu đo thực tế và đặc điểm vận hành của trạm sạc. Cách tiếp cận này giúp tối ưu chi phí đầu tư, nâng cao độ ổn định của hệ thống và tạo nền tảng cho quá trình mở rộng hạ tầng sạc xe điện trong tương lai.