Đảm bảo chất lượng điện cho trạm sạc công suất lớn: Yêu cầu và giải pháp từ BTB Electric

Lê Hồng Phong

Điện là nguồn năng lượng chính của hệ sinh thái xe điện bao gồm xe – ắc quy – trạm. Nếu chất lượng điện không được đảm bảo, các yếu tố trong hạ tầng giao thông xanh chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Vì vậy, tại các trạm sạc xe điện, đặc biệt là các trạm sạc quy mô lớn, điện không chỉ phải đảm bảo yếu tố “ổn định” mà còn phải duy trì yếu tố “sạch”. Dưới đây là các giải pháp liên quan đến chất lượng điện năng của các trạm sạc do KTH ELECTRIC đề xuất.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nguồn điện của trạm sạc

Các trạm sạc công suất lớn, đặc biệt là các trạm sạc nhanh DC, sử dụng bộ chỉnh lưu AC/DC tích hợp trong trạm để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều từ nguồn lưới nhằm cung cấp dòng điện một chiều phù hợp cho ắc quy xe điện. Quá trình chuyển mạch điện tử này làm biến dạng dạng sóng sin thuần túy của dòng điện đầu vào, gây ra nhiều vấn đề về chất lượng điện ảnh hưởng đến độ ổn định của lưới điện.

sóng hài

Sóng hài sinh ra từ các bộ chỉnh lưu trong các trạm sạc AC/DC thường có bậc 3, 5, 7… không chỉ làm tăng tổng méo sóng hài (THD) của hệ thống, làm nóng thiết bị và dây dẫn mà còn làm tăng tổn thất điện áp và gây áp lực lên lưới điện quốc gia.

Hệ số công suất thấp (PF)

Bộ chỉnh lưu trong các trạm sạc cũng tác động tiêu cực đến hệ số công suất của lưới, làm tăng tổn thất năng lượng trên lưới, buộc chủ đầu tư phải trả tiền điện hàng tháng cao hơn do bị phạt hệ số công suất thấp.

Biến động điện áp

Khi trạm sạc nhanh DC công suất cao khởi động, rất có thể xảy ra sụt áp đường dây. Ngoài ra, việc bật/tắt liên tục và điều chỉnh công suất sạc trong trường hợp trạm sạc có nhiều xe cần sạc cũng gây ra tình trạng chập chờn điện, ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị khác.

Mất cân bằng pha

Sạc AC Mode 2 trong khu dân cư/tòa nhà cao tầng thường là tải một pha. Nếu các tải này không được phân bố đều giữa 3 pha của lưới điện sẽ xảy ra sụt áp cục bộ và tăng dòng điện ở dây trung tính, điều này có thể ảnh hưởng đến hoạt động và tuổi thọ của các thiết bị 3 pha khác sử dụng cùng đường dây.

Sóng hài siêu cao

Sự cố này chủ yếu xảy ra ở các trạm sạc thế hệ mới sử dụng công nghệ chuyển mạch tần số cao nhằm rút ngắn thời gian sạc cho các trạm DC. Với mức nhiễu trong dải tần từ 2 – 150kHz, sóng hài bậc cao là “kẻ thù” của các thiết bị điện tử, hệ thống thông tin liên lạc, tín hiệu nhạy cảm và làm suy giảm hiệu suất của các thiết bị lọc sóng hài truyền thống.

Tiêu chuẩn chất lượng điện năng của trạm sạc là gì?

Nếu chúng ta xem xét cụ thể khía cạnh chất lượng điện năng của các trạm sạc xe điện, hiện tại không có tiêu chuẩn quốc tế hoặc quốc gia nào quy định vấn đề này. Tuy nhiên, do thiết bị sạc của xe điện được xếp vào loại phụ tải phi tuyến tính, có nguy cơ ảnh hưởng đến chất lượng lưới điện nên nguồn điện cung cấp cho trạm sạc vẫn phải đáp ứng các tiêu chuẩn liên quan đến kiểm soát các yếu tố “gây ô nhiễm” lưới điện như sóng hài, hệ số công suất và dao động điện áp.

Một số khía cạnh về chất lượng điện theo tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia mà các trạm sạc cần đáp ứng bao gồm:

• IEC 61000-3-2 (Tương thích điện từ (EMC)): Tiêu chuẩn này giới hạn mức phát ra dòng điện hài đối với các thiết bị có dòng điện định mức dưới 16A, đảm bảo rằng sóng hài trong trạm sạc không vượt quá ngưỡng cho phép.
• IEC 61000-3-12: Tiêu chuẩn giới hạn mức phát thải dòng điện hài đối với các thiết bị có dòng điện định mức từ 16A – 75A.
• IEC 61000-4-30: Tiêu chuẩn này cung cấp các phương pháp đo chất lượng điện năng dựa trên các hiện tượng như sụt áp, tăng điện áp, sóng hài và nhiễu điện.
• IEEE 519-2014: Tiêu chuẩn chung về sóng hài, cung cấp các tiêu chí chi tiết về độ méo sóng hài dòng điện và điện áp trong các hệ thống điện khác nhau.
• ISO 12078-21-1:2020 (tương đương IEC 61851-21-1): Yêu cầu tương thích điện từ của bộ sạc xe điện được kết nối có dây với nguồn AC/DC.

Các biện pháp đảm bảo chất lượng điện năng cho trạm sạc

Để đảm bảo chất lượng điện năng cho các trạm sạc, cần có hệ thống giải pháp tổng thể, phối hợp nhịp nhàng với nhau nhằm tăng độ ổn định bên trong nguồn điện cho trạm, đồng thời ngăn ngừa các vấn đề về chất lượng điện có thể xảy ra.

Giải pháp cung cấp điện

Các trạm sạc cần có nguồn điện lưới để hoạt động nhưng không nên phụ thuộc vào lưới điện. Vì vậy, nhà đầu tư/nhà điều hành cần:

• Tính toán, xác định công suất cần thiết của trạm sạc dựa trên nhu cầu sử dụng của cư dân xung quanh, đặc biệt là các trạm sạc trong khu dân cư/trung tâm thương mại, tránh tình trạng quá tải cho trạm sạc. Bạn nên xem xét khả năng mở rộng và nâng cấp các trạm sạc trong tương lai.
• Thiết kế hệ thống điện độc lập cho trạm sạc, ưu tiên gần cột điện hoặc trạm biến áp để đảm bảo nguồn điện ổn định, liên tục. Tránh chia sẻ nguồn điện của trạm với các tải nhạy cảm như trung tâm dữ liệu và thiết bị y tế.
• Lắp thêm ổn áp tự động (AVR) tại nguồn tới trạm sạc (với các trạm sạc đặt ở khu vực lưới điện yếu) để duy trì điện áp đầu vào ổn định. Đối với các trạm sạc quy mô nhỏ, nguồn điện liên tục (UPS) có thể là giải pháp thay thế tiết kiệm với cùng chức năng.

Giải pháp cho thiết bị vận hành/bảo vệ

• Thiết bị sạc/Cổng sạc: Ưu tiên lựa chọn thiết bị sạc đạt tiêu chuẩn quốc tế, đồng bộ và tương thích với nhiều mẫu xe điện (thường là Type 1, Type 2, CCS Combo).
• Bộ sạc có công nghệ chỉnh lưu PFC (Power Factor Correction): Đây là giải pháp thay thế các thiết bị xử lý hệ số công suất hài, công suất thấp được lắp đặt riêng trong trạm biến áp. Mặc dù tiện lợi và tiết kiệm không gian nhưng các bộ sạc sử dụng công nghệ hiện đại này thường có giá thành rất đắt nên không phù hợp với các trạm sạc công cộng.
• Thiết bị bảo vệ: Trang bị đầy đủ các thiết bị chuyển mạch, chống giật, chống sét lan truyền cho trạm sạc để kịp thời phát hiện và ngăn chặn các sự cố quá tải, đoản mạch, quá điện áp đột ngột, rò rỉ điện… Ưu tiên các thiết bị chống giật Type B/Type EV, SPD chống sét lan truyền Type 1 hoặc 2 để tăng khả năng bảo vệ toàn diện cho trạm sạc.
• Dây trung tính: Thiết kế dây trung tính có tiết diện lớn hơn (gấp 1,73 hoặc gấp đôi dây pha) để tránh việc bộ sạc tạo ra sóng hài bậc lẻ làm tăng dòng điện trên dây trung tính, tiềm ẩn nguy cơ quá nhiệt và cháy nổ.

Giải pháp xử lý vấn đề chất lượng điện năng

Cách tốt nhất để hạn chế các vấn đề về chất lượng điện tại các trạm sạc xe điện là lắp đặt thêm thiết bị xử lý sóng hài và hệ số công suất.

• Bộ lọc sóng hài tích cực: Thiết bị hiệu quả nhất để triệt tiêu sóng hài. AHF có khả năng giảm độ méo hài tổng thể (THDi) xuống mức an toàn cho các trạm sạc
• Tụ điện phản kháng: Chịu trách nhiệm cải thiện hệ số công suất trong hệ thống điện trạm sạc, đảm bảo sự ổn định của lưới điện và giảm phí phạt từ Điện lực.
• Cuộn dây điện trở: Thường được lắp đặt ở phía đầu vào AC của Bộ chuyển đổi dòng điện, nó giúp hạn chế dòng điện tăng cao đột ngột, hạn chế xung điện áp và nhiễu điện từ đi vào bộ sạc, từ đó bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của toàn bộ hệ thống trạm sạc. Lò phản ứng lắp đặt cho trạm sạc cần đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61000-3-12 và IEEE 519.

Giải pháp giám sát và quản lý

Trang bị cho trạm sạc hệ thống đồng hồ đo chất lượng điện năng để theo dõi các thông số quan trọng như sóng hài, tăng/giảm điện áp, điện áp, dòng điện, hệ số công suất… Qua đó có thể đánh giá hiệu quả hoạt động của trạm và nhanh chóng xác định nguyên nhân sự cố.

Ngoài ra, các trạm sạc công cộng quy mô lớn có thể sử dụng hệ thống EMS (Energy Management System) hoặc DLM (Dynamic Load Management) để điều chỉnh công suất sạc của trạm phân phối theo công suất khả dụng của lưới điện tại từng thời điểm cụ thể. Điều này hạn chế tình trạng quá tải hoặc dao động điện áp tại trạm.

Giải pháp chất lượng điện năng cho trạm sạc của KTH ELECTRIC

Ngoài nhóm thiết bị đóng cắt/bảo vệ đạt tiêu chuẩn quốc tế cao nhất về an toàn kỹ thuật điện, phù hợp lắp đặt trong các trạm sạc xe điện, KTH ELECTRIC còn sở hữu nhóm thiết bị chất lượng điện năng có khả năng xử lý triệt để các vấn đề về sóng hài, hệ số công suất thấp gây “ô nhiễm” lưới điện và tăng mức phạt cho người vận hành trạm sạc.

Nhóm thiết bị điện chất lượng phù hợp cho trạm sạc xe điện của KTH ELECTRIC bao gồm:

Tụ khô

Tụ khô của KTH ELECTRIC có khả năng hiệu chỉnh hệ số công suất điện áp thấp về mức lý tưởng (thường >0,95), giúp tối ưu hóa hiệu suất, tăng độ ổn định và an toàn cho trạm sạc, đặc biệt là giảm chi phí điện năng cho người vận hành/nhà sản xuất.

Với dải công suất rộng từ 5~30kVAr, độ bền lên tới 130.000 giờ hoạt động và mức tổn thất thấp (dưới 0,2W/kVAr), tụ điện của chúng tôi được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống điện vừa và lớn, không chỉ riêng các trạm sạc xe điện. Đặc biệt, dòng tụ khô được trang bị cầu dao ngắt dòng khi quá điện áp và hoạt động ổn định với độ méo điện áp tổng (THDu) lên tới 3% nên vừa có khả năng cân bằng công suất phản kháng, vừa duy trì tuổi thọ cao cho tụ điện và các thiết bị khác.

Cuộn dây điện trở

KTH ELECTRIC cung cấp dòng lò phản ứng có dải công suất đa dạng từ 10~1500kVAr, hệ số điện kháng 6-14%, được thiết kế đặc biệt ở mức bão hòa cao nên khi kết hợp với các dãy tụ điện sẽ có khả năng lọc sóng hài bậc cao, tăng chất lượng lưới điện và bảo vệ các thiết bị khác trong cùng hệ thống.

Bộ lọc sóng hài tích cực (AHF)

Bộ lọc sóng hài KTH ELECTRIC được ứng dụng công nghệ biến tần 3 cấp tiên tiến, xử lý hiệu quả các mức sóng hài từ 2 đến 50 với hiệu suất lọc sóng hài >97%. Đặc biệt, AHF của chúng tôi đảm nhiệm đồng thời các chức năng cân bằng tải, bù hệ số công suất và triệt tiêu dòng điện hài nên được coi là giải pháp toàn diện nhất để giải quyết các vấn đề về chất lượng điện tại các trạm sạc.

Một số câu hỏi về chất lượng điện năng cho trạm sạc

Câu 1: Trong trạm sạc, bậc sóng hài nào ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điện năng?

Hồi đáp: Trong các trạm sạc, đặc biệt là sạc nhanh DC, các sóng hài bậc lẻ không chia hết cho 3 (đặc biệt là bậc 5 và 7) sẽ tác động tiêu cực nhất đến hệ thống điện và tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi 2: Sạc thông minh có khả năng xử lý các vấn đề về chất lượng điện tại trạm không?

Hồi đáp: Có. Nhờ ứng dụng công nghệ và thiết bị thông minh, Sạc thông minh có khả năng giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng như:

• Phân tích tình trạng lưới điện để phân bổ tối ưu công suất sạc, kể cả khả năng giảm công suất hoặc hoãn sạc nếu lưới quá tải. Qua đó giải quyết được vấn đề sụt áp diện rộng vào giờ cao điểm, cũng như hạn chế tình trạng sốc phụ tải.
• Tự động phân bổ tải đều giữa các pha trong hệ thống 3 pha (đối với khu vực có nhiều bộ sạc AC một pha), cũng như tự động điều chỉnh công suất để mỗi pha mang tải như nhau, hạn chế mất cân bằng pha khiến dòng điện trên dây trung tính tăng cao khiến các thiết bị điện bị quá nhiệt hoặc cháy nổ.
• Hầu hết các trạm sạc thông minh đều được tích hợp năng lượng tái tạo, giúp giảm sự phụ thuộc vào lưới điện quốc gia. Nhờ đó, Smart Charging chủ động hơn trong việc sử dụng năng lượng, giảm áp lực cho các nhà máy điện truyền thống.

Tuy sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội nhưng trạm sạc thông minh đòi hỏi công nghệ, thiết bị hiện đại nên chi phí đầu tư, vận hành rất lớn. Vì vậy, tại Việt Nam và nhiều nước trên thế giới, mô hình này thực tế chưa được nhân rộng mà mới chỉ đang trong giai đoạn thử nghiệm.