Voorkomen van stroomkwaliteitsproblemen veroorzaakt door het opladen van elektrische voertuigen

De interne verbrandingsmotor (ICE) is al meer dan 100 jaar de basis van de auto-industrie. Een groot aantal alledaagse voertuigen in de mobiliteitssector vertrouwt op ICE's, zoals auto's, bussen, vrachtwagens en bouwmachines. Maar hun gebruik leidt tot vervuiling, zoals CO2-uitstoot, wat bijdraagt aan klimaatverandering.

“We moeten belangrijke maatregelen nemen om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, en één manier om dit te doen is via elektrische voertuigen”, zegt Tim Slangen, PhD-onderzoeker aan de faculteit Electrical Engineering.

De overstap naar elektrische voertuigen brengt echter problemen met zich mee, zoals Slangen aangeeft. “Er zijn nieuwe technologieën nodig voor de batterijen en er is behoefte aan een goede oplaadinfrastructuur. Technische ondersteuning voor de gebruiker is ook cruciaal. En het efficiënt opladen van de accu's door het voertuig aan te sluiten op het elektriciteitsnet, leidt tot uitdagingen voor het elektriciteitsnetwerk.”

Elektrische voertuigen zetten wisselspanning van het elektriciteitsnet met behulp van een gelijkrichter om in gelijkspanning, om de accu's op te laden. “Dit opladen kan echter, als het niet op de juiste manier gebeurt, leiden tot verstoringen in de stroomkwaliteit, waarvan er één bekend staat als supraharmonischen”, zegt Slangen.

Supraharmonische storingen 

Maar wat zijn supraharmonischen? Slangen legt uit: “Supraharmonischen zijn golfvormvervormingen in spanning en stroom met een frequentie tussen 2 en 150 kHz. Supra' betekent boven of voorbij, en verwijst naar het feit dat de verstoringen een hogere frequentie hebben dan de traditionele harmonischen.”

Het is een onderwerp dat de laatste tien jaar sterk in de belangstelling is komen te staan door de toename van ongewenste interferentie-effecten op het elektrische netwerk, zoals hoorbare ruis, uitval van consumentenelektronica, uitval van kabelaansluitingen en problemen met aardlekbeveiligingen. “Het fenomeen is niet nieuw, maar in de afgelopen jaren, door het toenemende aantal grote apparaten, zoals opladers voor elektrische voertuigen, is de interferentie prominenter geworden,” voegt Slangen toe.

Met al deze problemen die supraharmonischen met zich meebrengen, is er een standaardoplossing nodig om meer interferentie in de toekomst te voorkomen, vooral omdat er steeds meer grote apparaten, zoals elektrische voertuigen, op het elektriciteitsnetwerk worden aangesloten.

De gelijkrichter gelijkrichten

Tegenwoordig zijn gelijkrichters gemeengoed in ons dagelijks leven, zoals in de oplader van een mobiele telefoon of in LED-lampen. “Zelfs deze kleine apparaten creëren supraharmonische storingen die aangepakt moeten worden”, zegt Slangen.

Hoewel het opladen van deze kleine apparaten kan leiden tot supraharmonische storingen voor het elektriciteitsnetwerk, zijn ze onvergelijkbaar met de storingen die worden veroorzaakt door grotere apparaten, zoals opladers voor elektrische voertuigen. “Er is een drang om over te schakelen op elektrische voertuigen, wat goed is voor het milieu. Maar al deze voertuigen die op het elektriciteitsnetwerk zijn aangesloten, creëren nieuwe uitdagingen, waaronder die met betrekking tot supraharmonischen.”

Verschillende laders

Voor zijn promotieonderzoek onderzocht Tim Slangen in detail het fenomeen van supraharmonische verstoringen, met een bijzondere focus op het opladen van elektrische voertuigen door middel van een combinatie van laboratorium- en veldexperimenten.

Als onderdeel van zijn onderzoek voerde Slangen metingen uit op verschillende locaties in Nederland om de effecten te bepalen in verschillende netten met meerdere opladers voor elektrische voertuigen. De gegevens van deze experimenten gaven inzicht in de aard van de verstoringen in de praktijk.

Vervolgens testte Slangen in het laboratorium verschillende laders, waarbij deze laders werden onderworpen aan verschillende verstoringen, verschillende netwerkconfiguraties en getest voor al hun bedrijfsomstandigheden om een ‘vingerafdruk’ van hun verstoringen te verkrijgen.

Overwegingen met betrekking tot hoge frequenties

“Supraharmonische vervormingen zijn inherent hoogfrequent en dit kan elektrische apparaten op vele manieren beïnvloeden. Apparaten kunnen bijvoorbeeld behoorlijk warm worden, wat meestal niet het geval is bij traditionele storingen zoals harmonischen”, zegt Slangen. “Dit alles betekent een kortere levensduur en uitval van componenten.”

Slangen's werk heeft verschillende parameters geïdentificeerd die supraharmonischen beïnvloeden. “We ontdekten dat de storingen afhankelijk zijn van de laadstatus van de accu die is aangesloten op de acculader.”

Met dit alles moet in de toekomst rekening worden gehouden bij het testen en certificeren van laders, bijvoorbeeld door het testlab van ElaadNL. Vanuit Slangen's werk worden deze bevindingen gebruikt om alle laders en elektrische voertuigen te testen, zelfs voor zaken die nog niet gestandaardiseerd zijn.

Ambitie voor de toekomst

Slangen heeft de ambitie om in de toekomst te werken aan de uitdagingen van de energietransitie en bij te dragen aan een beter klimaat.

Vanaf november 2023 werkt Slangen als Grid Strategist Power Quality & Protection bij Stedin, een van de drie grote distributienetbeheerders in Nederland.

Meer informatie

Het onderzoek vond plaats in samenwerking met het ElaadNL Testlab. Kennis- en innovatiecentrum ElaadNL onderzoekt en test slim en duurzaam laden van elektrische voertuigen. ElaadNL is een initiatief van de gezamenlijke Nederlandse Netbeheerders.

Tim Slangen verdedigde op 18 december zijn proefschrift aan de faculteit Electrical Engineering.

Titel van PhD thesis: Supraharmonics and Electric Vehicle Charging: Study on Emission, Summation and Propagation of Conducted Disturbances in the Frequency Range 2-150 kHz. Promotors: J.F.G. Cobben en V. Cuk.