Discusión sobre el esquema de detección de fugas en el sistema V2G del vehículo eléctrico

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Con el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos, el esquema V2G se menciona constantemente. Su idea central es utilizar una gran cantidad de almacenamiento de energía de vehículos eléctricos como amortiguador de la red eléctrica y energía renovable. Cuando la carga de la red eléctrica es demasiado alta, el almacenamiento de energía de los vehículos eléctricos alimentará la red eléctrica, y cuando la carga de la red eléctrica es demasiado baja, se utilizará para almacenar el exceso de generación de energía de la red eléctrica para evitar el desperdicio. Bajo la tecnología V2G, los vehículos eléctricos pueden realizar la función de carga mutua con la red eléctrica. De esta manera, los usuarios de vehículos eléctricos pueden cargar vehículos a precios de electricidad bajos y vender la energía de los vehículos eléctricos a la red eléctrica a precios de electricidad altos, para obtener ingresos. Para las empresas de la red eléctrica, en caso de escasez de energía, puede reducir la presión de energía y equilibrar la carga de la red eléctrica, a fin de garantizar la eficiencia operativa de la red eléctrica.

Una de las tecnologías clave de V2G es el desarrollo del cargador bidireccional de alta potencia. Para los fabricantes de vehículos, el cargador a bordo requiere un volumen pequeño, peso ligero, bajo costo y buena confiabilidad. En la actualidad, la topología del cargador principal está compuesta por un rectificador incontrolable trifásico y un convertidor CC/CC aislado por transformador de alta frecuencia. Este cargador con transformador de aislamiento tiene gran volumen, baja eficiencia de conversión y alto costo. Por lo tanto, el uso de cargadores no aislados es la dirección de desarrollo principal en la actualidad. Un cargador bidireccional de alta potencia adopta una nueva topología, como se muestra en la figura a continuación Fig. 1.

Fig. 1 Topología de un cargador eficiente de alto factor de potencia

Consiste en un rectificador PWM de fuente de voltaje trifásico en la etapa delantera y un circuito interruptor reversible de corriente en la etapa trasera. El circuito CC/CC del interruptor reversible de corriente de la etapa posterior se puede entender como un circuito compuesto compuesto por un circuito elevador y un circuito reductor. El circuito no solo puede realizar el flujo directo del circuito, sino también realizar el flujo inverso de corriente, para realizar el flujo bidireccional de la energía de todo el cargador.

Debido a la topología CC / CC no aislada, se elimina el transformador de alta frecuencia, se mejora la eficiencia de conversión y se reducen el costo y la pérdida del sistema. Sin embargo, una situación que tenemos que considerar es el problema de fugas de todo el sistema. Como un dispositivo electrónico de potencia complejo, el problema de fugas del cargador bidireccional de alta potencia es difícil de evitar. Es necesario limitar la fuga a un cierto rango a través de una buena estrategia de control en el diseño. De lo contrario, existen riesgos para la red eléctrica, el propio dispositivo o la seguridad de la vida y la propiedad. Al mismo tiempo, también es necesario adoptar un medio de protección básico para evitar el daño de la fuga cuando la fuga supera la expectativa.

Fig. 2 Circuito piloto de control de entrada del motor a bordo

La fig.2 anterior se intercepta en QC/T 895-2011 cargador embarcado conductivo para vehículos eléctricos, que refleja el modelo general de conexión entre la red eléctrica y el cargador. El cargador de a bordo suministra energía al cargador de a bordo de los vehículos eléctricos a través del cable de carga. El cargador integrado convierte la CA conectada en CC para cargar la batería de almacenamiento. Cuando se alimenta a la red eléctrica, la batería convierte CC en CA a través del cargador integrado y retroalimenta a la red eléctrica a través del cable de carga. Se instala un protector de corriente de fuga dentro del equipo de suministro de energía (pila de carga) para proteger toda la red eléctrica y el proceso de intercambio de energía de los vehículos eléctricos. El protector de corriente de fuga también se conoce como protector de corriente residual (RCD). RCD es el medio de protección básico, por lo que su fiabilidad es muy importante.

Como todos sabemos, el sistema de suministro de energía tiene un sistema trifásico de tres hilos y un sistema trifásico de cuatro hilos. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) estipula el sistema TT, el sistema TN y el sistema it. Al usar este cargador bidireccional de alta potencia, se pierde la limitación del transformador de aislamiento de CC/CC y la batería es la primera en ganar libertad, que ya no está aislada del sistema. Por lo tanto, durante el uso a largo plazo de la batería, si el bus de CC tiene una falla de aislamiento, la fuga se retroalimentará al lado de CA a través de la línea PE de conexión a tierra del cuerpo. Tomando como ejemplo la fuga positiva del bus de CC de la batería, el modelo de fuga se muestra en la figura 3 a continuación.

Fig. 3 Modelo de fuga del cortocircuito positivo de la batería a tierra

Como podemos ver, la fuga positiva del bus de CC de la batería se retroalimenta al lado de CA para formar un circuito. Esta corriente CC inesperada afectará a todo el sistema. Si simulamos el circuito equivalente, encontraremos que toda la corriente de carga está distorsionada, lo que reduce la eficiencia de carga e incluso la vida útil de la batería. Más en serio, si la línea PE está desconectada y falta el cable de conexión a tierra, esta parte de la corriente puede pasar a través del cuerpo humano y causar daño al cuerpo humano. Si la corriente continua ingresa a la red eléctrica, las consecuencias serán inimaginables y dañarán toda la red de distribución. Por lo tanto, cuando ocurre una fuga de CC, el circuito debe desconectarse, el dispositivo debe verificarse y la función de detectar fugas y desconectar el circuito se completa naturalmente con el protector de corriente residual (RCD).

En IEC 61851-1-2017, los requisitos de protección para la corriente residual son: cada punto de conexión de CA debe estar protegido por separado por un equipo de corriente residual (RCD), el RCD que protege cada punto de conexión debe cumplir al menos los requisitos del tipo a RCD, y su corriente de trabajo nominal residual no debe exceder los 30 mA. Cuando el punto de carga EV contiene un enchufe o conector de vehículo que cumple con IEC 62196, se deben tomar medidas de protección adicionales para una corriente de falla de CC uniforme. La protección contra corriente de fuga debe ser al menos de tipo B o tipo A, y se puede separar cuando se detecta una corriente superior a 6 mA/CC.

Fig.4 La antigua Visión comparada con la nueva Visión de IEC 61851-1

Para comprender por qué detectar DC 6mA sin problemas, debemos comenzar desde el estándar y la seguridad. La esencia de la protección de corriente de fuga de la pila de carga se introduce en el estándar iec61851, a saber, "protección contra descargas eléctricas". Ni las normas de seguridad nacionales ni las normas de seguridad extranjeras establecen una CC suave de 6 mA como corriente de protección de seguridad del cuerpo humano, porque una corriente tan pequeña no causaría daño al cuerpo humano. El motivo para detectarlo también es muy sencillo. La existencia excesiva de un componente suave de CC conducirá a la saturación temprana del anillo magnético tipo a y, finalmente, conducirá a la detección inexacta de fugas de CA por parte de la protección contra fugas tipo a.

Requisitos de resistencia de diferentes protecciones contra fugas para suavizar las fugas de CC en especificaciones internacionales:

1) Tipo AC: no se puede detectar en el entorno con una fuga de CC suave

2) Tipo A: solo puede funcionar en el entorno con una fuga de CC suave de menos de 6 mA

3) Tipo F: solo puede funcionar en el entorno con una fuga de CC suave de menos de 10 mA

4) Tipo B: sensible a la fuga de CC suave

Conclusión: El propósito de detectar DC 6mA sin problemas es garantizar la precisión de la protección contra fugas de tipo a.

Por lo tanto, es muy necesario detectar y proteger la CC suave de 6 mA en función de la inspección teórica del tipo A, porque la protección contra fugas del tipo A no está diseñada para la escena de la pila de CA, y los componentes de CC excesivamente suaves pueden provocar ceguera. de tipo a protección contra fugas. Por lo tanto, es necesario parchear esta detección para el error.

El tipo B ya es una medida de protección contra fugas de cobertura integral completa. Es sensible a las fugas de CC uniformes y no necesita parches. Si se agrega, aumentará la probabilidad de mal funcionamiento de la protección contra fugas durante la carga del vehículo eléctrico porque el valor de protección de DC 6mA suave es realmente muy pequeño.

En el proceso de realización de V2G de vehículos eléctricos, debemos considerar cómo realizar la integración y la miniaturización, y también tener en cuenta todos los componentes del sistema completo. Teniendo en cuenta la situación actual y la dirección de desarrollo futuro del campo de los vehículos eléctricos, desde la perspectiva de la protección contra fugas, necesitamos urgentemente actualizar el protector de corriente residual tipo a actual al tipo B, que es una práctica responsable para toda la industria.

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