La ricarica rapida degli EV causa instabilità nella rete elettrica
L’ascesa inarrestabile dei veicoli elettrici (EV) sta ridisegnando non solo il panorama automobilistico, ma anche le fondamenta stesse del sistema energetico. Mentre milioni di automobilisti abbandonano i motori a combustione per abbracciare la mobilità elettrica, la domanda di stazioni di ricarica rapida è esplosa. Questi hub, progettati per fornire cariche sostanziali in pochi minuti, sono un pilastro fondamentale per l’adozione di massa dei veicoli elettrici. Tuttavia, dietro la loro convenienza si nascondono complessi sfide tecniche che minacciano la stabilità delle reti di distribuzione elettrica. Una ricerca recente, pubblicata sulla prestigiosa rivista Electrical Measurement & Instrumentation, getta luce su questi problemi, rivelando che la connessione e la disconnessione delle stazioni di ricarica rapida generano perturbazioni transitorie significative, come cadute di tensione e transitori elettromagnetici, che possono compromettere la qualità del servizio elettrico.
Lo studio, guidato da Wang Hongbiao, un ricercatore post-laurea, insieme al suo supervisore Su Shiping e ai colleghi Hu Yajie e Ouyang Zhenyu della Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università di Scienza e Tecnologia di Changsha, affronta un aspetto spesso trascurato: i fenomeni transitori piuttosto che i problemi allo stato stazionario. Mentre la maggior parte delle ricerche precedenti si è concentrata su distorsioni armoniche o squilibri di tensione a lungo termine, questo team ha approfondito i fenomeni brevi ma intensi che si verificano in frazioni di secondo quando una stazione di ricarica viene attivata, disattivata o subisce un guasto. Questi eventi, sebbene di breve durata, possono avere conseguenze gravi per apparecchiature sensibili collegate alla stessa rete, dai sistemi di controllo industriale ai dispositivi medici.
L’essenza del problema risiede nella natura stessa della ricarica rapida. A differenza di una ricarica lenta che agisce come un carico resistivo costante, una stazione di ricarica rapida è un sistema di potenza dinamico e non lineare. Il suo funzionamento si basa su convertitori di potenza ad alta frequenza che trasformano la corrente alternata (AC) della rete in corrente continua (DC) che il veicolo può immagazzinare. Questo processo implica la commutazione estremamente rapida di semiconduttori di potenza, come i transistor IGBT (Transistore Bipolare a Gate Isolato), che introduce componenti ad alta frequenza nella rete. Il nucleo della ricerca è stato modellare con precisione questo comportamento per prevederne gli impatti.
Il team ha sviluppato due modelli analitici fondamentali. Il primo, un modello di caduta di tensione basato sul comportamento dei trasformatori ad alta frequenza utilizzati nelle stazioni di ricarica. Quando una stazione viene collegata alla rete, il trasformatore che la alimenta può sperimentare una corrente di magnetizzazione di inrush, un picco di corrente estremamente elevato che si verifica durante i primi cicli di alimentazione. Questa corrente, causata dalla saturazione del nucleo del trasformatore, agisce come un carico d’urto, drenando energia dalla rete e provocando un calo repentino della tensione. Il secondo modello, un modello di transitorio elettromagnetico basato su parametri distribuiti, è stato progettato per catturare i picchi di tensione e corrente ad alta frequenza generati dalla commutazione dei semiconduttori. Questi transitori, che possono raggiungere frequenze di chilohertz o persino megahertz, non solo distorcono la forma d’onda della rete, ma possono anche indurre rumore nei circuiti di comunicazione e causare malfunzionamenti in apparecchiature elettroniche.
Le simulazioni condotte dai ricercatori hanno fornito prove schiaccianti di questi fenomeni. In uno scenario di funzionamento normale, quando la stazione di ricarica viene collegata alla rete al secondo 0,1 del simulatore, si è osservata una caduta di tensione immediata. Questa caduta non è stata un evento momentaneo; è persistita per tutto il periodo di ricarica, dal secondo 0,1 al secondo 0,6, quando la stazione è stata disconnessa. Durante questo tempo, la tensione nella rete è rimasta al di sotto del suo valore nominale, un periodo prolungato di instabilità che può influenzare tutti i consumatori collegati allo stesso alimentatore. Questa caduta di tensione è stata attribuita direttamente alla corrente di inrush del trasformatore ad alta frequenza, la cui alta induttanza e bassa resistenza ohmica fanno sì che la rete impieghi diversi cicli per riprendersi.
Parallelamente alla caduta di tensione, il modello di transitorio elettromagnetico ha rivelato eventi ancora più sottili ma ugualmente preoccupanti. Nel momento della connessione, a 0,105 secondi, è stato registrato un transitorio a impulso, una breve raffica di alta tensione. A 0,121 secondi, è seguito un transitorio oscillatorio, una perturbazione ad alta frequenza che è durata più a lungo. Questi eventi sono il risultato diretto dei cambiamenti bruschi di corrente nei circuiti di commutazione della stazione di ricarica. Il dato più notevole è che questi transitori si sono verificati solo durante la connessione; quando la stazione è stata disconnessa, non sono stati osservati disturbi elettromagnetici significativi. Ciò suggerisce che il processo di accensione sia il momento di maggiore stress per la rete.
La situazione diventa critica quando si simulano condizioni di guasto, che sono inevitabili in qualsiasi sistema elettrico su larga scala. I ricercatori hanno analizzato tre tipi di guasto: cortocircuito monofase, bifase e bifase a terra. In un cortocircuito monofase sulla fase “a”, la tensione in quella fase è scesa a 0,75 pu (per unità), mentre le altre fasi hanno sperimentato un lieve aumento di tensione a causa dello squilibrio. In un cortocircuito bifase (fasi “a” e “b”), la caduta di tensione è stata più severa, con tensioni che sono scese a 0,60 pu e 0,69 pu rispettivamente. Durante tutto l’evento di guasto, il livello di caduta di tensione è rimasto costante, indicando che la rete era sotto un carico estremo.
I guasti hanno anche generato transitori elettromagnetici di intensità e durata diverse. In un cortocircuito bifase, un transitorio a impulso si è verificato a 0,372 secondi e un transitorio oscillatorio a 0,41 secondi. In un cortocircuito bifase a terra, il transitorio a impulso è stato più lungo, della durata di 5 millisecondi, e si è verificato a 0,431 secondi, mentre il transitorio oscillatorio è apparso prima, a 0,302 secondi. Una scoperta cruciale è stata che, a differenza della connessione normale, l’eliminazione del guasto (quando gli interruttori si aprono per isolare il difetto) può anche generare transitori. Questa scoperta è vitale per gli ingegneri di protezione, in quanto indica che lo stesso sistema di protezione può essere una fonte di perturbazioni.
Le implicazioni di questa ricerca sono profonde per tutti gli attori dell’ecosistema della mobilità elettrica. Per gli operatori di rete, questi risultati sono un campanello d’allarme. La proliferazione di stazioni di ricarica rapida senza una pianificazione adeguata potrebbe portare a un degrado generalizzato della qualità del servizio. È imperativo condurre studi di impatto del carico prima di installare nuove stazioni, specialmente in aree con reti obsolete o già sovraccariche. Soluzioni come regolatori di tensione dinamici (DVR) o filtri attivi di potenza potrebbero essere necessarie per mitigare le cadute di tensione e i transitori.
Per gli sviluppatori di infrastrutture di ricarica, lo studio suggerisce che la progettazione delle stazioni deve andare oltre la potenza di uscita. L’implementazione di strategie di “avvio morbido” (soft-start), che limitano la corrente di inrush, può ridurre drasticamente l’impatto sulla rete. Inoltre, l’integrazione di sistemi di accumulo di energia, come batterie o supercondensatori, nelle stesse stazioni di ricarica, può fungere da ammortizzatore. Questi sistemi possono fornire l’energia iniziale necessaria per la ricarica, eliminando la necessità di estrarre un picco di corrente direttamente dalla rete.
Dal punto di vista del produttore di veicoli e apparecchiature di ricarica, ci sono opportunità per migliorare l’elettronica di potenza. L’uso di semiconduttori a banda larga, come il carburo di silicio (SiC) o il nitruro di gallio (GaN), non solo migliora l’efficienza, ma permette anche frequenze di commutazione più elevate con minori perdite e, potenzialmente, minori emissioni di transitori. L’ottimizzazione degli algoritmi di controllo dei convertitori di potenza può anche aiutare a rendere più morbidi i profili di ricarica e a minimizzare le perturbazioni.
Per i responsabili delle politiche e gli organi di normazione, questa ricerca sottolinea l’urgenza di aggiornare gli standard di qualità dell’energia. Norme come la IEC 61000, che regolano la compatibilità elettromagnetica, potrebbero non essere completamente attrezzate per gestire i profili di carica unici e dinamici degli EV. È necessario sviluppare criteri specifici per le emissioni di transitori e l’immunità delle stazioni di ricarica, assicurando che l’espansione dell’infrastruttura non vada a scapito della stabilità della rete.
In ultima analisi, la transizione verso un parco veicoli elettrici è un’impresa sistemica. Non si tratta semplicemente di sostituire un motore con una batteria; si tratta di integrare milioni di nuovi carichi mobili in un sistema energetico esistente. Il lavoro di Wang Hongbiao, Su Shiping, Hu Yajie e Ouyang Zhenyu fornisce una comprensione critica di uno dei punti di attrito più importanti in questa integrazione. Identificando e modellando con precisione i problemi di qualità dell’energia transitoria, la loro ricerca getta le basi per un’espansione più intelligente, più robusta e più sostenibile dell’infrastruttura di ricarica. Ignorare queste sfide tecniche potrebbe trasformare la promessa di una mobilità pulita in una fonte di instabilità elettrica. Questo studio è un promemoria essenziale del fatto che la strada verso il futuro deve essere non solo sostenibile, ma anche stabile.
Wang Hongbiao, Su Shiping, Hu Yajie, Ouyang Zhenyu, Changsha University of Science and Technology, Electrical Measurement & Instrumentation, DOI: 10.19753/j.issn1001-1390.2024.06.021