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

Điện là nguồn năng lượng chính của hệ sinh thái xe điện gồm xe - pin - trạm. Nếu chất lượng điện không đảm bảo, tất yếu các phần tử trong hạ tầng giao thông xanh sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Vì vậy, tại trạm sạc xe điện, nhất là các trạm sạc quy mô lớn, điện không chỉ phải đảm bảo yếu tố “ổn định” mà còn cần duy trì cả yếu tố “sạch”. Dưới đây là các giải pháp liên quan đến chất lượng điện của trạm sạc được đề xuất bởi BTB Electric. 

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện trạm sạc

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

Sóng hài (Harmonics)

Sóng hài tạo ra từ các Bộ chỉnh lưu trong trạm sạc AC/DC phổ biến là bậc 3,5,7… không chỉ làm tăng tổng méo hài (THD) của hệ thống, làm quá nhiệt thiết bị, dây dẫn mà còn tăng tổn thất điện áp và gây áp lực lên lưới điện quốc gia. 

Hệ số công suất thấp (Power Factor - PF)

Các bộ chỉnh lưu trong trạm sạc cũng tác động tiêu cực đến hệ số công suất của lưới điện, khiến tình trạng tổn hao năng lượng trên lưới tăng cao, buộc các nhà đầu tư phải trả số tiền điện hàng tháng cao hơn do bị phạt vì hệ số công suất thấp.

Biến động điện áp (Voltage Fluctuations)

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

Mất cân bằng pha (Phase Unbalance) 

Sạc AC Mode 2 tại các khu dân cư/ tòa nhà cao tầng thường là tải 1 pha. Nếu các tải này không được phân bổ đồng đều giữa 3 pha của lưới điện, tình trạng sụt áp cục bộ và tăng dòng tại dây trung tính sẽ diễn ra, có thể ảnh hưởng đến hoạt động và tuổi thọ của các thiết bị 3 pha khác sử dụng chung đường lưới. 

Sóng hài bậc cao (Supra Harmonics)

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

Tiêu chuẩn nào cho chất lượng điện của trạm sạc?

Nếu xét riêng khía cạnh chất lượng điện của trạm sạc xe điện, hiện chưa có tiêu chuẩn quốc tế hay quốc gia nào quy định về vấn đề này. Tuy nhiên, do thiết bị sạc của xe điện được xếp vào tải phi tuyến (non-linear load), có nguy cơ ảnh hưởng đến chất lượng lưới điện nên điện cấp cho trạm sạc vẫn phải đáp ứng quy chuẩn liên quan đến việc kiểm soát các yếu tố gây “ô nhiễm” lưới điện như sóng hài, hệ số công suất và biến động điện áp.

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

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

Biện pháp đảm bảo chất lượng điện cho trạm sạc

Để đảm bảo chất lượng điện cho trạm sạc, cần có một hệ thống giải pháp toàn diện, phối hợp nhuần nhuyễn với nhau để tăng tính ổn định từ nội tại nguồn điện cho trạm, đồng thời ngăn chặn các vấn đề chất lượng điện có thể xảy ra. 

Giải pháp về nguồn cấp

Trạm sạc cần điện lưới để hoạt động nhưng không nên phụ thuộc vào lưới điện. Do đó, chủ đầu tư/ đơn vị vận hành cần:

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

Giải pháp về thiết bị vận hành/ bảo vệ 

• Thiết bị sạc/ Cổng sạc: Ưu tiên lựa chọn thiết bị sạc đạt chuẩn quốc tế, có tính đồng bộ và tương thích với nhiều dòng 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 sóng hài, hệ số công suất thấp lắp đặt riêng trong trạm. Tuy thuận tiện và tiết kiệm diện tích nhưng bộ sạc sử dụng công nghệ hiện đại này thường rất tốn kém nên không phù hợp với trạm sạc công cộng.  
• Thiết bị bảo vệ: Trang bị đầy đủ thiết bị đóng cắt, chống giật và chống sét lan truyền cho trạm sạc để kịp thời phát hiện và ngăn ngừa các sự cố quá tải, ngắn mạch, quá áp đột biến, rò rỉ điện… Ưu tiên 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 (1.73 lần hoặc gấp đôi) dây pha để ngăn chặn tình trạng bộ sạc tạo ra sóng hài bậc lẻ làm tăng dòng điện trên dây trung tính, tiềm ẩn nguy cơ quá nhiệt, chập cháy. 

Giải pháp xử lý các vấn đề chất lượng điện

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

• Bộ lọc sóng hài chủ động: Thiết bị hiệu quả nhất để triệt tiêu sóng hài. AHF có khả năng làm giảm Tổng méo hài dòng điện (THDi) xuống mức an toàn cho trạm sạc là <5%. Nên lắp đặt AHF tại các trạm sạc lớn hoặc trong khu vực có nhiều tải nhạy cảm. 
• Tụ bù công suất phản kháng: Có nhiệm vụ nâng cao hệ số công suất trong hệ thống điện trạm sạc, đảm bảo tính ổn định của lưới điện và giảm phí phạt từ Điện lực.  
• Cuộn kháng: Thường được lắp ở phía AC đầu vào của Bộ chuyển đổi dòng điện, giúp giới hạn dòng điện khởi động cao đột ngột, hạn chế các 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. Cuộn kháng 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 để có thể theo dõi các thông số quan trọng như sóng hài, độ tăng/sụt áp, điện áp, dòng điện, hệ số công suất… Qua đó có thể đánh giá hiệu suất hoạt động của trạm và xác định nhanh chóng nguyên nhân các 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 căn 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 được tình trạng quá tải hoặc biến động điện áp tại trạm.

Giải pháp chất lượng điện cho trạm sạc từ BTB Electric

Ngoài nhóm thiết bị đóng cắt/ bảo vệ đáp ứng các chuẩn quốc tế cao nhất về an toàn kỹ thuật điện, thích hợp để lắp đặt cho trạm sạc xe điện, BTB Electric còn sở hữu nhóm thiết bị chất lượng điện có khả năng xử lý triệt để các vấn đề sóng hài và hệ số công suất thấp gây “ô nhiễm” lưới điện và tăng phí phạt cho các đơn vị vận hành trạm sạc. 

Nhóm thiết bị chất lượng điện phù hợp với trạm sạc xe điện từ BTB Electric gồm:

Tụ bù khô

Tụ bù khô của BTB Electric có khả năng hiệu chỉnh hệ số công suất điện áp thấp lên mức lý tưởng (thường >0.95), giúp tối ưu hiệu suất, tăng độ ổn định và an toàn cho trạm sạc, đặc biệt là giảm chi phí tiền điện cho đơn vị vận hành/ nhà sản xuất. 

Với dải công suất rộng từ 5~30kVAr, độ bền đạt tới 130.000 giờ hoạt động, đi kèm mức tổn hao thấp (chưa tới 0.2W/kVAr), tụ bù của chúng tôi được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống điện vừa và lớn, không riêng trạm sạc xe điện. Đặc biệt, dòng tụ khô có trang bị bộ ngắt dòng khi quá áp và hoạt động ổn định với tổng méo dạng điện áp (THDu) lên đến 3% nên vừa có khả năng cân bằng công suất phản kháng, vừa duy trì được tuổi thọ lâu dài cho tụ và các thiết bị khác. 

Cuộn kháng 

BTB Electric cung cấp dòng cuộn kháng điện với dải công suất đa dạng từ 10~1500kVAr, tỷ lệ điện kháng 6-14%, được thiết kế đặc biệt ở mức bão hòa cao nên khi kết hợp với tụ bù 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 hài chủ động (AHF)

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

Một số câu hỏi về chất lượng điện cho trạm sạc

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

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

Câu hỏi 2: Smart Charging (Trạm sạc thông minh) có khả năng xử lý các vấn đề chất lượng điện tại trạm hay không? 

Trả lời: Có. Nhờ việc ứng dụng các công nghệ và thiết bị thông minh mà Smart Charging có khả năng giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng như: 

• Phân tích tình trạng lưới điện để phân phối công suất sạc một cách tối ưu, thậm chí có khả năng giảm công suất hoặc hoãn sạc nếu lưới điện quá tải. Từ đó giải quyết được vấn đề sụt áp diện rộng trong giờ cao điểm, cũng như hạn chế các cú sốc phụ tải. 
• Tự động phân bổ đồng đều tải trên các pha trong hệ thống 3 pha (đối với khu vực có nhiều bộ sạc AC 1 pha), cũng như tự động điều chỉnh công suất để mỗi pha mang tải như nhau, hạn chế tình trạng mất cân bằng pha, khiến dòng điện trên dây trung tính tăng cao làm các thiết bị mang điện quá nhiệt hoặc chập cháy. 
• Đa phần 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 sản xuất điện truyền thống. 

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