Vandaag – 18 december 2023 – promoveerde Tim Slangen aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) op zijn onderzoek bij ElaadNL naar stroomkwaliteit en het opladen van elektrische voertuigen. Slangen bestudeerde het fenomeen dat bekend staat als supraharmonische storingen, die kunnen worden veroorzaakt door het opladen van elektrische voertuigen. Deze storingen kunnen een negatieve invloed hebben op de levensduur, werking en efficiëntie van elektrische apparaten. Het onderzoek is bedoeld om te bepalen welke verstoringen in de toekomst te verwachten zijn en om fabrikanten en organisaties voor standaardisatie te adviseren over gewenste maatregelen.
“Elektrische voertuigen zetten wisselspanning van het elektriciteitsnet om in gelijkspanning om de accu’s van voertuigen op te laden met behulp van een omvormer. Dit laden kan echter leiden tot storingen op het elektriciteitsnet, waarvan er één bekend staat als ‘supraharmonischen’.” zegt Tim Slangen, promovendus bij de afdeling Elektrotechniek van de TU/e.
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 verder, en verwijst naar de verstoringen die zich op hogere frequenties bevinden dan traditionele harmonischen. Het is een onderwerp dat de afgelopen tien jaar veel belangstelling heeft gekregen vanwege de toename van ongewenste interferentie-effecten op het elektrische netwerk, zoals hoorbare ruis, defecten aan consumentenelektronica, falende kabelaansluitingen en problemen met aardlekbeveiligingsapparatuur. Het fenomeen is niet nieuw, maar door het toenemende aantal grote apparaten, zoals opladers voor elektrische voertuigen, is de interferentie de afgelopen jaren steeds prominenter geworden. ”
Nu al deze problemen met supraharmonischen spelen, is een gestandaardiseerde oplossing nodig om meer interferentie in de toekomst te voorkomen.
Tegenwoordig zijn omvormers gemeengoed in ons dagelijks leven, zoals in de oplader van een mobiele telefoon of in LED-lampen. “Zelfs deze kleine apparaten veroorzaken supraharmonische verstoringen die moeten worden aangepakt”, zegt Slangen. Hoewel het opladen van deze kleine apparaten kan leiden tot supraharmonische verstoringen voor het elektriciteitsnetwerk, zijn ze niet te vergelijken met de verstoringen die kunnen worden veroorzaakt door grotere apparaten, zoals opladers voor elektrische voertuigen.
Voor zijn promotieonderzoek heeft Tim Slangen het fenomeen supraharmonische verstoringen in detail onderzocht, met bijzondere aandacht voor supraharmonische emissies, accumulatie en verbreiding, met behulp van een combinatie van laboratorium- en veldexperimenten. Op verschillende locaties door heel Nederland zijn metingen uitgevoerd met meerdere laders voor elektrische auto’s. De verzamelde gegevens zijn vervolgens gebruikt om inzicht te krijgen in de verstoringen in de praktijk. In een laboratoriumopstelling bij KEMA en het ElaadNL Testlab zijn verschillende laders getest en verschillende omstandigheden gesimuleerd. De laders werden blootgesteld aan storingen, verschillende netwerkconfiguraties en getest op al hun operationele omstandigheden om een ‘vingerafdruk’ van hun storingen te verkrijgen.
“Dit onderzoek draagt bij aan het begrijpen van het gedrag van supraharmonische emissies, veroorzaakt door het opladen van elektrische voertuigen. De bevindingen kunnen worden gebruikt om te bepalen welke verstoringen in de toekomst kunnen worden verwacht en om fabrikanten en organisaties voor standaardisatie te adviseren over de benodigde maatregelen. Op deze manier kan het slim en duurzaam opladen van elektrische voertuigen worden gegarandeerd.”
Vanwege de hoge frequentie van supraharmonische vervormingen is het effect op elektrische apparaten, bijvoorbeeld in termen van opwarming, groter dan dat van traditionele verstoringen zoals harmonischen. Dit kan leiden tot een kortere levensduur en uitval van componenten. Het onderzoek heeft de parameters geïdentificeerd die de emissie beïnvloeden. Slangen legt uit: “Het blijkt dat de gecreëerde storingen bijvoorbeeld afhankelijk zijn van de laadtoestand van de accu die op de lader is aangesloten. Hiermee moet rekening worden gehouden bij toekomstige testen en certificering van laders, bijvoorbeeld door het TestLab van ElaadNL. Hier worden deze bevindingen gebruikt om alle laders en elektrische voertuigen te testen, zelfs voor zaken die nog niet gestandaardiseerd zijn. Bovendien is uit het onderzoek gebleken dat supraharmonischen zich verder kunnen voortplanten dan aanvankelijk werd gedacht, en een groter gebied kunnen beïnvloeden.”
ElaadNL werkte in het project ‘Toekomstbestendige Energienetten door Power quality verbetering Elektrisch Vervoer’ behalve met TU/e samen met DNV GL, KEMA Labs, Heliox, Enexis en Stedin. Doel van dit door Topsector Energie gesubsidieerde project was om de netbeheerders inzicht te geven in het effect van supraharmonischen, en te komen tot concrete aanbevelingen op het gebied van supraharmonische voor de industrie. Deze aanbevelingen zijn samengevat in een white paper. In het ElaadNL Testlab is inmiddels gebleken dat bijna de helft van de geteste voertuigen aan de voorgestelde limiet voldoet.
Title of PhD thesis: Supraharmonics and Electric Vehicle Charging: Study on Emission, Summation and Propagation of Conducted Disturbances in the Frequency Range 2-150 kHz. Supervisors: J.F.G. Cobben and V. Cuk.
See also: TEPQEV whitepaper: Standards for 2-150 kHz