MIKA LÖTJÖNEN SÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUKSEN OHJAUS SÄHKÖVOIMA- JÄRJESTELMÄN VAKAUTUSRESERVINÄ Diplomityö

MIKA LÖTJÖNEN SÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUKSEN OHJAUS SÄHKÖVOIMA- JÄRJESTELMÄN VAKAUTUSRESERVINÄ Diplomityö Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 12. elokuuta 2015

ii TIIVISTELMÄ MIKA LÖTJÖNEN: Sähköajoneuvojen latauksen ohjaus sähkövoimajärjestelmän vakautusreservinä Tampereen teknillinen yliopisto Diplomityö, 85 sivua Lokakuu 2015 Sähkötekniikan koulutusohjelma Pääaine: Tehoelektroniikan sähkökäytöt Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Avainsanat: taajuus, lataus, ohjaus, sähköajoneuvo, reservi, vakautusreservi, häiriöreservi, voimajärjestelmä Sähköajoneuvojen, niiden latauslaitteiden ja muun ohjattavan kuormituksen määrä jakeluverkoissa on kasvanut. Sähköajoneuvojen voimajärjestelmävaikutuksia ei juuri ole tutkittu, koska sähköajoneuvokanta on pieni. Tuotantokapasiteettia, kuten tuulivoimalaitoksia ja aurinkovoimaloita on liittynyt entistä enemmän verkkoon, ja ne eivät suoraan osallistu taajuuden säätöön. Toisaalta uutta taajuudensäätöön osallistuvaa vesivoimaa ei juurikaan rakenneta, vaan vesivoimakapasiteetin on ennustettu säilyvän lähes ennallaan. Kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj vastaa Suomessa taajuudensäädöstä. Taajuudensäätö tapahtuu taajuuden vakautus- ja palautusreservien avulla. Vakautusreservit jakautuvat taajuusohjattuihin käyttö- ja häiriöreserveihin. Käyttöreservien avulla taajuus pyritään pitämään normaalialueella 49,9 Hz - 50,1 Hz ja häiriöreserveillä vähintään arvossa 49,5 Hz. Suomessa taajuushäiriöistä on selvitty reservien avulla. Työssä sähköajoneuvon latauksen voimajärjestelmävaikutuksia on tarkasteltu vakautusreservien näkökulmasta. Lisäksi on tarkasteltu standardien asettamia vaatimuksia sähköajoneuvon lataukselle ja erilaisia latausratkaisuja pistokelatauksen, virroitinlatauksen ja langattoman latauksen osalta. Myös sähköajoneuvojen latauskäyttäytymistä, latauksen saatavuutta, hinnoittelua, akkuja ja lataustehoja on tarkasteltu. Työtä varten käytettävissä on verkkoekvivalentti, joka kuvaa yleisellä tasolla Suomen, Ruotsin ja Norjan siirtoverkkojen rakennetta. Ekvivalentista on erotettu ja päivitetty Suomea edustava osa siten, että mallia on voitu hyödyntää taajuushäiriötarkasteluissa. Lisäksi tehonjako- ja oikosulkulaskennan tuloksien avulla on rakennettu keski- ja pienjännitejakeluverkkolähtöjä. Työssä sähköajoneuvojen latauksen yhteisvaikutus voimajärjestelmään on mallinnettu kolmivaiheisella suuritehoisella tasasuuntaajalla. Sähköajoneuvojen aggregoidun latauslaitemallin pätötehoa on ohjattu taajuusmittaukseen perustuen. Taajuusohjattavien latauslaitteiden yhteisvaikutusta on tarkasteltu konseptitasolla siten, että ladattavia sähköajoneuvoja on noin 200 000 500 000 kpl. Käytännössä näin suurta sähköajoneuvokantaa ei ole, vaan ohjauksen on voitu ajatella mallintavan myös muiden ohjattavien kuormien voimajärjestelmävaikutuksia reserveinä. Sähköajoneuvojen latauslaitteiden yhteistoimintaa voimajärjestelmän taajuusohjattavana reservinä on mallinnettu ja tuloksia on verrattu ohjaamattoman kuormituksen käyttötapauksiin. Aggregoidulla sähköajoneuvojen latauksen taajuusohjauksella on mahdollista vaikuttaa esimerkiksi generaattorivian jälkeiseen taajuusminimin arvoon ja sen saavuttamishetkeen pienentävästi.

iii ABSTRACT MIKA LÖTJÖNEN: Electric vehicle charging control as a power system frequency containment reserve Tampere University of Technology Master of Science Thesis, 85 pages October 2015 Master s Degree Programme in Electrical Engineering Major: Power electronics Examiner: Professor Pertti Järventausta Keywords: reserve, frequency, charging, electric vehicle, frequency containment, grid The amount of electric vehicles, electric vehicle charging systems and controllable loads has increased in recent years. More wind power capacity and other intermittent renewables (i.e solar power) is connected to the grid. Wind power and solar power do not directly participate in the frequency control of the power system. Moreover, there is no significant need to increase capacity of hydro power generation which participates at present in the frequency control in the grid. In this thesis power system reserves of Finland are reviewed. Power system reserves are divided to frequency containment and frequency restoration reserves. During normal operation frequency is kept between 49.9 50.1 Hz and under disturbances frequency is kept above 49.5 Hz via reserves. Currently the frequency is controlled during disturbances via load shedding and hydro power generation and other power reserves. In this thesis electric vehicle charging as frequency containment reserve is studied. Electric charging via plug-in, pantograph and wireless power transfer is studied and charging standards, customer charging behavior, availability of the charging capacity and the impacts of pricing are discussed. Lithium-ion batteries and the potential of vehicle-to-grid (V2G) operation are discussed. The power system model utilized in this thesis is based on the Nordic grid equivalent received from Fingrid Oyj, the transmission system operator of Finland. Models of distribution network models are built based on power flow and short circuit data received from Tampereen Sähkölaitos Oy, the distribution system operator of Tampere. In this thesis the aggregated electric vehicle charging is modelled as high power three phase converters. The impacts of frequency controlled charging as a power system reserve are studied via case studies. In the situation where the penetration level of electric vehicles is high the frequency minimum is increased and duration until frequency minimum is reduced in the power system when there is a generator disturbance. The aggregated model may be able to represent other controllable loads as well since currently such reserve capacity of electric vehicles does not exist. Based on the case studies electric vehicle charging has potential as a power system reserve. However power system reserves such as load shedding and hydro power generation should still be utilized since loads that are behind power electronics cannot replace the high inertia of hydro power machines totally.

iv ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Sähkötekniikan laitokselle osana echarge-työpakettia. Työpaketti on osa laajempaa sähköajoneuvoihin liittyvää Tekesin rahoittamaa sähköajoneuvoihin liittyvää ECV-projektia. Työ on tehty tammi- ja lokakuun välisenä aikana. Työssä on hyödynnetty Simulink- ja PSCAD-ohjelmistoja. Haluan kiittää professori Pertti Järventaustaa mielenkiintoisesta diplomityön aiheesta, työn ohjaamisesta, tarkastamisesta ja kommenteista työn aikana. Kiitokset Fingrid Oyj:lle siirtoverkkoekvivalentin toimittamisesta. Haluan kiittää Tampereen Sähkölaitos Oy:n Jussi Järvistä ja Petri Sihvoa jakeluverkkolähtöjen tehonjako- ja oikosulkulaskennan tuloksien toimittamisesta ja tuloksien kommentoinnista. Lopuksi haluan kiittää DI Antti Rautiaista ja Fingrid Oyj:n Tuomas Rauhalaa hyvistä kommenteista työn loppuvaiheilla. 23.9.2015. Tampere Mika Lötjönen

v SISÄLLYS Tiivistelmä... ii Abstract... iii Lyhenteet ja merkinnät... vii 1 Johdanto... 1 2 Sähköajoneuvot ja niiden lataus... 4 2.1 Sähköajoneuvojen latausjärjestelmien verkkoliityntä... 4 2.1.1 Sähkön laatu liityntäpisteessä... 4 2.1.2 Verkkoliitynnän vaatimukset... 5 2.2 Sähköajoneuvon latauksen perusrakenne... 10 2.2.1 Sähköajoneuvon rakenne ja toiminta... 10 2.2.2 Sähköbussien rakenne ja lataus... 11 2.2.3 Langaton lataus... 13 2.2.4 Sähköajoneuvojen akut ja energiavarastot... 15 2.2.5 Latauskäyttäytyminen ja lataustapahtumat... 19 3 Sähkövoimajärjestelmän taajuusohjattavat reservit... 24 3.1 Sähkövoimajärjestelmän stabiilisuus... 24 3.1.1 Tahtigeneraattorit... 25 3.1.2 Tuulivoima ja aurinkoenergia verkon reserveinä... 26 3.2 Taajuusohjattavat reservilajit... 28 3.2.1 Taajuusohjattavat reservit... 30 3.2.2 Taajuushäiriöt kantaverkossa... 30 4 Sähköajoneuvojen latauslaitteiden simulointimalli... 32 4.1 Sähköajoneuvon latauslaitteiden suuntaajat... 32 4.1.1 Kolmivaiheiset suuntaajat... 32 4.1.2 Vaihtosuuntaajan modulointimenetelmät ja säätö... 35 4.2 Sähköajoneuvon latauslaitteen mallintaminen... 36 4.2.1 Tilaesitys... 36 4.2.2 Koordinaatiston muunnos... 37 4.2.3 Kolmivaiheisen kaksitasoisen virtasyöttöisen vaihtosuuntaajan piensignaalimalli... 38 4.2.4 Vaihtosuuntaajamallin rakenne... 45 4.2.5 Suuntaajamallin toiminnan verifioiminen... 49 5 Verkkomallit ja latauksen taajuusohjauksen simulointimalli... 52 5.1 Verkkomallit... 52 5.1.1 Kantaverkko... 52 5.1.2 Keskijännitejakeluverkko... 54 5.1.3 Pienjännitejakeluverkko... 55 5.2 Sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjaus... 56 5.2.1 Taajuuden mittaus... 56

5.2.2 Sähköajoneuvon latauksen taajuusohjaus... 59 6 Taajuusohjattavan latausjärjestelmän simulointitulokset... 61 6.1 Taajuusohjattavat sähköajoneuvojen latauslaitteet vakautusreservinä... 61 6.1.1 Ohjaamaton kuormitus case 1... 62 6.1.2 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus case 2... 65 6.1.3 Ohjaamaton kuormitus case 3... 69 6.1.4 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus case 4... 70 6.1.5 Ohjaamaton kuormitus case 5... 71 6.1.6 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus case 6... 72 6.2 Tulosten arviointi... 73 7 Yhteenveto... 77 Lähteet... 78 vi

vii LYHENTEET JA MERKINNÄT LYHENTEET AC engl. alternating current, vaihtovirta BMS engl. battery management system, akunhallintajärjestelmä CAN engl. controller area network, automaatioväylästandardi CCS engl. combined charging standard, pistokelatauksen standardi DC engl. direct current, tasavirta DC/AC vaihtosuuntaaja DC/DC tasajännitemuuttaja DFIG engl. doubly fed induction generation, kaksoissyötetty induktiogenaattori DFT engl. discrete Fourier transform, diskreetti Fourier-muunnos DI diplomi-insinööri FACTS engl. flexible alternating current transmission system, tehoelektroniikkaan tai muuhun staattiseen laitteistoon perustuva järjestelmä FFT engl. fast Fourier transform, Fourier-muunnos FCR engl. frequency containment reserve, taajuuden vakautusreservi FRR engl. frequency restoration reserve, taajuuden palautusreservi HVDC engl. high voltage direct current, suurjännitteinen tasasähköyhteys IEC International Electrotechnical Commission, kansainvälinen standardointikomitea KJ keskijännite MSc engl. Master of Science, diplomi-insinööri NEDC engl. New European Drive Cycle, ajoneuvon ajosykli PF engl. power factor, tehokerroin PFC engl. power factor correction, loistehon minimointi tehokertoimen avulla PJ pienjännite PLL engl. phase locked loop, vaihelukittu silmukka PMSG engl. permanent magnet synchronous generator, kestomagnetoitu tahtigeneraattori PWM engl. pulse width modulation, pulssinleveysmodulaatio RR engl. replacement reserve, korvaava reservi SFS Suomen Standardisoimisliitto SFS ry SOC engl. state of charge, akun varaustila SRF-PLL engl. synchronous reference phase locked loop, synkronisen koordinaatiston vaihelukittu silmukka SPWM engl. sinusoidal pulse width modulation, sinimuotoinen PWM SVPWM engl. space vector pulse width modulation, tilavektorimodulointi THD engl. total harmonic distortion, kokonaisharmoninen särö TTY Tampereen teknillinen yliopisto U.S engl. United States of America, Yhdysvallat

viii US DOE V2G United States Department of Energy engl. vehicle-to-grid, tehon syöttö sähköajoneuvon akulta verkkoon päin MERKINNÄT vaihelukitun silmukan kulman ohjearvo virran ja jännitteen välinen vaihe-ero δ roottorin kulmaero suhteessa synkroniseen koordinaatistoon vaihelukitun silmukan kulmanmuutoksen arvo vaihelukitun silmukan kulmanmuutoksen ohjearvo verkon kulmataajuus vaihelukitun silmukan kulmanmuutoksen arvo _ _ systeemimatriisi sisäänmenomatriisi tilojen kerroinmatriisi, tasajännitelähteen rinnalla oleva kapasitanssi tasajännitelähteen rinnalla oleva kapasitanssi differentiaalioperaattori pulssisuhteen -komponentti pulssisuhteen -komponentti pulssisuhteen d-komponentti pulssisuhteen linearisoitu d-komponentti pulssisuhteen q-komponentti pulssisuhteen linearisoitu q-komponentti pulssisuhteen vaiheen a arvo pulssisuhteen vaiheen b arvo pulssisuhteen vaiheen c arvo sisäänmenojen kerroinmatriisi pulssisuhteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo pulssisuhteen q-komponentin jatkuvan tilan arvo pulssisuhteen nollakomponentin jatkuvan tilan arvo Neperin luku taajuus vaihelukitun silmukan suodatettu taajuusmittaus vaihtosuuntaajan verkkojännitteiden alipäästösuodattimen rajataajuus vaihtosuuntaajan virtamittausten alipäästösuodattimen rajataajuus taajuusohjauksen alempi minimiraja taajuudelle taajuusohjauksen ylempi minimiraja taajuudelle vaihtosuuntaajan PLL-säätimen siirtofunktion napa nimellistaajuus vaihtosuuntaajan PWM:n kytkentätaajuus

ix vaihtosuuntaajan virran d-komponentin säätimen siirtofunktion nolla vaihtosuuntaajan PLL-säätimen siirtofunktion nolla vaihtosuuntaajan virran q-komponentin säätimen siirtofunktion nolla vaihtosuuntaajan jännitesäätimen siirtofunktion nolla siirtofunktiomatriisi vaihtosuuntaajan virran d-komponentin säädin vaihtosuuntaajan virran q-komponentin säädin vaihtosuuntaajan tasajännitesäätimen siirtofunktio jännitteiden myötäkytkennän d-komponentin siirtofunktio jännitteiden myötäkytkennän q-komponentin siirtofunktio tahtigeneraattorin inertia virtasäätimen mittauksen d-komponentin vahvistus virtasäätimen mittauksen q-komponentin vahvistus vaihtosuuntaajan kondensaattorin virta vaihtosuuntaajan tasavirta vaihtosuuntaajan linearisoitu tasavirta vaihtosuuntaajan tasavirran keskiarvo kelavirtojen -komponentit tilavektorimuodossa kelavirtojen dq-komponentit tilavektorimuodossa vaihtosuuntaajan kelavirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan kelavirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan ulostulovirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan ulostulovirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan kelavirta vaiheessa a vaihtosuuntaajan kelavirran keskiarvo vaiheessa a vaihtosuuntaajan kelavirta vaiheessa b vaihtosuuntaajan kelavirran keskiarvo vaiheessa b vaihtosuuntaajan kelavirta vaiheessa c vaihtosuuntaajan kelavirran keskiarvo vaiheessa c vaihtosuuntaajan kelavirran linearisoitu d-komponentti vaihtosuuntaajan kelavirran linearisoitu q-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirta vaiheessa a vaihtosuuntaajan ulostulovirran keskiarvo vaiheessa a vaihtosuuntaajan ulostulovirta vaiheessa b vaihtosuuntaajan ulostulovirran keskiarvo vaiheessa b vaihtosuuntaajan ulostulovirta vaiheessa c vaihtosuuntaajan ulostulovirran keskiarvo vaiheessa d vaihtosuuntaajan ulostulovirran d-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirran linearisoitu d-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirran d-komponentin asetusarvo

x vaihtosuuntaajan ulostulovirran q-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirran linearisoitu q-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirran q-komponentin asetusarvo vaihtosuuntaajan kytkinkomponenttien virta vaihtosuuntaajan kytkinkomponenttien virran keskiarvo vaihtosuuntaajan kytkinkomponenttien linearisoitu virta yksikkömatriisi vaihtosuuntaajaan sisäänmenovirran jatkuvan tilan arvo virran perusaallon j monikerta kelavirran jatkuvan tilan d-komponentin arvo kelavirran jatkuvan tilan d-komponentin arvo verkkovirran jatkuvan tilan d-komponentin arvo verkkovirran jatkuvan tilan q-komponentin arvo virran perusaalto vaihtosuuntaajan virtasäätimen d-komponentin vahvistus vaihtosuuntaajan virtasäätimen q-komponentin vahvistus vaihtosuuntaajan PLL:n vahvistus vaihtosuuntaajan jännitesäätimen vahvistus vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaiheessa a vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaiheessa b vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaiheessa c tahtigeneraattorin sähköteho vaihtosuuntaajan verkosta ottama teho ilman suodatinta vaihtosuuntaajan verkosta ottama teho suodattimen kanssa taajuusohjatun sähköajoneuvon latauksen tehon asetusarvo taajuusohjatun sähköajoneuvon latauksen taajuusohjatun tehon maksimi taajuusohjatun sähköajoneuvon latauksen taajuusohjatun tehon minimi mekaaninen teho sähköajoneuvon latauksen taajuusohjauksen nimellisteho sähköajoneuvon latauksen taajuusohjauksen apumuuttuja vaihtosuuntaajan ekvivalenttinen resistanssi vaihtosuuntaajan kelan resistanssi vaihtosuuntaajan kytkinkomponentin johtavan tilan resistanssi Laplace-muuttuja aika reservien toiminta-aika Clarken muunnos tilaesityksen sisäänmenovektori aikatasossa vaihtosuuntaajan vaihejännite a

xi vaihtosuuntaajan vaihejännitteen a keskiarvo vaihtosuuntaajan vaihejännite b vaihtosuuntaajan vaihejännitteen b keskiarvo vaihtosuuntaajan kondensaattorin tasajännite vaihtosuuntaajan kondensaattorin tasajännitteen keskiarvo vaihtosuuntaajan tasajännitepuolen kondensaattorin linearisoitu jännite vaihtosuuntaajan vaihejännite b vaihtosuuntaajan vaihejännitteen c keskiarvo vaihtosuuntaajan tasajännite vaihtosuuntaajan linearisoitu tasajännite vaihtosuuntaajan jännite napojen n ja N välillä vaihtosuuntaajan jännitteen keskiarvo napojen n ja N välillä vaihtosuuntaajan ulostulojännitteen -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan ulostulojännitteen -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan verkkojännitteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo vaihtosuuntaajan verkkojännitteen linearisoitu d-komponentti vaihtosuuntaajan verkkojännitteen q-komponentin jatkuvan tilan arvo vaihtosuuntaajan verkkojännitteen linearisoitu q-komponentti tilaesityksen sisäänmenojen Laplace-esitys vaihtosuuntaajan tasajännitteen jatkuvan tilan arvo verkkojännitteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo verkkojännitteen q-komponentin jatkuvan tilan arvo verkkojännitteen q-komponentin jatkuvan tilan ohjearvo synkronisen koordinaatiston pyörimisnopeus tilaesityksen tilamuuttujavektori suureen stationäärisen koordinaatiston -komponentti suureen stationäärisen koordinaatiston -komponentti suureen vaihesuure a suureen vaihesuure b suureen vaihesuure c suureen synkronisen koordinaatiston d-komponentti suureen synkronisen koordinaatiston q-komponentti suureen stationäärisen koordinaatiston -komponentit tilavektorimuodossa suureen synkronisen koordinaatiston dq-komponentit tilavektorimuodossa suureen nollakomponentti tilamuuttujien Laplace-esitys ALAINDEKSIT harmonisen komponentin monikerta

1 1 JOHDANTO Suomen sähköajoneuvokanta on hyvin pieni verrattuna polttoainekäyttöisiin diesel- ja bensiiniajoneuvoihin. Sähköajoneuvojen määrä on ollut kuitenkin kasvussa viime vuosina. Sähköajoneuvoilla ei toistaiseksi ole koko maan kattavaa julkista latausinfrastruktuuria. Sähköajoneuvojen latauslaitteiden ja paikkojen vaatimuksia ei ole myöskään tarkkaan määritelty. Sähköajoneuvojen penetraatioasteella tarkoitetaan sähköajoneuvojen määrää suhteessa kaikkien ajoneuvojen määrään. Sähköajoneuvojen penetraatioasteen kasvaminen aiheuttaa lisäkuormaa sähköverkolle. Jos sähköajoneuvojen määrä tulevaisuudessa kasvaa merkittävästi niillä voidaan ajatella olevan vaikutusta sähkönjakeluverkkoon tai laajemmin kantaverkkoon. Huippukuormitukset todennäköisesti kasvavat henkilöajoneuvojen lataustapahtumien johdosta. Penetraatioasteen ollessa pieni myös verkkovaikutukset ovat pieniä. Suuren penetraatioasteen tapauksessa verkkoa joudutaan vahvistamaan. Sähköajoneuvojen latauslaitteet ottavat verkosta tehoa, jolla ladataan sähköajoneuvojen akkuja. Teoriassa sähköajoneuvojen akkuja voidaan hyödyntää energiavarastona, mikäli latauslaite mahdollistaa kaksisuuntaisen tehonsyötön. Kaksisuuntaisella tehonsyötöllä tarkoitetaan sitä, että tehoa voidaan siirtää myös verkkoon päin. Lataustavalla ja sen ajoituksella on merkitystä kuormituksen hallinnan kannalta. Ohjaamattomassa latauksessa sähköajoneuvon akkuja ladataan silloin, kun ne ovat kytkettyinä verkkoon. Hinnoittelun avulla, sähköajoneuvojen lataus voidaan ohjata huippukuormitusten ulkopuolelle. Siirto ja jakeluverkon kannalta kuormanhallinta on oleellista. Kuormituksen ja tuotannon halutaan pysyvän tasapainossa. Muuntajien huippukuormituksia voidaan hallita, mikäli sähköajoneuvojen lataustapahtumahetkeä voidaan hallita. Sähköajoneuvot eivät ole ainoa kuorma verkossa, joten niiden rinnalla huippukuormituksiin voidaan vaikuttaa ohjaamalla muuta kuormitusta, kuten lämmitys ja ilmastointilaitteita. Laajemmin ajateltuna sähköajoneuvojen latausta olisi mahdollista hyödyntää vakautusreservinä, mikäli sähköajoneuvoja on merkittävän paljon. Aikaisemmassa tutkimuksessa (Rautiainen et al. 2009) on tarkasteltu lämmityksen hyödyntämistä verkon taajuuden käyttöreservinä ja häiriöreservinä. Tutkimuksessa on tarkasteltu lämmittävän tehon ohjausta verkon taajuuden suhteen. Lämmitysteho ei riipu nykyään ohjaamattomana verkon taajuudesta, eikä lämmityslaitteita ole käytetty Suomessa taajuuden hallintaan. Perinteisesti lämmityslaitetta ohjataan siten että se kytketään päälle kun lämpötila laskee riittävän alas ja pois päältä kun lämpötila nousee tarpeeksi suureksi. Tutkimuksessa mainitaan että lämmityslaitteilla on kuitenkin poten-

tiaalia häiriöreservinä. Lämmityslaitteiden ohjausta tarkasteltiin siten, että lämmityslaite on joko päällä tai pois päältä. Tutkimuksessa lämmityslaitteita hyödynnettiin voimajärjestelmän häiriöreservinä. Lämpötilan asetusarvo määräytyi voimajärjestelmän taajuuden funktiona. Lämmityslaitteiden saatavuuden voimajärjestelmän reservinä mainittiin olevan voimakkaasti riippuvainen ulkoilman lämpötilasta. Lämpötilan ollessa tarpeeksi korkea, lämmityslaitteet eivät ole päällä. Toisessa tutkimuksessa (Härkönen 2011) tutkittiin sähköajoneuvon pikalatausta teknis-taloudellisesta näkökulmasta. Tutkimuksessa huomattiin että sähköajoneuvojen latauslaitteet poikkeavat paljon toisistaan verkkoon syötettyjen yliaaltojen perusteella. Verkkojännitteiden huomattiin olevan suhteellisen sinimäisiä, mutta virrat vastaavasti poikkesivat merkittävästi sinimuotoisista virroista. Tämän työn tavoitteena on selvittää sähköajoneuvon latauksen ohjauksen vaikutuksia sähkövoimajärjestelmään järjestelmän vakautusreservinä. Sähköajoneuvojen voimajärjestelmävaikutuksia ei ole juuri tutkittu, koska sähköajoneuvoja on toistaiseksi vähän. Ohjattavan kuormituksen ja tehoelektroniikan määrä jakeluverkoissa kuitenkin kasvaa. Aluksi työssä tarkastellaan sähköajoneuvon verkkoliitynnän vaatimuksia ja olemassa olevia latausstandardeja. Latausratkaisujen standardit ovat oleellisia sähköajoneuvojen yleistymisen kannalta. Sähköajoneuvoja ja niiden latauslaitteiden perusrakenteita tarkastellaan. Latausrakenteista käsitellään pistokelatausta, virroitinlatausta ja langatonta latausta. Pistokelataus on näistä lataustavoista yleisin. Toisaalta sähköajoneuvon lataustapahtumasta voidaan haluta mahdollisimman lyhyt, jolloin tarvitaan virroitinlatausta tai langatonta latausta. Virroitinlatauksella lataustapahtumat ovat lyhyempiä, koska siirtyvät tehot ovat suurempia. Langaton lataus on kehittynyt viime vuosina kilpailukykyisemmäksi johtumalla tapahtuvan latauksen kanssa. Latauskäyttäytymistä ja lataustapahtumia käsitellään. Lisäksi akkujen latausta käsitellään, koska se vaikuttaa jakeluverkoista otettuihin tehoihin. Akkujen hyödyntämistä energiavarastoina tarkastellaan tutkimusten avulla. Kolmannessa kappaleessa voimajärjestelmän dynamiikkaa taajuusvaihteluiden ja taajuushäiriöiden osalta tutkittavan voimajärjestelmän käyttäytymisen hahmottamiseksi. Uusiutuvien energialähteiden kapasiteettien oletetaan kasvavan merkittävästi tulevaisuudessa, joten lisäksi esitellään tuulivoiman ja aurinkosähkön vaikutuksia voimajärjestelmän dynamiikkaan. Taajuuden säädöstä vastaa Suomessa kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj. Taajuuden säätö tarkoittaa tehotasapainon ylläpitoa tuotannon ja kuormituksen välillä. Taajuudensäätöön osallistuvat vakautus ja palautusreservit käydään läpi. Palautusreservit ovat kiinnostavia, koska niiden avulla voimajärjestelmä saatetaan takaisin normaalitilaan. Voimajärjestelmien häiriötä esitellään lyhyesti. Häiriötilanteiden vasteet antavat suuntaviivoja sille, millaisia haasteita ne asettavat verkon reserveille ja niiden toteutukselle. Neljännessä kappaleessa esitellään suuntaajien topologioita ja luodaan topologioiden avulla simulointimalli ohjattavalle aggregoidulle latauslaitemallille. Aggregoidulla sähköajoneuvon latauslaitemallilla tarkoitetaan usean samanaikaisen sähköajoneuvon 2

latauksen yhteisvaikutusta. Simulointimallia varten hyödynnetään kolmivaiheista vaihtosuuntaajaa. Erilaisia kolmivaiheisia suuntaajia vertaillaan ja perustellaan malliksi valittu ratkaisu simulointituloksien avulla. Viidennessä kappaleessa käydään läpi simulointien verkkomallit, taajuusmittaus ja taajuusohjauksen malli. Kappaleessa esitellään tehonjako- ja oikosulkulaskennan pohjalta rakennetut pien- ja keskijännitelähdöt. Lisäksi esitellään työssä käytetty siirtoverkkoekvivalentti. Taajuusmittausmenetelmiä vertaillaan ja valitaan sopiva sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjausta varten. Sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjausmenetelmä esitellään. Kuudennessa kappaleessa verrataan simulointien avulla sähköajoneuvon latauksen ohjausta voimajärjestelmän häiriöreserviä tilanteeseen, jossa kuormien verkosta ottamaa tehoa ei ohjata. Vertailun avulla voidaan selvittää latauksen ohjauksen vaikutuksia voimajärjestelmään. Voimajärjestelmän taajuuden muutosnopeuksia, jännitteitä, ja pätötehojen muutoksia vertaillaan tilanteiden kesken. Vikapaikan vaikutusta suhteessa sijaitsevaan reserviin tarkastellaan. Lisäksi inertiaa muuttamalla saadaan järjestelmän taajuusmuutosnopeudet vikojen seurauksena vastaamaan todellisia. Kappaleessa verifioidaan jakeluverkkolähtöjen oikea toiminta jännite- ja taajuussimulointien avulla. Lisäksi arvioidaan simulointitulosten todenmukaisuutta. Seitsemännessä kappaleessa on yhteenveto työstä, simulointitulosten johtopäätökset ja niiden merkitykset reservien ja ohjattavan kuormituksen kannalta. 3

4 4 2 SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUS Tässä kappaleessa käsitellään sähköajoneuvojen latausta ja latauksen verkkovaikutuksia. Erilaisia latausratkaisuja käsitellään verkon näkökulmasta. Lisäksi esitellään muutama latauskäyttäytymiseen liittyvä tutkimus ja luodaan arvio sähköajoneuvon latauksen vaikutuksista verkon voimajärjestelmän näkökulmasta. Sähköajoneuvon akut ja niiden käyttö energiavarastoina esitellään voimajärjestelmän näkökulmasta. 2.1 Sähköajoneuvojen latausjärjestelmien verkkoliityntä 2.1.1 Sähkön laatu liityntäpisteessä Tehoelektroniikkaa sisältävät laitteet ovat epälineaarisia kuormia. Epälineaarisen kuorman virrat ja jännitteet eivät ole sinimäisiä vaan sisältävät yliaaltoja. Yliaallolla tarkoitetaan sinimäistä komponenttia, jonka taajuus on perusaallon taajuuden monikerta. Täysin lineaarisessa järjestelmässä jännitteet ja virrat ovat sinimäisiä. Epälineaarisen järjestelmän virrat ja jännitteet voidaan kuitenkin kuvata Fourier-muunnoksen avulla sinimuotoisten aaltojen summana. Yliaaltojen suhteellista amplitudia perusaaltoon nähden kuvataan kokonaisharmonisen särön (THD, total harmonic distortion) avulla. Kokonaisharmoninen särö tarkoittaa kaikkien yliaaltojen neliöllisen summan suhdetta perusaaltoon nähden. Perusaallon tehokertoimen ollessa lähellä arvoa yksi harmonisen särön ja tehokertoimen välillä on kaavojen 1.1 ja 1.2 välinen yhteys. =, (1.1) missä j on perusaallon monikerta, on perusaallon monikerran amplitudi ja on perusaallon amplitudi. ( ) = =, (1.2) missä PF on tehokerroin. Yhtälöistä (1.1) ja (1.2) voidaan huomata tehokertoimen riippuvuus kokonaissärökertoimesta. Tehokerroin on yksi silloin, kun kokonaissärö on nolla. Virta ja jännite ovat tässä tilanteessa samassa vaiheessa ja sisältävät vain perustaajuisen sinimuotoisen komponentin. Jakeluverkkoasiakkaan verkkoliitynnän yliaaltovirroille ei ole eurooppalaisissa standardeissa määritelty velvoittavia rajoja. Jännitteen yliaalloille sen sijaan on määritelty rajat standardissa (SFS-EN 50160). Standardin mukaan suurin sallittu jakelujännit-

5 teen THD on 8 %. Standardin mukaan käytännöksi on muodostunut yliaaltojen laskeminen 40:en yliaaltokomponenttiin asti. Lisäksi standardissa määritellään muun muassa rajat välkynnän häiritsevyysindeksille sekä jakelujännitteen epäsymmetrialle. Välkynnällä tarkoitetaan valolähteen luminanssin tai spektrin ajallisen vaihtelun aiheuttamaa näköaistimuksen vaihtelua. Jännitteen muutokset voidaan havaita valojen kirkkauden muutoksena, jota kutsutaan välkynnäksi. Yksi esimerkki välkyntää aiheuttavista laitteista on yksitehoiset hitsauslaitteet. Näiden laitteiden verkosta ottama teho kohdistuu yhdelle vaiheelle aiheuttaen epäsymmetriaa verkon jännitteisiin ja virtoihin. Vastaavasti suuritehoiset yksivaiheiset latauslaitteet aiheuttavat epäsymmetriaa. Standardi (SFS-EN 50160) määrittää jännitteen epäsymmetrian raja-arvoksi 3 % nimellisarvosta. Epäsymmetriaa voidaan vähentää jakamalla kuormitus kaikille kolmelle vaiheelle tasaisesti. Suuritehoisten latauslaitteiden verkkoon liittyminen on käytännössä toteutettu kolmivaiheisesti. Yliaaltoja voidaan kompensoida tai suodattaa. Verkkoon liitettävän laitteen ja verkon väliin voidaan liittää passiivinen tai aktiivinen kompensointilaite. Verkon kannalta kompensointilaitteen tehtävä on vaimentaa jännitteen ja virran yliaaltoja siten että liittymisen raja-arvot täyttyvät liityntäpisteessä. Passiivinen kompensointi sisältää vain passiivisia komponentteja, mutta aktiivinen tehokertoimen korjauspiiri sisältää passiivikomponenttien lisäksi aktiivisia komponentteja. Kompensointilaitteet suunnitellaan järjestelmäkohtaisesti. Yksinkertaisimmillaan kompensointi voi koostua verkon ja laitteen väliin kytkettävästä passiivisesta alipäästösuodattimesta. Toisaalta mikäli järjestelmän sisäänmenovirta on säröytynyt voimakkaasti, voidaan tarvita aktiivista kompensointia. Aktiivinen kompensointi on tavallinen esimerkiksi tasavirtalähteissä. Aktiivisen kompensoinnin etuna ovat magneettisten materiaalien kustannusten kasvu ja puolijohteiden alenevat kustannukset. Käytännössä tämä voi tehdä aktiivisesta tehokertoimen korjauksesta taloudellisesti kannattavaa. Lisäksi puolijohteiden alenevat kustannukset mahdollistavat aktiivisten kompensaatiolaitteiden jatkuvan kehityksen. Aktiivisen kompensoinnin haittapuolena on sen monimutkaisuus. Vastaavasti passiivisen kompensoinnin etuna on sen yksinkertaisuus. Haittapuolena voi olla kalliit kustannukset. Suurikokoisen kelan kustannukset voivat olla merkittäviä koko järjestelmän kannalta ja vaikuttaa samalla taloudelliseen kannattavuuteen. (ON Semiconductor 2014, s. 11-13) Verkkoon liitettävä laite ei saa heikentää merkittävästi sähkön laatua. Muita vaatimuksia verkkoon liittymiselle asettaa tarvittavan muuntajan nimellisteho, kuormituksen tai tuotannon suuruus, verkon vahvistamistarve, etäisyydet lähimmälle sähköasemalle sekä suojaus. 2.1.2 Verkkoliitynnän vaatimukset Sähköajoneuvon latauksen verkkoliitynnän vaatimukset jakautuvat usean eri standardin alle. Sähköajoneuvon johdollisen latausjärjestelmän vaatimukset on määritelty standardin IEC 61851 alla olevissa standardeissa. Standardin (IEC 61851 2010) ensimmäisessä

osassa määritellään johtumalla tapahtuvan latauksen yleiset vaatimukset. Yleisten vaatimusten perusteella standardi koskee erillisiä ja ajoneuvoon sisäänrakennettuja latauslaitteita, joiden verkkoliityntä on vaihtojännitteellä 1,0 kv asti ja tasajännitteellä 1,5 kv asti. Standardissa käsitellään latauksen ominaispiirteitä, toimintaehtoja, sähköturvallisuutta ja syöttävän järjestelmän liityntää sähköajoneuvoon. Standardissa on eritelty vaatimukset pistokkeesta riippuen. Standardi (IEC 61851 21:2001) täydentää ensimmäisen osan yleisiä vaatimuksia ja sen avulla määritellään sähköajoneuvon liitynnän vaatimukset AC tai DC järjestelmään. Standardi koskee vaihtojännitteitä 690 V asti ja tasajännitteitä 1,0 kv asti, kun sähköajoneuvo on liitettynä syöttävään verkkoon. Tasajännitesyöttöisen latausaseman vaatimuksia täsmennetään standardissa (IEC 61851 23:2014) ja vaihtojännitesyöttöisen latausaseman vaatimuksia standardissa (IEC 61851 22:2001). Standardissa (IEC 61851 24:2014) käsitellään latausjärjestelmän kommunikaatiojärjestelmien vaatimuksia. Standardin (IEC 61851) määrittämät lataustavat voidaan jakaa neljään eri luokkaan. Ensimmäinen lataustapa (mode 1) soveltuu pienitehoisille ajoneuvoille kuten sähköpolkupyörille tai skoottereille. Lataus tapahtuu tavallisesta kotitalouspistorasiasta. Lataustapaa ei ole sallittu kaikissa maissa. Ajoneuvo liitetään yksi tai kolmivaiheiseen verkkoon. Suomessa tämä tarkoittaa käytännössä yksivaiheista schuko-pistorasiaa. Kuvassa 2.1 on standardin (IEC 61851) täyttävän pienitehoisen sähköajoneuvon latauslaitteen rakenne. Kuvassa 1.5 pistorasia on suojattu johdonsuojakatkaisijalla, ylijännitesuojalla ja vikavirtasuojakytkimellä. Käytännössä vanhoissa asennuksissa ei välttämättä ole kaikkia näitä suojauksia, vaan esimerkiksi pelkästään sulake tai johdonsuojakatkaisija. Toinen saman standardin määrittelemä lataustapa (mode 2) poikkeaa edellisestä latausjohdon osalta. Lataustavan (mode 2) latausjohto sisältää vikavirtasuojakytkimen ja virran suuruutta ohjaavaa toiminnallisuutta. Lataustavan (mode 2) latauspistoke määritellään standardissa (SFS 61961). Lataus tapahtuu joko yksi tai kolmivaiheisesti. Lataustavassa hyödynnetään yleensä tavallista 230V maadoitettua kotitalouspistorasiaa. Pitkäaikaisessa latauksessa latausvirta tulee rajoittaa riittävän pieneksi. Kuvassa 2.2 on standardin (IEC 61851) täyttävän pienitehoisen sähköajoneuvon (mode 2)- latauslaitteen rakenne. Kolmannen lataustavan (mode 3) latausjärjestelmä sisältää tunnistus ja valvontajärjestelmän. Lisäksi järjestelmä on irrotettavissa verkosta erillisen suojakytkimen avulla. Tunnistus ja valvontajärjestelmän tehtävä on varmistaa, että latausjohto on kytketty oikein ja turvallisesti paikoillaan pistorasiassa. Mode 3- tyyppinen lataus soveltuu keskisuurille 10-40 kw tehoille. Kuvassa 2.3 on mode 3 -latauksen rakenne. Neljäs lataustapa on pikalataus hyödyntäen tasajännitettä. Pikalatauksessa tai teholatauksessa (mode 4) sähköajoneuvon akkua ladataan tasajännitteellä sähköajoneuvon ulkopuolella olevalla latausasemalla. Latausteho voi vaihdella välillä 22 50 kw (SESKO 2015). Kuvassa 2.4 on pikalatauksen rakenne. Sähköajoneuvon langattoman latausjärjestelmän yleiset vaatimukset on määritelty standardissa (IEC 61980 1:2015). Standardi koskee latauslaitteita, joiden verkkoliityntä on vaihtojännitteellä 1,0 kv asti ja tasajännitteellä 1,5 kv asti. Langattoman lata- 6

7 uksen standardi on vielä työvaiheessa eikä kaupallisia ratkaisuja ole vielä olemassa. Useita langattomaan lataukseen liittyviä pilottihankkeita on käynnissä. Kuva 2.1. Standardin (IEC 61851) täyttävä kevyen sähköajoneuvon lataustapa (mode 1). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a) Kuva 2.2. Standardin (IEC 61851) täyttävä sähköajoneuvon hidas lataus (mode 2). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a) Kuva 2.3. Sähköajoneuvon peruslataus (mode 3). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a) Kuva 2.4. Sähköajoneuvon pikalataus (mode 4). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a)

8 Pistokeladattavien sähköautojen pikalatausasemien liityntästandardit voidaan jakaa CCS:n (Combined Charging Standard, Combo), CHAdeMO:n ja Tesla:n pikalatausasemiin. Koska yhtä yhtenäistä standardia ei ole, latausstandardit kilpailevat käytännössä keskenään. CHAdeMO standardi kehitettiin Japanissa vuonna 2008, Mitsubishin i-miev sähköajoneuvoa ja muita sähköajoneuvoja varten (Chademo 2015). Nissan Leaf hyödyntää myös vastaavasti CHAdeMO standardia. CHAdeMO standardin tietoliikenne tapahtuu CAN-väylän avulla. Latauskaapeli on lukittuna mekaanisesti sähköajoneuvon pistorasiaan latauksen ajan. Tehonsäätöjärjestelmä saa syöttönsä latauslaitteensa, joten latausjohto on jännitteetön kunnes molemmat päät latauskaapelista on kiinnitettynä. Virtapiirin eristys ja latauslaitteen ja sähköajoneuvon pistokkeen välinen oikosulku testataan ennen jokaista lataustapahtumaa. Syöttävä verkko ja akkujärjestelmä ovat erotettuna toisistaan suojaerotusmuuntajan avulla. Sähköajoneuvo ja latauslaite valvovat vikatilanteiden varalta latauksen ajan. Sähköiskuilta suojaudutaan vuotovirtaa mittaavan laitteen avulla. Tietoliikenne on rakennettu redundanttiseksi lisäämällä toinen tietoliikennejohto ajoneuvosta latauslaitteelle. Jos maadoitusjohto tai toinen (Pilot) tietoliikennejohto katkeaa, samalla katkeaa myös sähkönsyöttö, valokaarien välttämiseksi. (Chademo 2015) CCS on Yhdysvalloissa toimivan SAE Internationalin kehittämä pikalatausstandardi. Standardi hyväksyttiin vuonna 2012 ja vuonna 2013 julkaistiin ensimmäinen standardia hyödyntävä ajoneuvo Chevy Spark EV. Muita standardia hyödyntäviä ajoneuvoja on esimerkiksi BMW i3. Tesla Motorsin pikalatausta hyödyntävät kirjoitushetkellä vain Tesla Motorsin omat ajoneuvot. Teslan pikalatauslaiteverkosto on kansainvälinen ja latausasemia on useilla eri mantereilla (Tesla 2015a). Osa latausasemien valmistajista tarjoaa saman latausaseman yhteydessä useita eri lataustapoja. Latausstandardeissa on hyvät ja huonot puolensa. Kaikki sähköajoneuvot eivät siis hyödynnä samaa latausstandardia. Taulukkoon 2.1 on koottu muutamien eri valmistajien pikalatausasemien teknisiä tietoja. Taulukko 2.1. Sähköajoneuvon latausaseman teknisiä tietoja. Latausasema Teho (kw) Jännite AC (V) Latausvirta (A) Jännite DC (V) Standardi ABB Terra 53CJ (ABB 2015) 50-125 50-500 CCS / CHAdeMO ABB Terra 53G (ABB 2015) 43 400 63 - Type 2- kaapeli ABB Terra 53T (ABB 2015) 22 400 32 - Type 2- rasia DBT CEV QC AC-DC 44-125 200-500 CHAdeMO (DBT 2015) DBT CEV QC AC-DC 43 400 63 - Type 2- kaapeli (DBT 2015) Schneider Electric Mode 3 43 400 63 - Type 2- kaapeli (Schneider Electric 2015) Schneider Electric Mode 4 50-120 500 CHAdeMO (Schneider Electric 2015) Tesla Supercharger (Tesla 2015a) 120-240* 400-500* Tesla

9 Latausteho määräytyy heikoimman komponentin mukaan. Mikäli sähköajoneuvon akun maksimiteho on pienempi kuin latauslaitteen, akunhallintajärjestelmä rajoittaa lataustehoa. Sähköautojen valmistajat hyödyntävät pistokkeen suhteen eri standardeja. Useat eri autonvalmistajat ovat tuoneet sähköautoja markkinoille. Taulukkoon 2.2 on koottu sähköajoneuvojen teknisiä tietoja. Taulukko 2.2. Kuluttajakäyttöön tarkoitettujen sähköajoneuvojen teknisiä tietoja. Sähköajoneuvo Akkukapasiteetti (kwh) Moottori (kw) Lataustapa (mode) 2 3 4 BMW i3 (BMW 2014) 18,8 125 x x SAE CCS Mitsubishi i-miev (Mitsubishi 2010) 16 49 x x CHAdeMO Nissan Leaf 2013 (Nissan 2013) 24 80 x CHAdeMO Renault Zoe (Renault 2014) 22 65 x CHAdeMO Tesla Model S 70D (Tesla 2015b) 70 310 x x Tesla Supercharger Volkswagen e-golf (Volkswagen 2015a) 24 85 x x SAE CCS Taulukon 2.2 sähköajoneuvoista kaikki mahdollistavat pikalatauksen ja perinteisen hitaan kotilatauksen. Teslan ajoneuvoa lukuun ottamatta muut taulukon autot edustavat pienen ja pienen kokoluokan autoja. Sähköajoneuvon latauslaite voi olla erillinen tai integroituna ajoneuvoon. Sähköajoneuvoon sisäänrakennetun latauslaitteen etuna on latauspaikkojen saatavuus. Käytännössä suurin osa pistokeladattavista sähköajoneuvoista voidaan ladata mistä tahansa kotitalouspistorasiasta. Kuvassa 2.5 on sisäänrakennetun (on-board) latauslaitteen perusrakenne sähköautossa. Kuva 2.5. On-board tyyppisen yksivaiheisen latausjärjestelmän perusrakenne. Ajoneuvon verkkoliityntäkohta on mallinnettu pisteellä. Pelkän erillisen latauslaitteen etuna se, että ajoneuvossa tarvittavan tehoelektroniikan määrä yleensä vähenee ja rakenne yksinkertaistuu. Erillinen latauslaite vaatii kuitenkin asennuksen jakeluverkkoon ja latauslaitteen soveltuvuudesta verkkoon on varmistuttava. Toisaalta suuritehoisten latauslaitteiden kokoluokat ja massat aiheuttavat sen, että niitä ei ole kannattavaa tai välttämättä edes mahdollista sijoittaa ajoneuvoon. Haittapuolena erillisessä latauslaitteessa on myös sen aiheuttamat lisäkustannukset ja latauslaitteen asennus. Erillinen latauslaite mahdollistaa jännitteen sovittamisen suoraan akulle. Kuvassa 2.6 on kolmivaiheisen erillisen (off-board) latauslaitteen yleinen malli.

10 Kuva 2.6. Off-board tyyppisen latausjärjestelmän perusrakenne. Ajoneuvon verkkoliityntäkohta on mallinnettu pisteillä. Sähköajoneuvon tyyppi ja käyttötarkoitus määrittelevät millainen latausratkaisu on taloudellisesti kannattavin. Suuremmissa ajoneuvoissa valintakriteerinä voi olla esimerkiksi ajoneuvon keveys, jolloin erillinen latauslaite tarjoaa tämän vaihtoehdon. 2.2 Sähköajoneuvon latauksen perusrakenne Sähköajoneuvolla tarkoitetaan sähkömoottoria liikkumiseen hyödyntävää ajoneuvoa. Sähkömoottori muuttaa sähköisen tehon mekaaniseksi tehoksi. Sähköajoneuvon moottori on tavallisesti oikosulkumoottori tai kestomagnetoitu tahtimoottori. Sähköajoneuvoksi luokitellaan myös sähkömoottorilliset hybridiajoneuvot, jotka sisältävät sähkömoottorin lisäksi esimerkiksi polttomoottorin. Energiavarastonaan sähköajoneuvo hyödyntää yleensä litium-ioni akkua. 2.2.1 Sähköajoneuvon rakenne ja toiminta Yksinkertaisen täyssähköauton tai täyssähköbussin sisäinen sähköjärjestelmä koostuu yleensä sähkömoottorista, vaihteistosta, pääakusta, lyijyakusta, vaihtosuuntaajasta, tasajännitemuuttajasta, auton valoista ja auton muusta elektroniikasta. Pääakku toimii energiavarastona moottorille ja muille järjestelmille. Energiavarasto voi teoriassa olla mikä tahansa sähköenergiaa varastoiva komponentti. Käytännössä sähköajoneuvot hyödyntävät litium-ioniakkuja, niiden hyvän energiatiheyden vuoksi. Pääakun ja sähkömoottorin välinen vaihtosuuntaaja tuottaa sinimuotoisen jännitteen ja virran vaihtosähkömoottorille. Pääakkua ladataan ajoneuvossa olevan tai erillisen latauslaitteen avulla. Pääakun valvonnasta vastaa akunhallintajärjestelmä (Battery management system, BMS). Lyijyakun tehtävä on toimia sähköenergiavarastona valoille ja muulle elektroniikalle. Lyijyakun tehonsyöttö saadaan pääakulta tasajännitemuuttajan kautta. Kaikki osajärjestelmät vaativat omat suojaukset ja omat säätöjärjestelmänsä. Latauslaitteen sisältävän yksinkertaisen sähköajoneuvon yleinen rakenne on kuvassa 2.7. Kuvan 2.7 ajoneuvoa voidaan ladata sekä vaihto että tasajännitteellä.

11 Kuva 2.7. Yksinkertaisen kaupallisen pistokeladattavan täyssähköauton sähköjärjestelmän rakenne. Kuvassa AC-latauksella tarkoitetaan hidasta, teholtaan pientä latausta vaihtovirralla. DC-latauksella tarkoitetaan suuritehoista, niin sanottua pikalatausta tasajännitteellä. Ajoneuvo sisältää tasasuuntaajan pienjännitejakeluverkkoliityntää varten. 2.2.2 Sähköbussien rakenne ja lataus Sähköbusseja voidaan valmistaa eri käyttötarkoituksiin ja bussit voidaan jakaa suurempiin sekä pienempiin bussin matkustajapaikkojen määrän perusteella. Hybridibussit ovat kirjoitushetkellä täyssähköbusseja yleisempiä. Energiankulutuksen kannalta on edullista että bussin rakenne on mahdollisimman kevyt. Ajoneuvon liikuttamiseen tarvitaan sitä enemmän energiaa mitä suurempi on ajoneuvon massa ja nopeus. Lisäksi kiihdytykset ja jarrutukset kuluttavat energiaa. Sähköbussin massaan vaikuttavat matkustajapaikkojen määrä, moottori, ajoneuvon koko, tehoelektroniikka, latauslaite, akku ja muu rakenne. Akun kapasiteetin kasvaessa myös ajoneuvon massa ja kustannukset kasvavat. Mikäli ajoneuvon akkua ladataan riittävän usein, voidaan akun kapasiteetti pitää pienenä. Lisäksi ajoneuvon kustannuksiin ja massaan voidaan vaikuttaa jättämällä erillinen latauslaite pois bussista. Mikäli tarvetta usealle eri lataustavalle ei ole, voidaan erillistä bussin sisältämää latauslaitetta pitää tarpeettomana. Tarve erilaisille latausratkaisuille vaikuttaa sähköbussin rakenteeseen. Varikkolatauksessa sähköbusseja ladataan yön yli varikolla. Varikkolatauksessa lataustehon ei tarvitse olla kovin suuri, joten lataus voi tapahtua pistokkeesta. Päätepysäkkilatauksessa bussia ladataan päätepysäkeillä. Päätepysäkkilatauksessa lataustehon tulee olla riittävän suuri, koska pysähtymisaika on rajallinen. Matkan varrella tapahtuvassa pysäkkilatauksessa lataustehon tulee vastaavasti olla huomattavan suuri tai latauspysäkkejä on oltava riittävän paljon, jotta akkuja voidaan ladata tarpeeksi. Pidempiin matkoihin tarvitaan yleensä kapasiteetiltaan suurempi akku tai mahdollisesti polttomoottori, mikäli lataustapahtumien määrä ja kesto halutaan pitää kohtuullisena. Maantieajoon tarkoitetussa sähköbussissa liikennöintinopeus ja massa ovat kevyttä paikallisliikennebussia suuremmat, joten myös ajoneuvon energiankulutus kasvaa. Kuvassa 2.8 on täyssähköbussin rakenne, kun latausjärjestelmänä on sekä pistokelataus tasajännitteellä että lataus virroittimen avulla.

12 Kuva 2.8. Yksinkertaisen pistoke- ja virroitinladattavan täyssähköbussin sähköjärjestelmän rakenne sisäänrakennetulla latauslaitteella. Kuvan 2.8 rakenteessa on paljon samankaltaisuuksia kuvan (2.7) täyssähköajoneuvon rakenteen kanssa. Latausjärjestelmän rakenne kuitenkin poikkeaa täyssähköauton latausjärjestelmästä. Kuvassa 2.8 sähköbussin akkua ladataan kahdella eri latauslaitteella. Kuvan sähköbussi sisältää aiemman sähköajoneuvon tapaan vaihtosuuntaajan jolla tasasuunnataan kolmivaihesuureet tasasuureiksi. Sähköbussi sisältää lisäksi tasajännitemuuttajan, jolla virroittimen tasajännite saadaan akulle sopivaksi. Virroittimen avulla sähköbussia voidaan ladata sen yläpuolella olevasta latauslaitteesta. Toisaalta latauslaite voi olla ajoneuvon ulkopuolella, kuten aikaisemmassa kappaleessa mainittiin. Kuvassa 2.9 on sähköbussi, jota ladataan erillisen suuritehoisen virroittimen sisältävän latausaseman avulla, jossa on langaton tiedonsiirto ajoneuvon ja latausaseman välillä. Kuva 2.9. Sähköajoneuvon lataus erillisen 300 kw:n virroitinlatausaseman avulla, jossa on langaton tiedonsiirto ajoneuvon ja latausaseman välillä. (Muokattu lähteestä Siemens 2015b, s. 6 ) Aluksi langattoman tiedonsiirron ja suojauslaitteiden avulla varmistetaan, että sähköbussi on pysähtynyt virroittimen alle oikein. Tämän jälkeen virroitin lasketaan, ja suojauslaitteilla varmistetaan latausaseman maadoitus ja suojaerotus. Lataus alkaa, kun suojaustarkistukset on läpäisty. Kuljettaja voi seurata lataustapahtuman edistymistä sähköajoneuvon näytöltä ja keskeyttää latauksen tarvittaessa. Kuvan 2.9 latauslaitteen siirtämä teho on 300 kw ja se on tarkoitettu päätepysäkkilataukseen. (Siemens 2015b, s. 7-8)

13 2.2.3 Langaton lataus Langattoman latauksen toimintaperiaatteita on tavallisesti joko induktiivinen tai sähkömagneettiseen resonanssiin perustuva lataus. Suurimmat erot toimintaperiaatteilla ovat rakenteessa, toimintataajuudessa ja keskinäisinduktanssissa. Magneettiseen resonanssiin perustuvalla latauslaitteella toimitaan kilo- tai megahertsien taajuudella, kun induktiivisella latauslaitteen toiminta on verrattavissa muuntajaan. Induktiivisessa tai resonanssiin perustuvassa latauksessa ei tarvita erillisiä johtimia ajoneuvon ja latauslaitteen välille, joten se tunnetaan myös langattomana latauksena. Langattomassa latauksessa sähköenergia siirtyy ajoneuvon käämitysten ja latauslaitteen välisen ilmavälin magneettikentän kautta ajoneuvossa sijaitsevalle käämille. Ajoneuvon käämit sijaitsevat tavallisesti ajoneuvon pohjassa ja latausaseman vastakappale sijaitsee ajoneuvon alla esimerkiksi tien pinnalla tai tien alustaan upotettuna. Ajoneuvon käämien vaihtojännite on tasasuunnattava ennen kuin se voidaan siirtää akulle Hyviä puolia langattomassa lataustavassa ovat muun muassa sen käytön helppous ja vaikutus käyttökustannuksiin. Ajoneuvon kuljettajan ei välttämättä tarvitse poistua ajoneuvosta, toisin kuin johdollisessa latauksessa. Induktiivisesta latauksesta ei myöskään aiheudu maisemallista haittaa, koska latausaseman ei tarvitse olla näkyvissä. Lisäksi vaikutuksena voi olla vähentynyt vandalismi, koska latausasemaan ei pääse käsiksi. Langattomuudella vältytään lisäksi johdollisen latauksen liittimien ja johdon kulumiselta, ja niiden aiheuttamilta kustannuksilta. Induktiivinen lataus ei ole yleistynyt yhtä nopeasti kuin johdollinen tai virroittimen avulla tehtävä lataus, mutta useita pilottiprojekteja (Primove 2015; BMW 2015; Volkswagen 2015b) on käynnissä. Näiden lisäksi osajärjestelmät vaativat suojaukset verkkohäiriötä, ihmisten suojausta ja laitteiden komponentteja varten. Resonanssi-ilmiön avulla tehtävässä latauksessa yksi haaste on magneettikentän nopea heikkeneminen etäisyyden kasvaessa. Magneettikentän voimakkuus on kääntäen verrannollinen muuntajan kelojen välisen etäisyyden kuutioon. Lisäksi hyötysuhteeseen vaikuttava käämien välinen keskinäisinduktanssi on vain 10 % - 20 % itseisinduktanssista, toisin kuin perinteisessä muuntajassa. Pieni keskinäisinduktanssi yleensä heikentää resonanssiin perustuvan latauslaitteen hyötysuhdetta. Resonanssiin perustuva latauslaite on maksimitoimintapisteessään, kun toimitaan resonanssitaajuudella. Halutun resonanssitaajuuden aikaansaamiseksi muuntajan ensiötä ja toisiota kompensoidaan passiivisesti sarja ja rinnakkaiskompensoinnilla. (Mi 2014) Resonanssiin perustuvan latauslaitteen haasteena on lisäksi monimutkainen rakenne verrattuna johdolliseen lataukseen ja virroitinlataukseen. Monimutkaisen rakenteen seurauksena hankintakustannukset ovat suuret. Verkosta saatava vaihtojännite on ensiksi tasasuunnattava. Tasasuuntaajan tyypistä riippuen tarvitaan tietynlainen tehokertoimen korjaus esimerkiksi aktiivinen PFC (Power Factor Correction, tehokertoimen optimointi). Lisäksi tasajännite on sovitettava akun vaatimalle tasajännitteelle, joten tarvitaan jännitettä laskeva buck-tasajännitemuuttaja. Resonanssimuuttajan avulla tasajännite saadaan sopivaksi akulle. Resonanssimuuttaja sisältää LC-tyyppiset resonanssi-

14 piirit, vaihtosuuntaajan, kelat ja tasasuuntaajan. Erityisesti suurilla jännitteillä ja tehoilla, kelat voivat olla huomattavan kalliita. Kuvassa 2.10 on esimerkki induktiivisen latauslaitteen rakenteesta. Kuva 2.10. Induktiivisen latauslaitteen rakenne. (Mi 2014, s. 29) Resonanssimuuttajan muuntajan toiminta perustuu resonanssiin muuntajan kelojen ja rinnan tai sarjaankytkettyjen kondensaattoreiden välillä. Resonanssipiirin hajainduktanssit riippuvat ajoneuvossa olevien kelojen ja latauslaitteessa olevien kelojen välisestä sijainnista suhteessa toisiinsa. Mikäli sijainti muuttuu, hajainduktanssi vastaavasti muuttuu. Maksimitoimintapisteen saavuttamiseksi taajuus pitää säätää uudelle resonanssitaajuudelle induktanssin muuttuessa. Resonanssimuuttajan toimiessa vakiotaajuisella ohjauksella hyötysuhde heikkenee hyvin nopeasti resonanssitaajuuden ulkopuolella. Korkealla hyvyysluvulla voidaan parantaa hyötysuhdetta resonanssitaajuudella. Hyvyysluvulla kuvataan resistanssin, induktanssin ja resonanssitaajuuden välistä suhdetta. (Mi 2014) Pysäkkilataus on mahdollista toteuttaa resonanssiin perustuvalla latauksella. Resonanssiin perustuva lataus mahdollistaa akun säännöllisen latauksen, mikäli latauspaikkoja on matkan varrella. Akkua ladataan vähän kerrallaan, jolloin akkua ei tarvitse ladata täyteen eikä päästää täysin tyhjäksi. Hyvä puoli menetelmässä on akun eliniän kasvaminen jos sitä ladataan vähän kerrallaan. Johdollisen latauksen haittapuolena on sähköturvallisuus. Johdollisen latauksen sähköturvallisuuteen vaikuttavat muun muassa kosteus ja alttius viallisten latauslaitteiden käsittelylle. Latauskaapelit, latausrasiat ja latauspistokkeet kuluvat, jolloin niitä tulee säännöllisesti huoltaa. Kaikki akkutyypit eivät sovellu pikalataukseen, ja suurella virroilla ladattaessa akun elinikä lyhenee. Latauslaitteen suojausjärjestelmien tulee huolehtia siitä, ettei latauslaitteesta aiheudu haittaa ihmiselle tai eläimelle. Virroitinlatauksella on mahdollista saavuttaa huomattavia hyötyjä verrattuna langattomaan lataukseen. Virroitinlataus soveltuu suurille tehoille ja erillinen latauslaite mahdollistaa bussin kevyen rakenteen. Toisin kuin langattomassa latauksessa virroitinlatauksen latauslaitteessa ei tarvita raskaita ja kalliita keloja. Lisäksi rakenne voi olla yksinkertainen, hyötysuhde on hyvä ja latauslaitteella voidaan siirtää suuria tehoja jopa 450 kw asti (Siemens 2015a). Kaupallisten sähköbussien lataustapoja on useampia kuin henkilöajoneuvoilla. Lataustavat voidaan jakaa johdolliseen lataukseen, virroittimen avulla tapahtuvaan lataukseen ja langattomaan lataukseen. Johdollinen lataus soveltuu pienille ja keskisuurille tehoille. Virroitinlatausta käytetään puolestaan suuritehoisessa latauksessa. Täyssähköbussien teknisiä tietoja on koottu taulukkoon 2.3.