EV 充電ステーション用変圧器のサイズ設定と仕様: テクニカル ガイド

1 台の 350 kW の超高速充電器は、一般的なコンビニエンス ストアが 3 時間で消費するよりも多くの電流を 15 分で供給します。突然、激しく、1 日に何十回も繰​​り返される負荷プロファイルにより、EV充電ステーション用変圧器標準的な商用配電とは根本的に異なるインフラストラクチャ。サイジングを間違えると、その影響は急速に連鎖します。充電速度が低下する電圧低下、事業者のマージンを圧迫する要求料金、そして最悪の場合、プロジェクトが数か月遅れることになる電力会社からの拒否通知が届くことになります。

世界の公共充電ネットワークは、1950 年代の空調ブーム以来、電力会社が経験したことのないペースで拡大しています。国際エネルギー機関は、世界の公共充電器の数が 2030 年までに 1,500 万台を超えると予測しています。ショッピング モールのガレージに設置された 6 台のレベル 2 設備であろうと、州間高速道路にある 40 台の超高速広場であろうと、すべての充電ハブの背後には、1990 年代の教科書では説明されていない配電パターンを処理しなければならない変圧器が設置されています。このガイドでは、Ryan Electric でサポートしてきたプロジェクトの実際のシナリオを使用して、適切な変圧器のサイズを設定し、指定し、電力会社の承認を得る方法について説明します。

EVの充電負荷と標準的な商用負荷の違いは何ですか

商用オフィスビルの変圧器では、1 日の状況がかなり予測可能です。HVAC は午前 7 時に立ち上がり、照明は一定に保たれ、機器の負荷は ±15% の範囲内で変動します。 [オブジェクト オブジェクト] シナリオは、配電チェーンのあらゆる弱点をテストする断続的な大電流パルスであるアーク炉に近いものです。

違いは 3 つの特性によって決まります。仕様でそのいずれかを省略すると、試運転時に問題が発生します。

平均負荷率が低い断続的なピーク。6 スタンドの DC 急速充電ステーションは 720 kVA (6 × 120 kW) の接続負荷を運ぶ可能性がありますが、運用の初期段階では実際の利用率が 0.4 ～ 0.6 を超えることはほとんどありません。ここが、ほとんどの仕様者が見逃している部分です。夕方のラッシュ時に 4 台のドライバーが同時に接続されると、変圧器はほぼ瞬時に 480 kVA の需要が急増します。標準的な配電変圧器は、このデューティ サイクル向けに設計されていません。連続銘板定格ではなく、巻線の熱時定数が制限要因となります。巻線のホットスポット温度は、定常状態の計算で予測される温度より 15 ～ 20 度上昇する可能性があり、そこで絶縁劣化が加速します。

高調波電流注入。レベル 3 DC 充電器は基本的に、アクティブなフロントエンド整流器を備えた大型のスイッチモード電源です。適切に設計されたユニットであっても、5 次、7 次、11 次、および 13 次の帯域で高調波電流が注入されます。適切なディレーティングがなければ、銘板の kVA の快適な 80% で動作する変圧器が熱過負荷で動作する可能性があります。これは、コアと巻線の高調波損失により、標準の温度上昇テストでは測定できない 10 ～ 15% の余分な発熱が追加されるためです。IEEE 519-2022コンプライアンスしきい値（共通結合点での全高調波歪み（THD）が 5% 未満）を設定しますが、トランス自体は長期に耐えるために K 係数定格または高調波緩和巻線設計を必要とします。

充電器自体の電圧感度。DC 急速充電器は、入力電圧が公称値の 90% を下回った瞬間に出力電力を低下させます。あEV充電ステーション用変圧器インフラストラクチャのインピーダンスが不十分であったり、タップ範囲が小さかったりすると、解決するはずだった問題そのものが発生してしまいます。つまり、充電セッションが遅くなり、時計を見てイライラするドライバーです。変圧器のインピーダンス電圧（配電クラスのユニットでは通常 5 ～ 6%）は、このパルス負荷パターンの下で電圧調整曲線を直接形成します。指定したインピーダンスが低すぎると、短絡電流がギアの定格を超えます。指定値が高すぎると、負荷時の電圧降下により充電速度が低下します。

EV 充電ステーションに合わせて変圧器のサイズを決める方法 - 3 つの実際のシナリオ

これは、ほとんどのプロジェクトのタイムラインが解明されるステップです。充電器の調達が難しいからではなく、変圧器の容量計算が公共事業技術者の机の上にあり、精査に耐えられないからです。現場では 3 つの異なるサイズ パターンが見られます。

レベル 2 AC 充電 - 駐車場および作業場の敷地

レベル 2 ステーションは 240 V AC で動作し、ポートあたり 7.2 ～ 19.2 kW を消費します。一般的な企業キャンパスに 20 ポートを設置した場合、接続負荷は合計 384 kVA になります。 0.6 の需要係数を適用すると、負荷管理が実施されている場合、NEC 625.41 では複数の EVSE ユニットに対してこれが許可され、設計負荷は約 230 kVA に低下します。 K-4 定格の 300 kVA 乾式変圧器はこれを快適に処理し、30 ポートまで拡張できる余裕があります。

この規模における重要な指標は、ピーク時の容量ではありません。レベル 2 のステーションは動作時間の 80% を 15% ～ 40% の負荷に費やすため、これは部分負荷時の変圧器効率です。 35% 負荷から上方へ 98.5% を超える平らな効率曲線を持つユニットを探します。年間 6,000 時間の稼働時間にわたる 98.2% と 98.8% の効率曲線の差は、20 年間の資産耐用年数にわたって実質的な金額に相当します。

DC 急速充電 - 50 – 150 kW ストール

120 kW 充電器が混在する 6 ストール ステーション: 接続負荷 720 kVA、需要係数 0.7 (移動ピーク時に DC 高速セッションが集中する傾向があるため、レベル 2 より高い)、設計負荷 504 kVA。 K-13 定格と ONAN 冷却を備えた 750 kVA [オブジェクト オブジェクト] は、30 分間の連続充電セッションに対応する熱ヘッドルームを提供します。この電力レベルでは、K-13 の定格は交渉の余地がありません。標準の K-1 ユニットは、6 つのアクティブ整流器の高調波プロファイルの下で銘板より 15 ～ 20 度高温で動作し、電力会社は立会い試験中に温度上昇にフラグを立てます。

超急速充電ハブ - 350 kW 以上

これはフロンティアであり、数字は急速に拡大します。それぞれ 350 kW の 8 つのストール: 2,800 kVA が接続されています。保守的な 0.5 の需要係数 (車両交通パターンを持つ高速道路の路線では現実的) であっても、設計負荷は 1,400 kVA になります。強制空冷 (ONAF) を備えた定格 2,000 ～ 2,500 kVA の単一の油入変圧器で、現在の需要と今後 3 ～ 5 年間の車両電化の成長をカバーします。

この規模では、変圧器の効率は、電力コストそのものを超えて、運用予算の中で最大の項目となります。年間 8,000 時間の稼働時間で 1% の効率差があり、0.12 ドル/kWh の場合、年間約 13,400 ドルのコストがかかります。 25 年の資産寿命を超えると、そのギャップで変圧器の半分が買えることになります。

乾式と油入: 現場条件に合わせた変圧器のタイプ

充電器の数と電力レベルによって容量数が決まります。どの変圧器テクノロジーが実際に適合するかは、物理的な設置環境によって決まります。

屋内および地下駐車場構造。ほとんどの管轄区域の消防法 (米国では NFPA 70、国際プロジェクトでは IEC 60364) は、密閉された駐車施設内での油入り機器を制限または完全に禁止しています。ここでは、キャスト樹脂乾式変圧器がデフォルトの選択です。エポキシのカプセル化は自己消火性があり、油漏れのリスクがゼロで、劣化することなく駐車環境の湿気と埃のサイクルに対処します。 IP23 エンクロージャを備えた Ryan のコンパクトな乾式ユニットは、油を充填したユニットに必要なクリアランスのセットバックなしで、標準的な電気室に設置できます。

屋外充電プラザ - 小売店および高速道路の敷地。ここではパッドマウントトランスが主流です。油浸され、区画化され、改ざん耐性があり、公共のアクセス可能な場所向けに特別に設計されています。これらは高速道路のハブに必要な大容量 (500 ～ 2,500 kVA) に対応しており、そのデッドフロント設計は米国のすべての州の公共施設の安全要件を満たしています。また、パッド マウントのフォーム ファクターにより、設置計画が大幅に簡素化されます。コンクリート パッドを流し込み、変圧器を設置し、充電器配電盤への二次フィーダを終端します。私たちが協力したテキサス州の電気請負業者は、このレイアウトを使用して変圧器から最初の充電器までの接続を 4 営業日以内に完了しました。

超高速の高速道路の通路。敷地計画で 8 つ以上の 350 kW のストールが必要な場合、変圧器は変電所クラスの領域に移動します。2,500 ～ 5,000 kVA、油浸式で、電気トラックの隊列が同時に到着するときに発生する激しい負荷変動時の電圧を管理する負荷時タップ切換器を備えています。これらのユニットでは、最初のシャベルが地面に着く数か月前に、サービスを提供している電力会社の計画およびエンジニアリング チームとの調整が必要です。システムへの影響を完全に調査せずに 5 MVA の相互接続を承認する電力会社はありません。

系統相互接続: 電力会社の交渉は何よりも優先される

ハードウェアの選択は戦いの半分です。残りの半分は、地元の電力会社に相互接続協定に署名してもらうことですが、その時計は、ほとんどのプロジェクト開発者の予算よりも早く動き始めます。

需要料金はビジネス モデルを定義します。北米では、商用EV充電インフラ事業者は、消費エネルギー (kWh) に加えて、請求月の 15 分間の平均消費量の最も高いピーク需要 (kW) を支払います。カリフォルニア、北東部、オンタリオなどの市場では、デマンド料金の範囲は 8 ～ 15 ドル/kW です。変圧器のサイズが不適切なため、サイトがラッシュアワーのクラスタリング中に瞬間的な需要の急増を引き起こすと、需要料金が発生し、ステーションの月収の 30 ～ 40% を消費する可能性があります。前のセクションの変圧器のサイジング演習は単なる工学計算ではなく、プロジェクトの財務モデルへの最大のインプットです。

IEEE 519 への準拠は、電力会社審査デスクでは交渉の余地がありません。北米とヨーロッパの電力会社は現在、500 kW の非線形負荷を超える施設の相互接続アプリケーションの一部として高調波調査を必要としています。あDC急速充電変圧器高調波定格巻線を使用し、大規模な設備では、二次側のアクティブ高調波フィルタにより、総需要歪み (TDD) が電力会社が強制する 5 ～ 8% の制限値未満に維持されます。相互接続リクエストと一緒に高調波調査を提出します。これにより、高調波調査を行わずに提出する場合と比較して、レビューのスケジュールが 4 ～ 6 週間短縮されます。

力率補正は仕様に組み込まれており、後から追加されるものではありません。最新の DC 充電器は、全負荷では力率 0.95 以上で動作しますが、部分負荷ではその数値は 0.85 以下に低下します。ステーションはこの部分で動作時間の大部分を費やします。統合された力率補正 (または試運転後に後付けするのではなく調達時に設計されたコンデンサバンク) を含む変圧器の仕様により、月々の違約金が回避され、変圧器のサイズを大型化することなく追加の充電器停止に対応できる kVA 容量が解放されます。

ライアン・エレクトリックはEV充電インフラプロジェクトをどのようにサポートしているか

カリフォルニアの充電ネットワーク開発者が、幅 30 フィートの公共地役権と 12 週間の建設期間によって制約された敷地を抱えて当社に相談に来たとき、国内メーカーの標準カタログ ユニットでは両方の制限を満たすものは何もありませんでした。当社は、設置面積を削減し、120 kW 充電器の高調波プロファイルに一致した K-13 定格巻線を備え、業界で一般的な 16 ～ 20 週間ではなく、製造スケジュールに合わせた製造リードタイムを備えたカスタム 1,000 kVA パッドマウント変圧器を設計しました。

この柔軟性は、コア、巻線、エンクロージャがすべて 1 つの屋根の下で製造される工場を運営していることから生まれます。 [object Object] プロジェクトの場合、当社のエンジニアリング チームは、お客様の充電器の仕様と設置場所のレイアウトに基づいて、負荷リストを受け取ってから 3 営業日以内に、在庫カタログ ページではなく、変圧器のデータシートを作成します。

EV インフラストラクチャ プロジェクトでは次のようになります。

• ULおよびCSAのリストに登録されています追加の現場認証なしで北米の電力会社に受け入れられる変圧器

• 消防法により油充填設備が禁止されている地下駐車場および密閉駐車場向けのコンパクトな注型樹脂乾式ユニット。

• K-factor定格パッドマウント変圧器- K-4 ～ K-20 - DC 急速充電の高調波環境専用に設計

• 標準ユニットは 8 ～ 10 週間で出荷されます。スケジュールが短いプロジェクト向けに、カスタム設計のユニットを 10 ～ 14 週間で納品

充電ステーション プロジェクトの変圧器の仕様を取得する

特定の充電ステーションの高調波プロファイル、需要係数、および物理的な設置場所の制約を考慮していない変圧器の仕様は、電力会社の審査デスクに提出され、送り返されることになります。フロントエンドでのエンジニアリング作業には、集中的な計算に数時間かかります。間違いによる遅延は、数か月にわたるスケジュールのずれと請負業者の待機というコストを要します。

北米、中東、東南アジアで EV 充電プロジェクトを計画していますか?充電器の数、ユニットごとの電力レベル、設置場所のレイアウトをお送りください。当社のエンジニアリング チームは、3 営業日以内に変圧器の推奨サイズと商用見積もりを返信します。

→ Ryan Electric EV インフラストラクチャ チームにお問い合わせください