ElaadNL brengt tot in de kleinste details power quality bij DC-laden in kaart

Paradepaardje van het testlab van ElaadNL in Arnhem is een 360 kW testopstelling, waarmee de elektrische interacties tussen laadpaal, voertuig en het geëmuleerde elektriciteitsnet in kaart kunnen worden gebracht. De meettechnici maken gebruik van een 24-bits analyzer uit de DEWE3-serie van Dewetron om onder meer de supraharmonischen gedetailleerd te registreren.

De ene DC-laadpaal is de andere niet, en dat kan ook worden gezegd voor het groeiend aantal typen en merken elektrische voertuigen (EV’s) dat die DC-stromen consumeert. Dat je daar in de dagelijkse praktijk op het eerste gezicht niet al te veel last van hebt –zeker in Nederland– kan voor een belangrijk deel op het conto worden geschreven van ElaadNL, dat in 2009 door de netbeheerders is opgericht. In eerste instantie om het toentertijd actuele kip-ei probleem op te lossen: als er geen laad-infrastructuur is, komt elektrisch vervoer moeilijk op gang; als er weinig EV’s rondrijden, gaat ook niemand investeren in laad-infrastructuur.

“Al snel zijn we ons ook gaan richten op de impact van het laden op het elektriciteitsnet en hoe we dat zo goed mogelijk kunnen integreren. Zo hebben we het OCPP (Open Charge Point Protocol) mede ontwikkeld, dat de facto de wereldwijde standaard is om vanuit je backoffice-systeem te communiceren met je laadpalen en slim te kunnen laden”, vertelt Thijs van Wijk, operationeel manager van het testlab bij ElaadNL.

Meer testen

De focus bij het testen lag in eerste instantie op capaciteit en interoperabiliteit. “We wilden zeker weten dat de beschikbare laadpalen het gewoon deden, ook als ze even wat minder vermogen hadden door het toepassen van smart charging. Je kunt volgens dat principe de laadpalen aansturen om, afhankelijk van de beschikbare energie in het elektriciteitsnetwerk, op bepaalde momenten minder vermogen uit te geven en op bepaalde momenten meer”, legt Thijs uit.

Met de beschikbaarheid van een groter lab, werd ook het testen van EV’s mogelijk. Hoe reageert bij AC-laden de boordlader in de auto op de laadsturing vanuit de paal? “We zagen toen ook allerlei verstoringen tijdens het laden, waardoor we meer geïnteresseerd raakten in power quality.”

Met de verhuizing in 2022 naar de huidige locatie op het Cleantech Park Arnhem zijn de testmogelijkheden verdertoegenomen. “Omdat we hier veel meer ruimte hebben, kunnen we naast auto’s ook trucks en bussen kwijt. Bovendien hebben we hier een zwaardere energieaansluiting, wat ons de mogelijkheid gaf om een 360 kW testsysteem in te richten. Op die manier kunnen we in een strak gecontroleerde omgeving de laadpalen testen”, aldus Thijs.

Eigen net maken

De fabrikanten van laadpalen zijn veelal bereid om hun producten ter beschikking te stellen voor de testen. Momenteel zijn er alleen al aan DC-laders 19 verschillende in het lab te vinden. Als onderdeel van het 360 kW testsysteem kan je ze dan onderwerpen aan verschillende scenario’s. “Ze moeten qua power quality sowieso voldoen aan bepaalde normen. Maar in die normen wordt altijd uitgegaan van nominaal vermogen of een aantal vaste meetpunten. En dat is in de praktijk zeker niet altijd het geval bij de laadinfrastructuur Sowieso is er vaak sprake van lagere vermogens. En het net is ook niet altijd mooi schoon. Met het 360 kW testsysteem kunnen we uiteraard een schoon net maken, maar net zo gemakkelijk kan dat een verstoord net zijn. En dan is het natuurlijk heel interessant om te kijken hoe de DC-laders daarmee omgaan.”

Metrologie-project

Vermeldenswaardig in dat perspectief is het Met4EVCS project, waarin ElaadNL samen met verschillende Europese metrologische instituten, waaronder VSL, de power quality effecten van laders en de immuniteit van deze zelf onder de loep neemt. Dat begint bij het aan de hand van veldmetingen onderzoeken van de verstoringen die in de netten zelf zitten. “We willen bijvoorbeeld duidelijkheid krijgen over de impedantie van de elektriciteitsnetten van tegenwoordig. We gaan nu vaak nog uit van impedanties, die zijn gebaseerd op metingen uit de jaren 80. Maar tegenwoordig hangen er zoveel apparaten aan je net dat die impedantie heel anders is. Door vervolgens die situatie in het lab na te bootsen kan je kijken hoe de laders daarop reageren. We willen ook supraharmonische verstoringen invoeden, de hoogfrequente verstoringen die nu nog een beetje buiten de standaarden vallen. Uiteindelijk willen we dergelijke verstoringen ook in onze eigen meetopstelling kunnen injecteren.”

360 kW testsysteem

Het 360 kW testsysteem is ontwikkeld voor het testen van laadstations en voertuigen. Hiermee kan je aan de ene kant het net tot 360 kW emuleren, terwijl je aan de andere kant het voertuig kan emuleren. In de praktijk kan dat als volgt worden ingevuld. Een te testen DC-laadstation wordt aan de netzijde aan de AC-emulator gekoppeld. De zo genoemde communicatie-emulator doet dan alsof het een voertuig is. Die wordt dan weer gekoppeld aan de DC-bron. Op die manier is dan een voertuig geëmuleerd, inclusief de batterij. De DC-emulatoren voeden ook weer terug naar het geëmuleerde net. “Op die manier kunnen we de energie rondpompen. En ondertussen op een gecontroleerde manier alle testen doen die we willen, onder verschillende belastingen, ook voor bidirectioneel laden. Denk daarbij aan harmonischen, supraharmonischen, voltage onbalans, dips en swells, en onder/overspanning. Aan de ene kant kijken we naar de emissies, wat zien we ontstaan. Aan de andere kant creëren we dergelijke verstoringen en kijken hoe zo’n lader daarmee omgaat”, legt Thijs uit.

24-bits analyzer

Onderdeel van het 360 kW testsysteem zijn de speciaal hiervoor aangeschafte 24-bits analyzers uit de DEWE3-serie van Dewetron met 16 ingangen (8 voor stroom, 8 voor spanning), de DEWE3-PA8. Die hoge resolutie is essentieel voor de meetopgave bij ElaadNL. “We moeten kunnen meten tot 600 A en verstoringen in de orde van mA’s kunnen detecteren. Daarbij willen ook het hele spectrum tot 150 kHz kunnen meten. De combinatie van een meetfrequentie van 1 MSa per kanaal en de 24-bits resolutie maakt dit mogelijk”, aldus Thijs.

Een verbetering in de meetnauwkeurigheid is ook gerealiseerd door het gebruik van zero flux stroomsensoren in plaats van Rogowski-spoelen als meetsensor. De Rogowski-spoelen zijn weliswaar zeer nauwkeurig, maar niet over het hele bereik; met name in het ondergebied laten ze wat steken vallen. De zero flux sensoren zijn supernauwkeurig over het hele bereik, dus zowel bovenin als onderin. 

Bekende materie

De meettechnici, er werken er acht in het testlab, hebben al langer ervaring met de analyzers van Dewetron. Het oudste instrument van de drie, die in het lab in gebruik zijn, is al in 2013 aangeschaft. Bij het maken van een keuze voor de nieuwe analyzers was het al snel duidelijk dat dit weer een Dewetron Power Analyzer zou worden. Naast de 24-bits resolutie, wat echt wel een pré was, is het wel zo efficiënt om te kiezen voor hard- en software (Oxygen) waar je mee bekend bent en al veel ervaring mee hebt opgedaan. Sterker, de eerdere analyzer was geïntegreerd in een geautomatiseerd testsysteem, iets wat je liever niet helemaal opnieuw wil uitzoeken met een apparaat van een andere fabrikant.

Geautomatiseerd testsysteem

De oudste analyzer, die nog met insteekmodules en andere A/D-kaarten werkt, en uiteraard qua specs een stuk minder is dan het nieuwe model, is gebruikt voor een onlangs afgerond project, waarvan de (geanonimiseerde) resultaten op 30 september worden gepresenteerd. In dit Smart Charging Test Programma zijn in een tijdsbestek van elf maanden 114 verschillende EV’s en 28 plug-in EV’s van alle merken en modellen getest op AC-laden.

R&D Engineer Klaas van Zuuren heeft hiervoor een geautomatiseerd testsysteem toegepast, het door ElaadNL ontwikkelde SAMADA-systeem, dat staat voor ‘Semi-Automatic Measurement And Data-Acquisition’. In deze opstelling wordt gebruik gemaakt van een 30 kW netemulator. “De drie aparte units –analyzer, laadstation en emulator– worden vanuit het SAMADA-testsysteem aangestuurd. We kunnen bijvoorbeeld selecteren welke testen uitgevoerd moeten worden. Via het SCPI-protocol krijgt de emulator de juiste settings voor de betreffende test en wordt de meting in de analyzer gestart. Die zet markers waar nodig, en stopt ook weer als de test voorbij is. Het precies beginnen met meten en opslaan van data op het moment dat dat nodig is, maakt je analyse een stuk efficiënter. Zo gaan we zeker ook met de nieuwe analyzer aan de slag”, aldus Klaas.

Megawatts

Waar de 360 kW stroomvoorziening al gepaard gaat met een indrukwekkende installatie denkt Thijs al verder, in megawatts. “Voor het laden van zware trucks, mijnbouwvoertuigen en boten zijn ondertussen megawatt laders ontwikkeld. De standaard gaat zelfs tot 3,5 MW. Om die te testen zou je ook weer een geëmuleerd net kunnen gebruiken, maar dan qua dimensies een stuk groter dan de 360 kW die we nu hebben. Wie weet of we er dan weer een Dewetron analyzer aan kunnen hangen!”

www.elaad.nl

www.dewetron.nl