ผลกระทบของฮาร์มอนิกส์และค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์จากสถานีชาร์จ EV ขนาดใหญ่

1. สถานีชาร์จ EV ส่งผลต่อคุณภาพไฟฟ้าอย่างไร

เครื่องชาร์จ DC ทุกตัวมีชุดแปลงกระแส (Rectifier) ที่ดึงกระแสจากระบบ AC ในรูปคลื่นไม่เป็นไซน์สมบูรณ์ ก่อให้เกิดกระแสฮาร์มอนิกส์ไหลย้อนเข้าระบบ เมื่อสถานีมีตู้ชาร์จหลายตู้ทำงานพร้อมกัน กระแสฮาร์มอนิกส์รวมอาจสูงพอที่จะทำให้แรงดันในระบบเพี้ยน (Voltage Distortion) ซึ่งกระทบโหลดอื่นร่วมหม้อแปลง เช่น มอเตอร์ร้อนขึ้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานผิดพลาด และตัวเก็บประจุแก้ค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์เดิมของอาคารเกิดกระแสเกินจากปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ นอกจากนี้ฮาร์มอนิกส์ยังเพิ่มกำลังสูญเสียในหม้อแปลงจนต้องพิจารณาลดพิกัดใช้งาน (Derating)

ตัวชี้วัดหลักที่ใช้ประเมินคือค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกส์รวมของกระแส (Total Harmonic Distortion of Current: THDi) และของแรงดัน (THDv) เครื่องชาร์จรุ่นใหม่ที่ใช้เทคโนโลยี Active Front-End มีค่า THDi ต่ำกว่าเครื่องรุ่นเก่าแบบเรกติไฟเออร์ 6 พัลส์หรือ 12 พัลส์อย่างมีนัยสำคัญ การอ่านสเปกส่วนนี้ตั้งแต่ขั้นจัดซื้อจึงเป็นการควบคุมคุณภาพไฟฟ้าที่ต้นทุนต่ำที่สุด เพราะการแก้ที่ปลายเหตุด้วยฟิลเตอร์ภายหลังมีต้นทุนสูงกว่าเสมอ

2. เกณฑ์มาตรฐานและข้อกำหนดของการไฟฟ้า

กรอบอ้างอิงสากลที่ใช้แพร่หลายในการประเมินฮาร์มอนิกส์ที่จุดเชื่อมต่อร่วม (Point of Common Coupling: PCC) คือแนวทาง IEEE 519 ซึ่งกำหนดเพดานความเพี้ยนของกระแสตามสัดส่วนขนาดโหลดต่อความแข็งแรงของระบบ และเพดานความเพี้ยนของแรงดันตามระดับแรงดันระบบ ส่วนในประเทศไทย การไฟฟ้าทั้ง MEA และ PEA มีข้อกำหนดคุณภาพไฟฟ้าเรื่องฮาร์มอนิกส์สำหรับผู้ใช้ไฟที่เชื่อมต่อระบบจำหน่าย ซึ่งผู้ขอเชื่อมต่อสถานีชาร์จขนาดใหญ่ต้องแสดงผลการประเมินหรือผลการวัดให้สอดคล้องตามที่กำหนด

ค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์เป็นอีกมิติที่ต้องดูแลควบคู่กัน โครงสร้างอัตราค่าไฟฟ้าประเภทกิจการขนาดกลางและใหญ่ของไทยมีการคิดค่าปรับเมื่อความต้องการกำลังรีแอกทีฟเกินสัดส่วนที่กำหนด เครื่องชาร์จสมัยใหม่ส่วนใหญ่ควบคุมพาวเวอร์แฟกเตอร์ด้านเข้าได้ใกล้หนึ่ง แต่พฤติกรรมที่โหลดเบา (Light Load) ของบางรุ่นอาจต่างจากสเปกที่พิกัดเต็ม การวัดจริง ณ สภาพใช้งานหลากหลายระดับโหลดจึงจำเป็นก่อนสรุปว่าระบบผ่านเกณฑ์ และควรระวังการติดตั้งตัวเก็บประจุแก้พาวเวอร์แฟกเตอร์แบบธรรมดาเพิ่มในระบบที่มีฮาร์มอนิกส์สูง เพราะเสี่ยงเรโซแนนซ์ ควรใช้ชุดที่มี Detuned Reactor เสมอ

• ประเมินฮาร์มอนิกส์ที่ PCC ตามแนวทาง IEEE 519
• ปฏิบัติตามข้อกำหนดคุณภาพไฟฟ้าของ MEA / PEA เมื่อขอเชื่อมต่อ
• วัดพาวเวอร์แฟกเตอร์จริงหลายระดับโหลด ไม่อิงสเปกพิกัดเต็มอย่างเดียว
• ตัวเก็บประจุแก้ PF ในระบบฮาร์มอนิกส์สูงต้องมี Detuned Reactor

3. การตรวจวัดและการเลือกใช้ฟิลเตอร์กรองฮาร์มอนิกส์

การตรวจวัดที่ถูกหลักต้องใช้เครื่องวิเคราะห์คุณภาพไฟฟ้าตามมาตรฐานเครื่องมือวัด IEC 61000-4-30 บันทึกต่อเนื่องอย่างน้อยหนึ่งสัปดาห์ให้ครอบคลุมพฤติกรรมโหลดทุกช่วง ทั้งชั่วโมงเร่งด่วนที่ตู้ชาร์จทำงานพร้อมกันหลายตู้และช่วงโหลดเบา จุดวัดควรครอบคลุมทั้งด้านแรงต่ำของหม้อแปลงและวงจรป้อนกลุ่มเครื่องชาร์จ เพื่อแยกแยะว่าความเพี้ยนมาจากสถานีชาร์จเองหรือมีอยู่เดิมในระบบจากโหลดอื่น ข้อมูลสเปกตรัมรายลำดับฮาร์มอนิกส์ (Harmonic Spectrum) ที่ได้คือพื้นฐานของการออกแบบวิธีแก้ไขที่ตรงจุด

เมื่อผลวัดเกินเกณฑ์ ทางเลือกหลักคือฟิลเตอร์แบบแอคทีฟ (Active Harmonic Filter: AHF) ซึ่งฉีดกระแสหักล้างฮาร์มอนิกส์แบบเรียลไทม์ ปรับตัวตามโหลดที่เปลี่ยนแปลงได้ดีจึงเหมาะกับสถานีชาร์จที่โหลดขึ้นลงตลอดวัน การกำหนดขนาด AHF คิดจากผลรวมกระแสฮาร์มอนิกส์ (หน่วยแอมป์) ที่ต้องหักล้างจากผลวัดจริง พร้อมเผื่อการขยายสถานี ทางเลือกแบบพาสซีฟจูนความถี่เฉพาะมีต้นทุนต่ำกว่าแต่ต้องศึกษาเรโซแนนซ์กับระบบอย่างละเอียด ส่วนการเลือกหม้อแปลงชนิด K-factor หรือการเผื่อขนาดหม้อแปลงเป็นมาตรการเสริมฝั่งอุปกรณ์ที่ควรพิจารณาตั้งแต่ออกแบบสถานีใหม่

• ใช้เครื่องวัดตามมาตรฐาน IEC 61000-4-30 บันทึกอย่างน้อย 1 สัปดาห์
• วัดทั้งด้านแรงต่ำหม้อแปลงและวงจรป้อนกลุ่มเครื่องชาร์จ
• เลือก AHF ขนาดตามกระแสฮาร์มอนิกส์จริงพร้อมเผื่อขยาย
• ฟิลเตอร์พาสซีฟต้องศึกษาเรโซแนนซ์กับระบบก่อนติดตั้ง

4. กรณีปัญหาที่พบบ่อยและแนวทางแก้เชิงระบบ

รูปแบบปัญหาที่พบซ้ำในสถานีที่ขยายตัวเร็วคือการทยอยเพิ่มตู้ชาร์จทีละตู้โดยไม่เคยประเมินฮาร์มอนิกส์สะสมใหม่ จนวันหนึ่งพบว่าอุปกรณ์ป้องกันทริปโดยไม่ทราบสาเหตุ หม้อแปลงร้อนกว่าปกติทั้งที่โหลดตามมิเตอร์ยังไม่เต็มพิกัด หรือตัวเก็บประจุแก้พาวเวอร์แฟกเตอร์เดิมของอาคารเสียหายซ้ำๆ อาการเหล่านี้ล้วนเป็นลายเซ็นของฮาร์มอนิกส์ที่สะสมเกินจุดที่ระบบรับได้ อีกกรณีคือฟิลเตอร์ AHF ที่ติดตั้งแล้วแต่ตั้งค่าไม่ครบทุกลำดับฮาร์มอนิกส์ที่มีนัยสำคัญ ทำให้ผลวัดหลังติดตั้งดีขึ้นไม่ถึงเป้า

แนวทางเชิงระบบคือกำหนดให้การประเมินคุณภาพไฟฟ้าเป็นขั้นตอนบังคับทุกครั้งที่เพิ่มตู้ชาร์จ ไม่ใช่ทำครั้งเดียวตอนเปิดสถานี ติดตั้งมิเตอร์คุณภาพไฟฟ้าถาวรที่ตู้ประธานเพื่อเฝ้าดูแนวโน้ม THD และพาวเวอร์แฟกเตอร์ต่อเนื่องพร้อมแจ้งเตือนเมื่อเข้าใกล้เกณฑ์ ทบทวนการตั้งค่า AHF ทุกครั้งที่โครงสร้างโหลดเปลี่ยน และเก็บผลวัดประจำปีเป็นชุดข้อมูลเดียวกับรายงานบำรุงรักษา วิธีนี้เปลี่ยนงานคุณภาพไฟฟ้าจากการไล่แก้ปัญหาเป็นการบริหารความเสี่ยงที่มองเห็นล่วงหน้าได้จริง