充電機檢測平臺及其集成設計

劉亞麗，李國棟，滕文，胡波，車延博

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津300384；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072）

1 引言

近年來二氧化碳排放量持續(xù)增長，全球氣候變化成為當今世界及以后很長一段時間內人類所面臨的最嚴峻的發(fā)展挑戰(zhàn)，因此解決環(huán)境污染問題和實現(xiàn)節(jié)能減排成為國家發(fā)展的重要規(guī)劃，電動汽車作為節(jié)能減排的有效措施，其必然成為汽車工業(yè)發(fā)展的新方向。近年來，電動汽車發(fā)展態(tài)勢迅猛，電動汽車充電設施建設作為電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎和保障，同樣快速發(fā)展，2010年2月國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告》中提出，到2015年國家電網(wǎng)公司將累計建設4 000 座電動汽車充電站，到2020年國家電網(wǎng)公司將累計建設10 000座電動汽車充電站［1］。充電機作為電動汽車充電設施的核心設備，其性能優(yōu)劣關系到電動汽車充放電安全，同時作為終端配用電設備，其性能好壞也會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，因此隨著電動汽車充電設施建設的日益擴大，充電機的入網(wǎng)檢測工作日趨重要。

目前國內專門針對充電機入網(wǎng)檢測而建立的測試平臺還較少，文獻［2］介紹了云南電力試驗研究院所開展的非車載充電機試驗研究情況，文獻［3］也對電動汽車充電機電氣性能測試開展了相關研究，目前各學者和專家所研究的內容主要集中在充電機模型的設計及仿真［1-4］、充電機接入對電力系統(tǒng)影響的仿真研究［5-6］及電動汽車充換電運營管理方式的探討等方向，目前有關充電機的各種檢測標準還不完善，各檢測標準中某些具體的測試項目不夠明確，因此本文建立了電動汽車非車載充電機的檢測平臺結構，可以滿足不同類型電動汽車充電機入網(wǎng)檢測電氣性能的測試。

逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵設備，其性能檢測亦非常重要，本文詳細分析了充電機檢測平臺與逆變器檢測平臺的異同點，在原有工作的基礎上，充分節(jié)約設備資源，研究節(jié)能措施，詳細論證兩者檢測平臺的一致性，建設了多功能并網(wǎng)逆變器—充電機聯(lián)合檢測平臺。

2 充電機檢測相關標準及試驗項目

2.1 檢測標準

目前充電機檢測方向還沒有形成專門的國家標準，國內所建立的該類型檢測平臺中常用的測試標準有：GB/T 19826—2005 電力工程直流電源設備通用技術條件及安全要求；NB/T 33001—2010 電動汽車非車載傳導式充電機技術條件；另外還有各地方和企業(yè)所制定的相關標準，如國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW 233—2009 電動汽車非車載充電機通用要求、Q/GDW 591—2011 電動汽車非車載充電機檢驗技術規(guī)范、Q/GDW 592—2011 電動汽車交流充電樁檢驗技術規(guī)范；中國電力科學研究院企業(yè)標準Q/PT 203—2011 電動汽車非車載傳導式充電機技術條件；中國南方電網(wǎng)有限責任公司企業(yè)標準Q/CSG 11516.3—2010 電動汽車非車載充電機技術規(guī)范及北京市、深圳市質量技術監(jiān)督局所發(fā)布的非車載和車載充電機技術規(guī)范要求，此類標準和規(guī)范中都規(guī)定了充電機的技術規(guī)范要求或型式試驗和出廠試驗的試驗項目，各標準要求的試驗項目大同小異，但試驗方法和試驗實施均較為簡略，本文也基于此目的提出了充電機的檢測方案。

2.2 試驗項目

2.2.1 輸出特性試驗

輸出特性試驗一般包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度試驗、穩(wěn)流精度試驗、紋波系數(shù)試驗、低壓輔助電源紋波系數(shù)試驗、效率試驗、功率因數(shù)試驗。

輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)均反映了充電機在電源輸入側和負載側運行條件發(fā)生變化時，充電機在設定運行方式下的工作穩(wěn)定度及輸出功率的質量。

2.2.2 功率類試驗

功率類試驗包含效率及功率因數(shù)試驗，反映了待測試充電機電能的利用效率，各標準一般規(guī)定當輸出功率為額定功率的50%～100%時，效率應不小于90%，功率因數(shù)應不小于0.9。

2.2.3 保護類試驗

保護類試驗包括限壓功能試驗、限流功能試驗、連接狀態(tài)異常試驗、急停功能試驗、電池反接試驗、輸出電路保護試驗、輸入過壓保護試驗、輸入欠壓保護試驗、輸出過壓保護試驗、輸出過流保護試驗等，此類型試驗能夠測試充電機的保護配置是否得當。

2.2.4 其他

此外還包括環(huán)境試驗、電氣絕緣性能試驗、電磁兼容試驗、機械強度試驗等，此類試驗需借助專用試驗設備，如環(huán)境試驗需要采用環(huán)境試驗箱來模擬低溫、高溫和交變溫度，電磁兼容試驗則需采用相對應的電氣儀器來模擬各種電磁環(huán)境，電氣絕緣性能試驗則采用安規(guī)測試儀進行試驗；機械強度試驗則采用錘子進行錘擊試驗對其機械強度進行檢測。

3 充電機檢測平臺設計方案

3.1 充電機檢測平臺設計方案

充電機檢測系統(tǒng)主要由3 部分組成：功率電路系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。功率電路系統(tǒng)包括仿真交流電源（具備調壓功能）、被測充電機、蓄電池；檢測系統(tǒng)包括功率分析儀、電能質量分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、安規(guī)測試儀及所需傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機、軟件用戶界面及相應的接口板卡及驅動程序，完成遠程控制與監(jiān)測。由于需要對不同類型的充電機開展測試，單一蓄電池無法滿足不同容量充電機的測試要求，同時鑒于蓄電池的安全性及耐用性的考慮，本平臺采用可根據(jù)測試要求小步長調整負載大小的直流電阻負載模擬蓄電池，從而可反復測試不同額定功率的充電機性能。

充電機的檢測平臺拓撲結構如圖1所示。

圖1 充電機檢測平臺的拓撲結構圖Fig.1 The topology of charger detection platform

3.2 功率電路系統(tǒng)

功率電路系統(tǒng)模擬充電機的工作運行情況，并通過調節(jié)仿真交流電源和直流電阻負載模擬充電機各種運行工況，從而達到對充電機性能的全面檢測。

從圖1可以看出采用仿真交流電源作為充電機的輸入端，其可以模擬不同電網(wǎng)運行工況，可以在充電機標稱電壓的±15%范圍內連續(xù)變化，模擬電網(wǎng)變化。圖1 顯示負載端有2 種方案：一種接入直流阻性負載，所設計直流電阻可滿足充電機輸出電壓在0～500 V，輸出電流在0～102.2 A內的每一種輸出功率，采用多路接觸器和組合切換方案實現(xiàn)不同負載功率的快速切換；另一種方案為實現(xiàn)充電機輸出端短路試驗，將充電機的正負輸出端設計短接方案，以驗證充電機輸出側短路時，保護功能是否啟動。

3.3 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)包括二次測量設備及與功率電路系統(tǒng)相結合的傳感器，實現(xiàn)對于充電機輸入輸出參數(shù)的測量，包括充電機輸入側的交流電壓、交流電流、有功功率、視在功率、諧波電流；充電機輸出側的直流電壓、直流電流、輸出功率、紋波電壓，根據(jù)這些測量量計算出充電機的性能指標，包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、效率、功率因數(shù)、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、軟啟動時間等。

從圖1 可以看出選用多種測試儀器進行測量，根據(jù)不同用途來選擇不同的儀器保證測試的精確。選用電能質量分析儀測量充電機的諧波電流可以實現(xiàn)諧波測量至63次，選用功率分析儀則達不到精度要求，而數(shù)據(jù)記錄儀的高頻采樣能力又是其他設備所無法達到的，而輸出量的多樣化又是功率分析儀的優(yōu)勢，所以本檢測平臺對于充電機輸入輸出側的電壓電流值采用功率分析儀進行測量；充電機輸入端的諧波電流測試選用電能質量分析儀；充電機輸出的軟啟動時間采用數(shù)據(jù)記錄儀進行記錄；而充電機的紋波電壓則采用示波器進行檢測。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)一次設備與檢測平臺的數(shù)據(jù)通信，并進行設備的邏輯控制實現(xiàn)功率電路系統(tǒng)的設備選通，同時監(jiān)視各個設備的運行狀態(tài)。

圖1 中工控機為監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其通過接口板卡實現(xiàn)工控機與平臺設備的連通并進行通信，本文所建立充電機檢測平臺的仿真交流電源、阻性負載及檢測系統(tǒng)中的功率分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、電能質量分析儀、示波器均通過RS232數(shù)據(jù)線與工控機所驅動的接口板卡通信，進而人機交互界面可實時觀察試驗過程中各設備運行狀態(tài)并實時遠程調整檢測運行方式。圖1中工控機通過組態(tài)王軟件編寫的相應控制代碼驅動接口板卡來控制相應的開關的選通。

4 并網(wǎng)逆變器—充電機集成檢測平臺

國內外相關研究成果中充電機檢測平臺都是單獨開發(fā)和使用，功能單一，導致平臺資源浪費，使用率低，同時由于利用阻性負載來模擬蓄電池，在檢測試驗過程中消耗大量電能。

4.1 并網(wǎng)逆變器檢測平臺

本課題組在2011—2012年建立了光伏并網(wǎng)逆變器檢測平臺［7］，該平臺主要功能是測試待測并網(wǎng)逆變器的各項電氣性能，檢驗是否滿足入網(wǎng)要求，其主要結構包括交流仿真電源、直流仿真電源、待測逆變器、模擬阻抗網(wǎng)絡、交流模擬負載、工控機及電能質量分析儀、功率分析儀等二次測量設備和工控機，其中直流仿真電源模擬太陽能光伏板直流輸入，交流仿真電源模擬逆變器并聯(lián)電網(wǎng)狀態(tài)，模擬阻抗網(wǎng)絡模擬逆變器輸入側和輸出側兩側的系統(tǒng)線路阻抗，二次測量設備同樣是測量各輸入輸出側的電壓、電流功率值。并網(wǎng)逆變器檢測平臺結構如圖2所示。

4.2 并網(wǎng)逆變器檢測平臺與充電機檢測平臺異同點分析

圖2 逆變器檢測平臺結構拓撲圖Fig.2 The topology of inverter detection platform

將本文所建立的充電機檢測平臺與現(xiàn)有逆變器檢測平臺結構對比分析，充電機檢測平臺功率輸入側為仿真交流電源，所用模擬負載為直流負載，逆變器檢測平臺功率輸入側為仿真直流電源，所用模擬負載為交流負載，兩平臺同時都需要仿真交流電源，兩平臺所采用的測量設備也基本一致，所以通過以上分析，完全可以將兩檢測平臺合并建設，設備互用，節(jié)省建設費用，同時也節(jié)省檢測平臺建設空間，不同的是兩檢測平臺功率流向方向正好相反。

同時逆變器將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔懿⒎答侂娋W(wǎng)，而充電機的輸出側為穩(wěn)定的直流電能，因此將逆變器作為充電機的負載，使能量回饋電網(wǎng)，達到節(jié)能的作用，這也是本逆變器—充電機集成檢測平臺的優(yōu)勢，比如溫升試驗需要滿足額定負載并進行長時間連續(xù)試驗，消耗電能巨大，采用逆變器可以使消耗電能回饋電網(wǎng)，節(jié)省試驗電能，有著重要的社會與經(jīng)濟效益。

另外，逆變器的容量與充電機之間沒有嚴格容量匹配關系，系統(tǒng)配置靈活可靠。如系統(tǒng)效率要求較高，逆變器的容量應與充電機容量接近。

4.3 并網(wǎng)逆變器—充電機集成檢測平臺

由圖2 可知，逆變器檢測平臺的功率流向是由直流側流向交流側，而充電機檢測平臺流向正好與逆變器檢測平臺相反，是由交流側流向直流側，并且根據(jù)以上分析兩平臺所用檢測設備基本一致，因此從結構拓撲的角度可以實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器檢測平臺和充電機檢測平臺的集成建設。在原有并網(wǎng)逆變器檢測平臺基礎上功能擴充后拓撲結構圖如圖3所示。

從圖3 可以看出，集成檢測平臺在已有的并網(wǎng)逆變器檢測平臺上擴充了充電機檢測功能，檢測平臺可以一體兩用。該平臺大大增加了設備的重復利用率，節(jié)約資源，并且可以縮短平臺建設的周期；另外并網(wǎng)逆變器檢測平臺和充電機檢測平臺均利用組態(tài)王軟件進行程序控制，方便地實現(xiàn)同各設備的數(shù)據(jù)通信和開關選通，降低了開發(fā)的難度，使開發(fā)人員可以輕松進行二次開發(fā)。

圖3 并網(wǎng)逆變器—充電機集成檢測平臺Fig.3 The topology of inverter-charger integrated detection platform

5 結論

本文依據(jù)充電機檢測相關標準提出了充電機檢測方案，建立了電動汽車充電機的檢測平臺結構，可以滿足不同類型電動汽車充電機電氣性能入網(wǎng)檢測的需求。同時詳細分析了充電機檢測平臺與逆變器檢測平臺的異同點，在原有并網(wǎng)逆變器檢測平臺基礎上，進行方案改造，建設并網(wǎng)逆變器—充電機集成檢測平臺。分析證明該集成檢測平臺設備配置合理，節(jié)約空間和資源，節(jié)省建設費用和時間，同時巧妙地將逆變器引入充電機檢測平臺，使入網(wǎng)檢測試驗更加節(jié)能高效。

［1］陳良亮，張蓓蓓，周斌，等.電動汽車非車載充電機充電模塊的研制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（7）：81-85.

［2］丁心志，畢志周，曹敏，等.電動汽車非車載充電機技術分析與試驗研究［J］.電測與儀表，2012，49（4）：14-17.

［3］顧越.電動汽車充電機及其電氣性能測試研究［D］.北京：北京交通大學，2012.

［4］李晶，姜久春.純電動汽車充電機模型［J］.電機與控制學報，2013，17（4）：64-71.

［5］李娜，黃梅.不同類型電動汽車充電機接入后電力系統(tǒng)的諧波分析［J］.電網(wǎng)技術，2011，35（1）：170-174.

［6］張樂平，許燕灝，胡紅，等.電動汽車對電網(wǎng)影響的評價指標與評估方法［J］.電力建設，2013，34（8）：47-51.

［7］崔榮靖，李盛偉，李曉輝，等.光伏并網(wǎng)逆變器檢測技術初探［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2013，25（4）：103-107.