電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)電能計(jì)量影響的仿真分析

周敏+++雷晶晶+++袁語

摘 要：環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，使得電動(dòng)汽車成為新能源交通領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。電動(dòng)汽車事業(yè)發(fā)展必須以完備、大規(guī)模的電動(dòng)汽車充換電設(shè)施為基礎(chǔ)。而電動(dòng)汽車充電機(jī)屬于新型大功率、高度非線性的用電設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生諧波，將對(duì)電能質(zhì)量造成污染，導(dǎo)致電能計(jì)量誤差。電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性關(guān)系到電力公司、用戶和充電運(yùn)營商的利益，因此電動(dòng)汽車充電對(duì)電能計(jì)量的影響研究具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：充電機(jī)；諧波；電能表；電壓互感器；電流互感器；計(jì)量誤差

1 概述

隨著一次能源的枯竭和環(huán)境污染的日益加劇，進(jìn)行能源革命勢在必行。能源革命的實(shí)質(zhì)是清潔能源逐步替代化石能源[1]，最終淘汰化石能源，而電動(dòng)汽車可以很好的實(shí)現(xiàn)電能替代，因此在交通領(lǐng)域大力推廣使用電動(dòng)汽車是能源革命的一項(xiàng)重要舉措。電動(dòng)汽車數(shù)量的激增能夠使清潔能源轉(zhuǎn)化來的電能得到有效利用，有助于解決環(huán)境問題。但同時(shí)，充電機(jī)作為一種新型大功率、高度非線性的用電設(shè)備，接在城市電網(wǎng)和電動(dòng)汽車之間會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電能計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量準(zhǔn)確性，而電能計(jì)量問題關(guān)乎電力公司、用戶和充電運(yùn)營商利益，所以研究電動(dòng)汽車充電機(jī)對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)的影響具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

作為一個(gè)諧波功率源，電動(dòng)汽車充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)及電網(wǎng)計(jì)量的影響備受關(guān)注。文獻(xiàn)[2]通過設(shè)計(jì)充電機(jī)仿真模型研究了三種不同類型充電機(jī)的諧波電流大小，結(jié)果表明不同類型的充電機(jī)對(duì)諧波的抑制作用各不相同，充電機(jī)投入的同時(shí)性對(duì)諧波電流也有影響，但沒有研究諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的影響。文獻(xiàn)[3]為能夠有效的解決電能計(jì)量的檢定及溯源等問題研究了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電站電能準(zhǔn)確計(jì)量的方法及裝置，研究成果具有良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果，但沒有考慮互感器等的測量誤差。文獻(xiàn)[4]首先對(duì)電動(dòng)汽車充電機(jī)進(jìn)行分類，分析了各類充電機(jī)產(chǎn)生的諧波特征，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中充電站的實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)充電站的配電變壓器安裝點(diǎn)、容量、充電站的監(jiān)測管理，諧波抑制等提出一些具體的建議。文獻(xiàn)[5]研究了影響電能表計(jì)量的因素，并在Matlab/Simulink環(huán)境下建立不同種類充電機(jī)的完整模型，對(duì)不同種類充電機(jī)在不同情況下對(duì)計(jì)量合理性和準(zhǔn)確性影響進(jìn)行分析。

針對(duì)電能計(jì)量，相關(guān)研究注重于諧波畸變下電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性和計(jì)量方式的改進(jìn)，往往忽略了電能計(jì)量裝置中與電能表配合使用的互感器所帶來的影響。文獻(xiàn)[6]在仿真諧振型和速飽和型兩種類型的CVT的頻率特性曲線基礎(chǔ)上，通過電能質(zhì)量擾動(dòng)裝置，分析了CVT的諧波測量誤差。文獻(xiàn)[7]對(duì)在直流分量和諧波條件下電流互感器的傳變特性做了系統(tǒng)和全面的分析，但因電壓畸變率較小，在分析諧波電能計(jì)量的過程中沒有考慮電壓互感器在非正弦下的傳變特性所帶來的影響。文獻(xiàn)[8]建立了考慮線路阻抗及配電變壓器在內(nèi)的完整充電機(jī)模型，分析了電動(dòng)汽車充電機(jī)對(duì)電能計(jì)量的影響，重點(diǎn)研究了充電機(jī)恒流大功率充電、脈沖充電對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響?？紤]了合理配置充電機(jī)充電功率，線路阻抗，諧波抑制裝置等確保計(jì)量的合理性，但未考慮對(duì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[9]提出了一種對(duì)普遍的電動(dòng)汽車充電對(duì)配電系統(tǒng)諧波電壓水平的影響的統(tǒng)計(jì)方法，該方法使用非線性負(fù)載電流的統(tǒng)計(jì)模型，以產(chǎn)生特定的諧波電壓水平的概率。通過電動(dòng)汽車集中產(chǎn)生的諧波電流的統(tǒng)計(jì)模型的不確定性和不斷變化的充電器開始時(shí)間和初始電池狀態(tài)的充電介紹了諧波的消除。

電力系統(tǒng)的電能計(jì)量裝置是由電壓互感器、電流互感器、電能表和計(jì)量的二次回路組成，每個(gè)組成單元雖在基波條件下的誤差能滿足其設(shè)計(jì)要求，但在諧波情況下，各部分的工作狀態(tài)將發(fā)生變化，導(dǎo)致計(jì)量誤差增加，從而使電能計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量誤差遞增。本文對(duì)電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的影響進(jìn)行了理論分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了電動(dòng)汽車充電模型、計(jì)量裝置仿真模型，以固定負(fù)載下的充電諧波對(duì)計(jì)量合理性和準(zhǔn)確性影響進(jìn)行分析。

2 電動(dòng)汽車充電機(jī)的諧波特性分析

采用了現(xiàn)代電力電子器件的電動(dòng)汽車充電機(jī)是高度非線性的用電設(shè)備，接入電網(wǎng)后會(huì)產(chǎn)生一定諧波污染，對(duì)電能計(jì)量造成影響[10-13]。

目前，主要使用和研究的電動(dòng)汽車充電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，三相橋式不控整流電路對(duì)三相電進(jìn)行整流，濾波后為高頻DC-DC功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經(jīng)過輸出濾波電路后，為動(dòng)力蓄電池充電。

圖1中的高頻功率變換器建模比較復(fù)雜，且計(jì)算量大，不利于觀察整個(gè)充電過程電流的變化情況，因此設(shè)想將其近似等效。相對(duì)于工頻周期（0.02s）來說，動(dòng)力蓄電池充電過程所需時(shí)間很長（4-6h），則在一個(gè)至幾個(gè)工頻周期內(nèi)，都可以認(rèn)為充電機(jī)的輸出電流I0和輸出電壓U0是恒定的直流，即高頻功率變換電路工作于恒功率狀態(tài)，當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，輸入電流必須相應(yīng)的降低，可以用一個(gè)非線性電阻RC來近似模擬高頻功率變換電路的等效輸入阻抗，非線性電阻RC可近似表示為：

從式（2-15）可以看出，交流側(cè)諧波次數(shù)主要為6k±1次的諧波。則以二極管三相橋式整流電路作為高頻充電機(jī)的前級(jí)輸入，交流側(cè)輸入電流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次諧波組成。

3 電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)電能計(jì)量影響的仿真分析

電動(dòng)汽車充電機(jī)接入電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生6k±1次諧波，將對(duì)充電站的計(jì)量系統(tǒng)造成一定的影響。為了得出這個(gè)影響量值，本文利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)該影響進(jìn)行仿真研究。利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，首先要在PSCAD圖形界面上選取元件庫中的適當(dāng)元件模塊搭建系統(tǒng)模型，并對(duì)照實(shí)際物理系統(tǒng)設(shè)置模型元件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)。在需要觀測變量處添加電表和輸出觀測點(diǎn)，以便于進(jìn)行仿真結(jié)果的查看、分析。檢查無誤并設(shè)置好仿真步長、時(shí)間等參數(shù)后即可執(zhí)行仿真分析。執(zhí)行仿真時(shí)，PSCAD首先調(diào)用軟件自帶的編譯器將PSCAD中的模型電路編譯為主FORTRAN程序，此時(shí)可視化的模型元件轉(zhuǎn)換為ENI TDC的子函數(shù)，并根據(jù)電路連接關(guān)系自動(dòng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號(hào)和參數(shù)傳遞，然后利用設(shè)定的FORTRAN編譯器通過調(diào)用ENITDC引擎庫文件生成最終的執(zhí)行文件。在仿真進(jìn)行過程中，用戶可以通過輸入輸出元件庫的控制元件自由調(diào)整參數(shù)值，以便觀察系統(tǒng)某些動(dòng)態(tài)情況下的響應(yīng)特性。

3.1 電能計(jì)量裝置仿真模型搭建

電能計(jì)量裝置包括各種類型的電能表、計(jì)量用電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）及其二次回路，電能計(jì)量柜（箱）等。我們對(duì)其進(jìn)行了仿真模型搭建。

3.1.1 電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)電能計(jì)量裝置的接線形式

依據(jù)管理規(guī)程，對(duì)于接入非中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的電能計(jì)量裝置，應(yīng)采用三相四線接法的有功、無功電能表；對(duì)于計(jì)量用電壓互感器，接入非中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的三臺(tái)電壓互感器，宜采用Y0/y0接線方式，互感器一次側(cè)的接地方式與系統(tǒng)的接地方式相同。牽引供電系統(tǒng)一般接入110kV或者220kV高壓系統(tǒng)，而我國的110kV及以上電壓等級(jí)的都是中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，因此電動(dòng)汽車充電系計(jì)量裝置宜采用三相四線接法的有功、無功電能表，計(jì)量用電壓互感器接法應(yīng)采用Y0/y0接線方式，電壓互感器一次側(cè)與系統(tǒng)接地方式一致，即直接接地。計(jì)量裝置的具體接線形式如圖3所示。同時(shí)，電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)電能計(jì)量裝置作為I類電能計(jì)量裝置來管理，其電壓互感器、電流互感器、有功電能表、無功電能表的精確度等級(jí)應(yīng)分別不低于0.2、0.2s、0.5s、2.0級(jí)。

3.1.2 電能表模型搭建

為分析充電諧波對(duì)時(shí)分割乘法器（TDM）計(jì)量誤差的影響，根據(jù)TDM工作原理，在PSCAD環(huán)境中建立如圖4所示的三角波電壓比較型TDM的仿真模型，通過仿真來分析TDM的諧波測量誤差。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

為了驗(yàn)證電子式電能表模型正確性，電能表仿真模型中，輸入有效值為1kV和1kA的基波電壓和電流信號(hào)（工頻50Hz），調(diào)制信號(hào)M幅值為2.8kV，頻率為10kHz的三角波。輸入信號(hào)理論有功功率為1W，仿真模型各部分的輸出波形如圖5所示。

圖5（f）顯示電能表輸出功率為1W，與理論值相符，可以驗(yàn)證電能表仿真模型的正確性。

3.1.3 電流互感器模型搭建

PSCAD中的CT模塊采用非線性時(shí)域等效電路模型，綜合考慮飽和、渦流和磁滯對(duì)CT的影響，該模型用幾個(gè)電路元件分別模擬造成CT非線性的因素。與實(shí)際情況比較接近PSCAD中的CT模塊如圖6，具體電路模型如圖7所示。

3.1.4 電壓互感器（PT）模型搭建

PSCAD元件庫中提供的CVT模塊及其具體模型如圖8，計(jì)量誤差仿真模型如圖9圖，該模型對(duì)中、高壓電容器，補(bǔ)償電抗器，中間變壓器，二次負(fù)載及阻尼器進(jìn)行了全面考慮。

CVT模型設(shè)置參數(shù)如表3所示。

3.2 電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)模型搭建

3.3 仿真分析

3.3.1 電動(dòng)汽車充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)諧波影響的仿真分析

本文建立的充電機(jī)模型包含配電變壓器以及10kV配電線路，而根據(jù)充電站電能計(jì)量裝置安裝方式，單臺(tái)充電機(jī)交流側(cè)電表表位于配電變壓器的低壓側(cè)，關(guān)口電能表安裝于變壓器的高壓側(cè)。本文的研究中，針對(duì)特定功率負(fù)載下單臺(tái)充電機(jī)的充電諧波對(duì)電網(wǎng)電壓波形的影響進(jìn)行研究。

測量圖11中a點(diǎn)電壓波形，并對(duì)其進(jìn)行FFT變換，得到各次諧波所占比例如圖12所示。

從圖12中可以看出，電動(dòng)汽車充電作用下，整流器交流側(cè)諧波次數(shù)主要為6k±1次的諧波，與前文分析結(jié)果一致。以二極管三相橋式整流電路作為高頻充電機(jī)的前級(jí)輸入，交流側(cè)輸入電流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次諧波組成，諧波電壓大小隨著諧波次數(shù)增加而減小。

3.3.2 電動(dòng)汽車充電機(jī)對(duì)計(jì)量裝置影響的仿真分析

充電機(jī)負(fù)載為恒流大功率充電模式下，輸出充電電流為10A，額定充電電壓為500V，輸出直流波形如圖13。

此時(shí)，利用FFT工具，仿真得到諧波對(duì)電流互感器、電壓互感器和最終的電能表計(jì)量的影響。

（1）電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)電流互感器的影響

諧波對(duì)電流互感器的影響的誤差值見表5。

從仿真結(jié)果可以看出，在電動(dòng)汽車充電諧波作用下，CT僅對(duì)1、3、5、7、9次諧波電流幅值有一定的測量誤差，誤差值都小于0.2%，滿足電流互感器精確度等級(jí)要求；但是對(duì)3-13次諧波的相位影響值最高確達(dá)到-277.8′。當(dāng)諧波次數(shù)小于14時(shí)，諧波電流相角測量誤差教導(dǎo)；當(dāng)諧波次數(shù)大于等于14時(shí)，諧波電流幅值和相角測量誤差均為0。

（2）電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)電能表的影響

諧波對(duì)電壓互感器的影響的誤差值見表6。

從仿真結(jié)果可以看出，在電動(dòng)汽車充電諧波的影響下，電壓互感器對(duì)3、5、7、9次諧波電壓幅值有一定的測量誤差，最大測量誤差為0.0948%，小于0.2%，滿足電壓互感器精確度要求；但是對(duì)3-31次諧波的相位影響值最高確達(dá)到-282.1′。

（3）電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)電能表的影響

本文將互感器二次測的電壓和電流信號(hào)輸入三角波電壓比較型TDM電能表，得到電動(dòng)汽車充電諧波作用下的電能，并與變壓器高壓測交流電壓、電流信號(hào)作用下的理論電能值相比較，得到充電諧波作用下的高壓計(jì)量裝置測量誤差，如表7所示。

實(shí)際的電能計(jì)量中，總的電能為基波與各次諧波電能的和，因此實(shí)際電能表的計(jì)量誤差應(yīng)該為基波和諧波的總電能的計(jì)量值與理論值之差，同時(shí)需要考慮基波和諧波潮流方向有可能相同，也可能相反。因此，電動(dòng)汽車充電諧波次數(shù)對(duì)電能計(jì)量裝置的影響可能與其對(duì)電網(wǎng)諧波所占比例有差異。從仿真結(jié)果可以看出，電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)計(jì)量裝置測量誤差的影響主要體現(xiàn)在2、4、6、8次諧波，而不是6k±1次諧波，推斷可能與諧波潮流方向有關(guān)。從表7可以看出，在諧波次數(shù)小于31時(shí)，電能幅值測量誤差均很小，最大幅值測量誤差為0.0806%，小于0.5%，滿足電能表精度要求；而最大相角測量誤差僅為6.281′。

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對(duì)日益發(fā)展的電動(dòng)汽車事業(yè)，針對(duì)充電站對(duì)電網(wǎng)影響以及對(duì)日常運(yùn)營時(shí)的電能計(jì)量準(zhǔn)確性、合理性問題研究的不足，本文對(duì)電動(dòng)汽車充電諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的影響進(jìn)行了理論分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了電動(dòng)汽車充電模型、計(jì)量裝置仿真模型，以固定負(fù)載下的充電諧波對(duì)計(jì)量合理性和準(zhǔn)確性影響進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

（1）電動(dòng)汽車充電主要以6k±1次諧波為主，諧波含量隨諧波次數(shù)增加而呈減少趨勢。

（2）在電網(wǎng)沒有背景諧波情況下，諧波電壓由充電機(jī)產(chǎn)生諧波電流在線路阻抗和變壓器漏抗上的壓降引起，產(chǎn)生諧波功率。充電諧波對(duì)CT、PT的影響主要體現(xiàn)在3、5、7、9次諧波上，而對(duì)整個(gè)電能計(jì)量裝置的影響主要體現(xiàn)在2、4、6、8次諧波上，推斷其差異可能與諧波潮流方向有關(guān)。

（3）電動(dòng)汽車充電諧波作用下，電流互感器、電壓互感器幅值測量誤差最大值分別為0.0125%和0.0948%，均小于0.2%，滿足互感器準(zhǔn)確度要求，但其相位測量誤差超差，且無明顯規(guī)律性。

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