電動汽車充電對電網(wǎng)的諧波影響研究

趙麗平， 鄭強(qiáng)， 劉明杰

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引 言

隨著化石能源的過度消耗以及全球性環(huán)境問題的不斷加劇，新能源汽車以其節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢逐漸受到消費(fèi)者親睞，各國政府、汽車廠商、科研機(jī)構(gòu)紛紛向電動汽車領(lǐng)域投入資金和人才，積極推動電動汽車開發(fā)及推廣應(yīng)用，搶占科技發(fā)展的制高點(diǎn)。電動汽車不僅可以從電網(wǎng)中獲取電能，而且可以向電網(wǎng)反饋能量。隨著電動汽車市場占有率的不斷提高，加之其充電行為的隨機(jī)性，充電過程對電網(wǎng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量影響受到關(guān)注，諧波影響已經(jīng)成為不可忽略的問題。目前，電動汽車-電網(wǎng)互動技術(shù)(Vehicle to Grid，V2G)已經(jīng)成為炙手可熱的研究內(nèi)容，V2G技術(shù)是電動汽車在受控狀態(tài)下與電網(wǎng)信息和能量雙向互動的新型技術(shù)。

對于V2G的研究也出現(xiàn)了豐碩的成果，文獻(xiàn)[1-3]主要從V2G模式下能量交互和電站運(yùn)行方式等角度概述電動汽車與電網(wǎng)之間的相互影響及研究現(xiàn)狀；文獻(xiàn)[4-5]主要通過對充電樁和充電站的建模仿真研究諧波大小及變化情況，以及諧波工程計(jì)算方法和諧波抑制技術(shù)；文獻(xiàn)[6]通過分析電站實(shí)測數(shù)據(jù)衡量電站對電網(wǎng)的諧波影響；文獻(xiàn)[7]通過建立配電網(wǎng)諧波模型及輸電線路諧波阻抗模型，研究配電網(wǎng)絡(luò)對諧波電流放大作用的公式計(jì)算，以及對節(jié)點(diǎn)電流和電壓影響；文獻(xiàn)[8-9]分析了V2G模式下電動汽車對電網(wǎng)削峰填谷以及電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的作用，電動汽車規(guī)?；l(fā)展對電網(wǎng)功率平衡、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、配網(wǎng)規(guī)劃的影響；文獻(xiàn)[10-11]分析了負(fù)荷接入對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗及電壓水平的影響。

電動汽車接入電網(wǎng)的影響程度跟電動汽車的普及程度有密切的關(guān)系，在過往研究中較少提及不同滲透率指標(biāo)情況下電網(wǎng)諧波特性指標(biāo)的變化情況，本文以此為切入點(diǎn)，首先介紹電動汽車充電站概況，充電樁的種類，建立充電樁簡化數(shù)學(xué)模型，搭建電動汽車充電樁及充電站的仿真模型，分析不同類型充電樁不同功率情況下對0.4 kV側(cè)電網(wǎng)諧波影響情況，以及在不同電動汽車滲透率情況下電動汽車充電站對10 kV側(cè)電網(wǎng)諧波影響情況，通過對仿真結(jié)果的分析，給出電動汽車充電樁及充電站設(shè)計(jì)中的一些建議。

1 充電樁的類型及簡化數(shù)學(xué)模型

1.1 充電樁的類型

當(dāng)前，電動汽車獲取電能主要有三種方式：直流充電樁、交流充電樁、電池組更換。直流充電樁采用大功率方式給蓄電池組補(bǔ)充電能，所需充電時間短，但影響電池使用壽命；交流充電樁為車載充電機(jī)提供交流電源，經(jīng)過車載充電機(jī)給動力電池組補(bǔ)充電能，所需充電時間長，充電過程對蓄電池基本無損傷；更換電池組即使用電池組快速更換設(shè)備將電動汽車的乏電電池組進(jìn)行更換。無論是采用何種電能獲取方式都必須經(jīng)過整流環(huán)節(jié)，僅僅是整流環(huán)節(jié)存在于車載充電機(jī)、直流充電樁、地面充電機(jī)的位置不同而已，在本文的研究中，主要以直流充電樁為研究對象。

充電樁的工作原理可以簡化為：輸入側(cè)從380 V三相交流電網(wǎng)獲取電能，經(jīng)過內(nèi)部整流裝置變換為直流電能，再由直流變換器變?yōu)殡妷汉碗娏骺烧{(diào)的直流電，最后濾波輸出為動力電池組充電。

直流充電樁依據(jù)采用的整流方式不同可以分為不控整流、可控整流、12脈波整流，在對幾種充電樁的諧波特性進(jìn)行分析之前，對這幾種充電樁簡化數(shù)學(xué)模型。

1.2 充電樁簡化數(shù)學(xué)模型

1.2.1不控整流充電樁

不控整流是最簡單的一種整流形式，采用不控型器件構(gòu)成整流電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前應(yīng)用中的充電樁多為三相充電樁，可用下列公式表示不控整流充電樁的簡化模型：

(1)

式中Ud為直流側(cè)輸出電壓平均值，U2為網(wǎng)側(cè)輸入相電壓有效值，ω為工頻角速度。

1.2.2可控整流充電樁

可控整流采用可控型電力電子器件構(gòu)成整流電路，通過控制開關(guān)器件導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)直流側(cè)的輸出，三相橋式全控整流電路是一種在廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的整流形式，可以簡化為兩組三相半波整流電路經(jīng)互差180°換相串聯(lián)而成，其簡化數(shù)學(xué)模型可由下式表示：

α≤60°

(2)

α>60°

(3)

式中α為控制角。

1.2.312脈波整流充電樁

在整流電路中，增加輸出電壓脈波數(shù)，能有效地提高整流裝置能量轉(zhuǎn)換效率，降低輸出電壓波形的脈動，同時也能有效地降低整流裝置交直流側(cè)的諧波含量。在本文中，運(yùn)用多重化結(jié)構(gòu)，將兩個三相橋式整流電路串聯(lián)組成12脈波整流電路，使得兩個整流橋輸出電壓相位相差30°，其數(shù)學(xué)形式與橋式整流類似，此處不再贅述。

2 單臺充電樁建模與諧波分析

在諧波分析中，通常選取某一節(jié)點(diǎn)作為測量對象，對于相同的諧波源干擾，不同節(jié)點(diǎn)之間的諧波特性存在很大的差異，以n次諧波為例，某節(jié)點(diǎn)的特性主要取決于節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納，一般來說距離諧波源越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)所受到的諧波影響越小。在對單臺充電樁諧波特性分析時，選擇充電樁的三相電網(wǎng)接入點(diǎn)作為研究對象，分析該節(jié)點(diǎn)因諧波源的引入而造成的諧波特性指標(biāo)，電壓的諧波含有率及總諧波畸變率是衡量電壓諧波水平的重要指標(biāo)，在本文研究中，選取節(jié)點(diǎn)電壓各次諧波含有率和總諧波畸變率作為分析指標(biāo)。

本文選擇在MATLAB/Simulink平臺下搭建，不控整流、可控整流、12脈波整流電路的仿真模型，在輸出直流側(cè)用電阻負(fù)載模擬電動汽車的充電過程，在充電功率從10 kW～200 kW范圍內(nèi)變化時，三種類型充電樁在380 V交流輸入側(cè)引起的相電壓諧波畸變情況，所得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 10～200 kW功率下三種類型充電樁380 V輸入側(cè)相電壓諧波畸變率變化情況

從圖中得出的結(jié)論如下：(1)不控整流和可控控整流兩種類型充電樁電壓總諧波畸變差別很?。?2)在此功率范圍內(nèi)，各種類型充電樁輸入側(cè)相電壓總諧波畸變率均未超過5%的國標(biāo)限值；(3)相同功率情況下12脈波整流類型的充電樁引起的相電壓總諧波畸變明顯小于其他兩種類型；(4)隨著功率的增加，三種類型充電樁引起的相電壓總諧波畸變呈增長的趨勢，但增長率下降。

3 充電站系統(tǒng)建模仿真與諧波分析

在系統(tǒng)仿真模型建立的過程中，以配電網(wǎng)中某條10 kV分支線路為研究對象，擬定只包含常規(guī)居民用電負(fù)荷和電動汽車充電負(fù)荷兩種類型，對充電站配電專用變壓器接入10 kV節(jié)點(diǎn)的諧波特性進(jìn)行仿真研究，考慮電動汽車在不同滲透率情況下諧波電壓的總諧波畸變率指標(biāo)。根據(jù)《城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》中的描述，采用開關(guān)站進(jìn)行分接負(fù)荷，主接線應(yīng)可靠簡單，通常采用單母線或單母線分段方式，4～6路出線形式，可供容量不宜超過40 MVA，因此選擇10 kV分支線路的容量為8 MVA。

根據(jù)電動汽車采用的發(fā)動機(jī)的類型不同，可以分為插電式混合動力電動汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV)，而對于純電動汽車，根據(jù)其技術(shù)特性的不同細(xì)分為多種，本文主要考慮比較有代表性的四種[12-13]：(1)L7e，城市用小型車輛；(2)M1，4座客車；(3)N1，最大載重量小于3.5噸的貨車；(4)N2，最大載重量3.5～12噸的商用車。其電池容量見如表1所示。

表1

考慮到電動汽車種類繁多，電池容量大小各異，充電功率不盡相同，在進(jìn)行電動汽車滲透率計(jì)算上難度較大，本文采用較理想化的情況，選擇電動汽車電池容量為20 kWh，充電功率為10 kW，電池充滿電續(xù)航里程200 km，平均每日行使時間1.5 h進(jìn)行研究，每日可充電時間10 h，充電功率恒定為前提條件。

電動汽車滲透率是衡量電動汽車普及程度的重要指標(biāo)，目前尚沒有普遍認(rèn)可的定義，參照風(fēng)電滲透率的概念，選取電動汽車總功率與局部電網(wǎng)的總功率作為電動汽車滲透率的考量指標(biāo)。在進(jìn)行仿真分析時，將普通負(fù)荷與電動汽車分開考慮其同時系數(shù)，普通負(fù)荷同時系數(shù)取0.5，功率因數(shù)0.9，而電動汽車充電同時系數(shù)按下式4進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中

W—電動汽車電池容量(kW·h)

P—充電樁充電功率(kW)

η—充電樁工作效率

L—電動汽車?yán)m(xù)航里程(km)

V—電動汽車平均運(yùn)行時速(km/h)

T0—電動汽車平均每日行駛時長(h)

T—充電站每日可供充電時長(h)

電動汽車滲透率計(jì)算公式如式5所示:

(5)

式中P1—普通負(fù)荷總功率；P2—電動汽車負(fù)荷總功率。

P1，P2兩者之和即為局部電網(wǎng)總功率，乘以各自同時系數(shù)即為系統(tǒng)某時刻投入運(yùn)行的功率部分。

通過對電動汽車滲透率5%～80%情況下三種類型充電樁組成的充電站進(jìn)行建模和仿真分析，得到充電站配電變壓器10 kV電源接入點(diǎn)相電壓的總諧波畸變情況如圖2所示。

圖2 5%～80%滲透率情況下三種充電站10 kV接入點(diǎn)相電壓總諧波畸變

從圖中可以得出如下結(jié)論：(1)三種不同類型充電樁的充電站配變10 kV側(cè)電壓總諧波畸變率隨滲透率增加而增加，增長率變大；(2)12脈波整流充電樁的充電站配變10 kV側(cè)電壓總諧波畸變率明顯小于其他兩種類型；(3)不控和可控整流的電壓總諧波畸變相差很小，電壓總諧波曲線近似重合；(4)電動汽車滲透率約為65%時，不控和可控整流兩種類型充電站配變10 kV側(cè)電壓總諧波畸變率超過國標(biāo)限值。

為了分析配變10 kV接入點(diǎn)相電壓諧波含有率情況，在電動汽車滲透率為65%時，對相電壓進(jìn)行傅里葉分析，得到可控整流和12脈波整流兩種情況下的諧波含有率圖形如圖3、圖4所示。

圖3 可控整流充電站10 kV接入點(diǎn)相電壓諧波分布

圖4 12脈波整流充電站10 kV接入點(diǎn)相電壓諧波分布

可控整流情況下，相電壓主要含有6k±1次諧波，5次諧波2.11%，7次諧波2.45%，11次諧波2.31%，13次諧波0.91%均未超過國標(biāo)中的關(guān)于10 kV公用電網(wǎng)奇次諧波含有率限值要求。

12脈波整流情況下，相電壓主要含有12k±1次諧波，11次諧波1.46%，13次諧波0.69%，23次諧波0.12%，25次諧波0.08%均未超過國標(biāo)中的關(guān)于10 kV公用電網(wǎng)奇次諧波含有率限值要求。

參照《GB/T 14549 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中諧波電壓限值規(guī)定，公共電網(wǎng)諧波(相電壓)如表2所示。

表2 公共電網(wǎng)諧波(相電壓)

4 結(jié)束語

電動汽車充電站是電動汽車能否普及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其建設(shè)是否科學(xué)規(guī)范意義重大，電能質(zhì)量問題的控制影響著公用電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，通過本文的仿真分析，對于電動汽車充電站建設(shè)提出以下小建議：

(1)改善整流裝置結(jié)構(gòu)以降低產(chǎn)生的諧波水平，例如采用12脈波整流或PWM整流；

(2)可以通過在充電樁內(nèi)部加裝諧波隔離裝置的方式來減小諧波影響；

(3)通過在充電站內(nèi)采用有源或無源濾波技術(shù)降低對站外電網(wǎng)諧波影響。

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