電動汽車充電站對電力系統(tǒng)的影響

李紅

摘 要：目前，隨著電動汽車滲透率的不斷提高，不加管理的自由充放電給電網(wǎng)帶來了威脅。如變壓器過載、網(wǎng)損增加、諧波危害等，可以采用相應(yīng)的控制和調(diào)度策略來消除和抑制，本文重點闡述各次諧波對電力系統(tǒng)造成的危害。

關(guān)鍵字：諧波；電力系統(tǒng)；電壓頻率

傳統(tǒng)化石能源的大量使用造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，各國出臺相應(yīng)政策鼓勵使用無污染的新能源，電動車在我國內(nèi)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。純電動汽車由于自身不排放任何氣體，并且具有調(diào)峰填谷的特性，提高了能源的利用率，受到了高度的重視。純電動汽車近幾年在政府的政策鼓勵下推廣的非?？欤鞔笫∈卸枷鄳?yīng)推出了電動汽車推廣的鼓勵方案。電動汽車數(shù)量的暴增，隨之而來電動汽車充電就成為一個首要解決的關(guān)鍵問題，國家對此也出臺相關(guān)政策支持建設(shè)大量的充電站。充電站進(jìn)行充電會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波影響，與之而來的就是如何抑制諧波影響。

公用電網(wǎng)中通常會接入各種電力電子裝置等非線性負(fù)載，這些負(fù)載產(chǎn)生了周期性的非正弦波電量，將這些電量進(jìn)行傅里葉分析，可得到與其電網(wǎng)電壓頻率相同的基波分量、以及整數(shù)倍電網(wǎng)電壓頻率的分量，后者被稱為諧波。各次諧波會對電力系統(tǒng)造成一定的危害，這些主要表現(xiàn)在：

1.大量包含諧波的尖峰脈沖電流進(jìn)入市電，將污染市電電網(wǎng)，干擾接在電網(wǎng)上的其它電器設(shè)備的正常使用，例如影響晶閘管設(shè)備的穩(wěn)定運行。另外，諧波會加速電容器的絕緣老化和介質(zhì)損失，也容易使電網(wǎng)和用于補償電網(wǎng)無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，從而造成過電壓或過電流的現(xiàn)象，輕則使電容器絕緣老化、損壞電容器，重則可能發(fā)生爆炸，引起嚴(yán)重事故；

2.對鄰近并行的用電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，增大信號誤差和計算機誤碼率，直接影響系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性，嚴(yán)重時會導(dǎo)致無法正常工作。特別是諧波會對臨近的一些通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則會產(chǎn)生噪聲，從而使通信的質(zhì)量降低，重則可能會導(dǎo)致信息丟失，影響正常通信。而對電能計量的影響，由于傳統(tǒng)的測量表計都是以固定頻率50～60Hz為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的，對頻率的變化反應(yīng)不靈敏，但諧波電流會影響電能計量，增大計量的負(fù)誤差，當(dāng)電網(wǎng)中存在較多的5次諧波時，電能表負(fù)誤差為6%～8%，11次諧波時電能表負(fù)誤差在10%左右；

3.市電電網(wǎng)對電源采用三相四線制供電時，中線流過的3次諧波電流很大，極易使中線過熱，嚴(yán)重時會引起火災(zāi)，造成巨大危害，同時，中線和相線之間的電壓也在發(fā)生變化，這樣既增大了電力系統(tǒng)的電能損耗，也使整個系統(tǒng)存在安全隱患；

4.由于輸入的尖峰脈沖電流的有效值大，增大了交流供電的視在功率，增加了濾波器等前級設(shè)備的功率容量，迫使用戶必須選取更大的配電線截面積、以及保護(hù)裝置和濾波器容量，從而增加了設(shè)備成本，這將增加設(shè)備基建投資；

5.使電源輸入功率因數(shù)下降。如果電流總的諧波畸變率（THD）為80%～100%，則輸入功率因數(shù)將只有0.5～0.6；

6.增大了電力系統(tǒng)的功率損耗，易使電網(wǎng)中的一些元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，例如使電動機的附加損耗和發(fā)熱量增加，而過載能力、使用壽命和效率卻降低，也會導(dǎo)致脈動轉(zhuǎn)矩。除此之外，諧波還會降低發(fā)電、輸電環(huán)節(jié)和各用電設(shè)備的效率。若諧波電流流過三角形連接的配電變壓器，會在三角形內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動，可能會導(dǎo)致導(dǎo)線過熱，導(dǎo)致安全隱患；

7.由于存在諧波電流和諧波電壓，電力系統(tǒng)中過電流、過電壓和欠電壓等保護(hù)裝置可能會產(chǎn)生錯誤的報警、甚至跳閘；

8.諧波電流在輸電線路上的電壓降會使用戶端的電壓波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變，可能影響電氣設(shè)備的正常工作。

因此，為了限制入網(wǎng)的各種電力電子裝置的諧波含量及無功功率損耗、并保護(hù)公共電網(wǎng)不受諧波“污染”，自20世紀(jì)70年代開始，世界各國和有關(guān)國際組織相繼制訂了行業(yè)的諧波標(biāo)準(zhǔn)，禁止或限制諧波和無功污染大的電力電子設(shè)備投入使用。如1975年歐洲制定了EN50006標(biāo)準(zhǔn)，并在1982年由德國進(jìn)一步發(fā)展為IEC555-2標(biāo)準(zhǔn)，美國于1981年發(fā)表了IEEE519手冊，我國國家技術(shù)監(jiān)督局也在1994年頒布了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14549-93）。近年來，這些標(biāo)準(zhǔn)不斷被補充和修訂，對電力電子裝置的諧波和功率因數(shù)問題提出了越來越高的要求，限定日益嚴(yán)格，如歐洲制定的IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)等。1996年，國際電工委員會專門修訂了IEC555-2，以便對中小功率等級的直流高頻開關(guān)變換器諧波含量和功率因數(shù)等指標(biāo)嚴(yán)格加以限制，對其波形失真度作了具體的規(guī)定，例如，其中對于三相線電壓為380伏、功率在1KW以上的開關(guān)變換器，其交流輸入端的諧波電流限制為：5次諧波電流為1.14A，7次諧波電流為0.77A，11次諧波電流為0.33A，13次諧波電流為0.21A，對不滿足諧波和功率因數(shù)指標(biāo)的高頻開關(guān)變換器，將不允許進(jìn)入一些國家和地區(qū)。

國內(nèi)很多研究人員通過建模和仿真研究充電站對電網(wǎng)造成諧波污染的問題 [15-18，24-25] 。在 Matlab/Simulink 平臺上搭建充電機 （ 站 ） 的仿真模型，通過實測和理論驗證研究影響充電機 （ 站 ） 諧波大小的因素。文獻(xiàn) [18] 利用商用電動汽車充電機收集的數(shù)據(jù)對諧波電流進(jìn)行計算，再利用概率統(tǒng)計學(xué)大數(shù)定律和中心極限定理，建立多諧波源諧波分析數(shù)學(xué)模型，研究多個電動汽車充電機產(chǎn)生的諧波電流及其概率特性。產(chǎn)生諧波污染的原因，并指出諧波污染會使測量儀表不準(zhǔn)確、易損壞大容量電容器、使電力導(dǎo)線過熱以及使保護(hù)裝置誤報警等，該文同時提出使用新式充電設(shè)備，并在電力系統(tǒng)中使用濾波器，協(xié)調(diào)每個充電站充電器數(shù)量，解決諧波污染問題。

針對充電設(shè)備帶來的諧波污染等問題，可以總結(jié)出以下對策： 1 ）貫徹執(zhí)行與諧波相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，從總體上控制供電系統(tǒng)諧波水平。 2 ）增加換流裝置的相數(shù)，換流裝置是主要的諧波源之一，當(dāng)脈動數(shù)由 6 增加到 12 時，可以大大降低諧波電流有效值。 3 ）增裝無功補償裝置，提高系統(tǒng)承受諧波的能力。 4 ）加裝濾波裝置。對諧波污染可采用就地治理的辦法，在充電站 （ 機 ） 就地完成諧波治理工作，未來的充電站建設(shè)可能越來越多地應(yīng)用綠色充電機 （ 充電過程中能夠有效抑制諧波且功率因數(shù)較高的充電機 ） 治理諧波。武漢電動汽車示范運營公司建成的綠色充電系統(tǒng)采用集中充電方式，充電模塊主要由功率因素校正、直流轉(zhuǎn)直流 （DC/DC）2 大功能電路組成，該系統(tǒng)采用電流平均值控制法，采用較高功率因數(shù)的Boost 單相功率因數(shù)校正電路，使功率更大，使功率因數(shù)大于 0.92 ，使諧波畸變率小于 5% 。

目前，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)步入快速發(fā)展期，大量電動汽車的充電行為將給電網(wǎng)帶來較大影響，而電動汽車的儲能特性也將為電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運行提供新的機遇。電動汽車充電對電網(wǎng)的影響受電動汽車商業(yè)發(fā)展模式的影響巨大，當(dāng)前仍存在較大的不確定性；從負(fù)荷平衡的角度來看，電動汽車使用和充電的時間特性具有削峰填谷的功能，因此對輸電網(wǎng)影響不大，而電動汽車充電的群聚效應(yīng)對配網(wǎng)局部將產(chǎn)生較大的影響，這方面仍有待深入研究。

參考文獻(xiàn)

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