電動汽車充電站電能質(zhì)量采集與分析

趙凌霄，未倩倩，李 津

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)［1，2］。而供用電系統(tǒng)中存在發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等非線性或不對稱設(shè)備，負(fù)荷性質(zhì)復(fù)雜多變［3-5］，導(dǎo)致了電網(wǎng)運行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，從而產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。

隨著電動汽車的不斷普及與發(fā)展，充電樁與充電站的數(shù)量也與日俱增，引入了更多的大功率充電設(shè)備，大量集中的電動汽車充電可能引起電網(wǎng)電能波動，造成電能質(zhì)量問題，這不但影響公用電網(wǎng)的安全運行，還對各種電力用戶的用電過程造成直接與間接的危害［6，7］，同時，惡劣的電能質(zhì)量也會對電動汽車充電造成一定影響。本文通過采集國內(nèi)主要城市充電站電能質(zhì)量，總結(jié)分析存在的電能質(zhì)量問題，探討電能質(zhì)量對電動汽車充電過程的影響。

本次電能質(zhì)量的采集與分析，以電動汽車、充電樁總量多，地域分布廣為考慮因素，主要對東北地區(qū)、北京地區(qū)、上海地區(qū)、南方地區(qū)等四大地區(qū)中的9個城市：北京、長春、大連、天津、上海、常州、合肥、長沙、深圳進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)查與數(shù)據(jù)采集，具有一定代表性。

1 電能質(zhì)量采集分析

衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。電能質(zhì)量問題可以定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態(tài)過電壓、波形畸變 （諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。

中國從20世紀(jì)90年代初至今， 國家技術(shù)監(jiān)督局先后組織制定并頒布了6項電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，對電能質(zhì)量的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化要求，詳見表1。

表1 電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)

這些標(biāo)準(zhǔn)是中國公用電網(wǎng)正常運行應(yīng)滿足的條件，給電能質(zhì)量治理工作提供了參考與依據(jù)，也為電能質(zhì)量調(diào)查采集數(shù)據(jù)提供了標(biāo)準(zhǔn)支撐。

電能質(zhì)量測試方法如下。

基于現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)對電能質(zhì)量的要求，以及對產(chǎn)品抗干擾性的要求，主要采集研究網(wǎng)側(cè)電壓、頻率、電流等。此外，對單個充電樁的控制導(dǎo)引信號［8］（以下簡稱CP信號）進(jìn)行了數(shù)據(jù)采樣。

測試原理圖如圖1所示。其中，V1、I1為充電回路電壓電流，V2、I2為漏電壓與漏電流值，V3為檢測點1的電壓值，V4是檢測點2的電壓值。

圖1 電能質(zhì)量測試原理圖

依據(jù)圖1，搭建電能質(zhì)量采集分析平臺如圖2所示，供電端由交流充電樁輸入，經(jīng)模擬充電連接回路，使充電樁能夠識別車輛，建立通信，正常輸出，在輸出側(cè)接800 W電阻負(fù)載，構(gòu)成測試回路，用CPL波形測量儀來測量充電樁CP信號，電源波形測量儀來測量分析電能質(zhì)量。

圖2 電能質(zhì)量采集分析平臺示意圖

電能質(zhì)量現(xiàn)場測試照片如圖3所示，通過采集分析平臺，能夠在充電過程中實時監(jiān)控電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，并采集記錄充電過程中的電能質(zhì)量問題。

圖3 電能質(zhì)量采集分析平臺

2 電能質(zhì)量調(diào)研結(jié)果分析

在選定的9個測試城市中，分別依據(jù)工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、生活區(qū)來進(jìn)行分類，采集不同區(qū)域的電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，覆蓋多種工況下的電能質(zhì)量情況。通過對采集數(shù)據(jù)的分析研究，電能質(zhì)量問題主要存在供電電壓有效值超限、供電電壓波形畸變率超限、供電電壓暫降和供電電壓短時中斷等，以下是其中各典型電能質(zhì)量問題分析。

2.1 供電電壓有效值超限

如圖4所示，多個充電站存在供電電壓超限的問題。圖4a所示充電站電壓有效值始終超出標(biāo)準(zhǔn)要求，保持在237 V以上；圖4b所示充電站供電電壓緩慢上升，并最終上升至236 V以上；圖4c所示充電站在充電樁啟動時，供電電壓存在驟變工況。

圖4 供電電壓有效值超限分析圖

2.2 供電電壓諧波畸變率超限

圖5所示，大連某充電站供電電壓諧波畸變率在5.7%～6.9%，相應(yīng)的電流諧波畸變率在5.8%～7%，超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。

圖5 供電電壓諧波超限分析圖

2.3 供電電壓暫降

圖6所示，在充電過程中，供電電壓幅值突然下降至60 V，造成供電頻率在49～51 Hz之間瞬間變化，并且引起電壓諧波含量激增，諧波總畸變率數(shù)倍增加，如圖7所示。

圖6 供電電壓暫降分析圖

圖7 供電電壓諧波含量突增分析圖

2.4 供電電壓中斷

圖8所示某充電站，在充電過程中，供電電壓突然中斷，而后又重新啟動，導(dǎo)致充電過程中斷，諧波畸變率增加。

圖8 供電電壓中斷分析圖

2.5 CP信號波形

在各充電站電能質(zhì)量測試過程中，發(fā)現(xiàn)充電樁CP信號也存在不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的情況，可能與電能質(zhì)量情況相關(guān)，如圖9所示的CP波形中，CP信號無負(fù)電壓或上升下降時間過長等，均有可能造成無法充電或充電中斷等問題。

圖9 CP信號波形

3 結(jié)論

通過對9個城市電能質(zhì)量的調(diào)研，以及對典型數(shù)據(jù)與波形的分析，反映了存在的電能質(zhì)量問題，這些電能質(zhì)量問題均有可能對電動汽車充電過程造成一定影響，現(xiàn)簡要分析如下。

1）供電電壓有效值超限，可能導(dǎo)致充電設(shè)備誤動作，出現(xiàn)過壓保護(hù)，終止充電，嚴(yán)重時可能損壞充電設(shè)備。

2）供電電壓諧波畸變率超限會導(dǎo)致充電系統(tǒng)功率因數(shù)降低，降低電網(wǎng)電能使用率；此外，可能降低充電效率，并增加連接器熱損耗，帶來安全隱患；電壓諧波還會引起充電樁CP信號出現(xiàn)電壓波動，甚至超出標(biāo)準(zhǔn)限值，導(dǎo)致車輛無法充電。

3）供電電壓暫降、中斷可能引起電動汽車充電部件，如車載充電機(jī)等，判斷過壓或欠壓保護(hù)，導(dǎo)致誤動作，繼而終止充電，將導(dǎo)致充電過程中斷，并且會對其他的設(shè)備如控制器、繼電器、接觸器等敏感器件造成損害。

下一步，將會基于采集分析得出的電能質(zhì)量問題，在實驗室進(jìn)行模擬再現(xiàn)，進(jìn)一步研究分析電能質(zhì)量問題對電動汽車充電造成的影響。