舟山城區(qū)電動汽車充電站對配網(wǎng)的影響及改善方案研究

胡家寧 陳淡峰

摘? 要：電動汽車以電能作為主要動力源，具有污染小，噪聲低等優(yōu)勢，其在舟山正處于快速發(fā)展階段，與之對應(yīng)的是舟山城區(qū)充電站的大規(guī)模建設(shè)。由于電動汽車充電設(shè)施中存在大量的電力電子設(shè)備且這些設(shè)備大多是非線性、沖擊性的，使得電動汽車在充電過程中諧波含量大幅上升，這對直接與其相連接的城區(qū)配電網(wǎng)運行產(chǎn)生很大影響，電力事故發(fā)生的概率也會因為電能質(zhì)量的降低而大大提高。本文以電動汽車充電站電流諧波畸變率為指標(biāo)，在MATLAB/SIMULINK中建立集PWM整流技術(shù)和DC-DC變換器技術(shù)等于一體的新型電動汽車充電機模型，通過其和傳統(tǒng)充電機模型的仿真結(jié)果對比，驗證了該充電機的運行能明顯減少對城區(qū)配網(wǎng)的影響，為舟山接下來的電動汽車充電站規(guī)劃建設(shè)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車充電設(shè)施? 電力電子設(shè)備? 電能質(zhì)量? 諧波畸變率

0? 引言

隨著電動汽車充電技術(shù)的飛速發(fā)展和舟山市政府的大力推廣，電動汽車充電設(shè)施已在島城遍地開花。截至目前，舟山已有電動汽車公用充電點108處，共計公用充電樁664個。2018年，國網(wǎng)舟山供電公司計劃將在岑港、長峙、鹽倉等地建設(shè)5個公共充電站，30余個充電樁。同時，在定海東門車站、東港公交總站、新城公交總站、東港 BRT 站等 7 個站點，建設(shè)純電動公交車充電站，進(jìn)一步完善舟山電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)。國網(wǎng)舟山供電公司相關(guān)人士當(dāng)即表示，建設(shè)電動汽車充電樁，是電動汽車發(fā)展的前提條件。希望通過在公共領(lǐng)域率先示范，加快舟山電動汽車的發(fā)展步伐。圖1為已建成投入使用的定海區(qū)海洋學(xué)院充電站。

然而，電動汽車充電站內(nèi)包含大量電力電子器件，比如整流器，直流變換器等。這些電力電子器件的廣泛使用在保證為用戶高效靈活充電的同時，也給城區(qū)配網(wǎng)帶來了大量非線性的沖擊性的諧波分量，由此產(chǎn)生的配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降問題不容忽視。

舟山作為海島地區(qū)，城區(qū)配網(wǎng)運行水平和供電能力與大陸城市相比較為薄弱，電動汽車充電站給舟山城區(qū)配網(wǎng)帶來的諧波危害主要體現(xiàn)在電力危害和信號干擾兩個方面：

在電力危害方面，旋轉(zhuǎn)電機等會因諧波含量的增加導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，降低使用壽命。諧波還會產(chǎn)生諧振過電壓，造成電氣元件及設(shè)備的故障與損壞。使電能的計量難度加大，錯誤率增加。

在信號干擾方面，諧波對通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使通信的質(zhì)量下降;對傳感器的干擾使控制系統(tǒng)和保護(hù)裝置失效，造成大面積危害。使功率處理器自身運行有所偏差。舟山供電公司目前大力發(fā)展的配網(wǎng)自動化技術(shù)相當(dāng)依賴通訊信號及自動化技術(shù)，所以諧波對信號干擾產(chǎn)生的危害不亞于直接的電力危害。

由大量電力電子裝置構(gòu)成的電動汽車充電站作為電動汽車能源補給的重要環(huán)節(jié)，其大功率充電勢必會使電網(wǎng)電能質(zhì)量降低，特別是適用于為公交大巴車充電的快充站，大多為為直流充電機，充電時功率較大，所造成的影響也會更大。目前，對電動汽車接入配電網(wǎng)對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究仍然有限，對改善電能質(zhì)量的方法仍有研究空間與價值。本文重點對電動

汽車充電站接入配電網(wǎng)對配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響中的諧波污染進(jìn)行研究，并通過使用不同的措施抑制諧波污染。

定海區(qū)新東門車站即將落成，且已規(guī)劃建設(shè)電動汽車充電站為公交巴士充電，該地區(qū)為定海城區(qū)核心地段和交通樞紐，電動汽車充電站的穩(wěn)定運營極為重要。本文的結(jié)果可為該充電站的設(shè)計和建設(shè)提供理論與實踐的支持，對舟山電動汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步發(fā)展及配電網(wǎng)保護(hù)提供幫助。

1 舟山城區(qū)電動汽車充電站建模仿真

1.1 傳統(tǒng)電動汽車充電站原理

電動汽車充電站具有大功率、非線性的特點。作為非線性負(fù)載接入電網(wǎng)時，其充電產(chǎn)生的諧波會對電網(wǎng)造成一定影響，同時對電網(wǎng)中其他用電設(shè)備也會產(chǎn)生一定的損傷。因此，通過仿真建模對其進(jìn)行深度研究，是提高充電機性能，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要方法。

傳統(tǒng)電動汽車充電站由工頻變壓器、三相不可控整流和高頻變壓器隔DC-DC變換器等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。通過不可控整流電路將電網(wǎng)的交流電整流為直流電，再經(jīng) RLC 濾波器濾波，將穩(wěn)定的直流電送到DC-DC 功率變換器電路，功率變換器變換電壓使其達(dá)到動力電池的需求，再通過二次濾波，輸出較為平穩(wěn)的直流電壓。

三相不可控整流電路是基本的整流電路之一，其電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時，輸出直流電壓等于交流電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負(fù)載放電，du按指數(shù)規(guī)律下降。

1.2 雙向DC-DC變換器建模

雙向DC-DC 變換器拓?fù)涞难芯勘姸啵攸c鮮明。在單向DC-DC變換器中開關(guān)管和二極管兩端分別反向并聯(lián)二極管和開關(guān)管便構(gòu)成了雙向DC-DC變換器，根據(jù)輸入端和輸出端之間是否存在電氣隔離，分為隔離型和非隔離型兩類。

隔離型雙向直流變換器結(jié)構(gòu)中加入了高頻變壓器來實現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的隔離，如圖4所示。

常見的隔離型變換器有圖5中的幾種。隔離型雙向反激式變換器的拓?fù)浜唵吻页杀据^低，適用于小功率場合;隔離型雙向半橋變換器用到的開關(guān)器件較少，控制容易，但是單個開關(guān)管需要承受較大的電流應(yīng)力，常用于中功率高壓場合;隔離型雙向全橋變換器的開關(guān)器件較多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本增加，一般用在大功率高壓場合比如電動汽車充放電系統(tǒng)、航空電源、不間斷電源（UPS）等。本文選用雙向全橋變換器。

變壓器的加入以及開關(guān)元器件種類和數(shù)量的增加，導(dǎo)致雙向全橋變換器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，控制方式比較復(fù)雜，為便于仿真，考慮對該變換器建立小信號模型。在小信號模型建立前，先配置變換器開關(guān)管的頻率、儲能電感的電感值。

絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）開關(guān)速度很快、輸入阻抗較高、熱穩(wěn)定性好、所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單、通流能力很強、具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因此選擇IGBT作為雙向全橋變換器的開關(guān)管器件。綜合考慮開關(guān)損耗、工作效率、元件的體積和重量、散熱、變換器工作噪聲等因素的影響將其開關(guān)頻率選為20kHz。

儲能電感起著傳遞功率和高頻濾波的重要作用，電感值的大小必須兼顧電路在Buck和Boost模式下的充放電要求，使電感電流處于連續(xù)狀態(tài)，保證輸出電流紋波在合適范圍內(nèi)并使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度。

Boost和Buck模式下，根據(jù)電感電流連續(xù)的條件，分別計算電感的臨界值為：

其中，和分別為電動汽車電池充電額定電壓和配網(wǎng)經(jīng)整流器整流后輸出的電壓，，;和分別是功率開關(guān)管S1和S2的占空比，，;為開關(guān)頻率，;是連續(xù)負(fù)載電流的臨界值，變換器功率為30kW，因此額定電流為150A，在保證10%最大輸出直流電流的情況下，取。分別對Boost和Buck模式下的電感值進(jìn)行計算，取其中較大的值，結(jié)合電路的實際需求，電感值設(shè)為。

電感電流在此模式下是連續(xù)的，建模分析時超級電容和母線側(cè)負(fù)載分別被等效為電壓源和純阻性負(fù)載，開關(guān)管S2的占空比為，內(nèi)的兩個工作階段的等效電路如圖6所示。

用同樣的方法對Buck模式進(jìn)行建模，分別就兩種模式的補償器設(shè)計進(jìn)行建模，并對變換器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制。并對參考功率值進(jìn)行調(diào)制，最終得到圖8的雙向全橋變換器仿真模型。

1.3 充電站配電系統(tǒng)配置

規(guī)劃中的舟山定海區(qū)東門車站公交大巴車充電站是為島城電動公交車及大巴車提供電能的專用充電站，該充電站適用于公交大巴、企業(yè)班車、旅游班車及通勤車等。該類場合充電特點為夜間集中充電，白天根據(jù)運行需求可進(jìn)行快充補電，其充電機的配置為大功率快速充電機。

配電系統(tǒng)的電源選用三相電源提供 10kV 電壓，直流大型電動汽車充電站由于其充電功率大，充電負(fù)荷多，需選用容量較大的大型配電變壓器，變壓器的變比為 10/0.38kV，采用 Dyn11 的接線方式，因諧波源產(chǎn)生的 3n（n 是正整數(shù)）次諧波激磁電流在接線繞組內(nèi)形成環(huán)流，可使諧波無法注入公共電網(wǎng)。充電站內(nèi)直流充電機均為三相充電機，交流充電機配置滿足電網(wǎng)的三相平衡。因此，只考慮 a 相電流和 a 相電壓的諧波與電壓的變化，進(jìn)行仿真分析，b 相和 c 相的結(jié)論與 a 相相同。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司《電動汽車充電設(shè)施典型設(shè)計》標(biāo)準(zhǔn)的要求，大型充電站進(jìn)線電源為 10kV，并采用單母線接線方式。圖9是為東門電動汽車充電站供電的定海東門開關(guān)站配網(wǎng)接線聯(lián)絡(luò)圖。

東門口開關(guān)站IG10開關(guān)柜出線連接?xùn)|門交通綜合體公變，經(jīng)降壓至400V后為充電站供電。大型充電站 0.4kV 側(cè)采用的接線方式為：單母線分段接線，并設(shè)有進(jìn)出線柜、以及有源濾波無功補償柜，兩段母線之間通過分?jǐn)嗦?lián)絡(luò)柜聯(lián)系。

2 傳統(tǒng)充電站對配電網(wǎng)的影響

2.1? 充電站引起的諧波問題分析

包含大量電力電子器件的電動汽車充電站作為城區(qū)配網(wǎng)與電動汽車之間的橋梁，其非線性在實現(xiàn)該器件進(jìn)行功率的控制時，其產(chǎn)生的諧波電流會對配網(wǎng)產(chǎn)生影響。假設(shè)配網(wǎng)供電側(cè)僅包含基波電壓，當(dāng)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的電流經(jīng)過系統(tǒng)阻抗時，會導(dǎo)致各次諧波電壓降，因此，電壓的畸變在負(fù)荷母線上同樣存在。而電壓的畸變率有系統(tǒng)阻抗和諧波電流的大小共同決定。為便于分析，只考慮諧波電流對配網(wǎng)的影響。

2.2? 諧波畸變率的概念

在頻域分析中，將畸變的周期性電流分解成傅里葉級數(shù)：

其中，為工頻的角頻率，單位為rad/s。h 為諧波次數(shù);Ih為第h次諧波電流的均方根值。為第h次諧波電流的初相角。M為所考慮的諧波最高次數(shù)，由波形的畸變程度和分析的準(zhǔn)確度要求來決定，通常取M50。

諧波的均方根值與基波均方根值的百分比可以表示某次諧波分量的大小，其百分比被稱之為該次諧波的含有率HRh ，h 次諧波電流的含有率HRIh 為：

畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度，以總諧波畸變率THD表示。它等于各次諧波均方根值的平方和的平方根值與基波均方根值的百分比。電流總諧波畸變率THDI 為

2.3 普通充電站造成的配網(wǎng)諧波畸變率

充電站充電機類型為傳統(tǒng)的不可控整流充電機，對該充電站的仿真分析如下所示。結(jié)合定海區(qū)新東門車站電動汽車充電站的規(guī)劃方案，在仿真模型中設(shè)置公交大巴車充電站配置直流充電機的個數(shù)為 30 個，每個直流充電機的充電功率為40k W，充電機輸出最大電壓 400V，輸出最大電流 100A。考慮車站辦公及照明用電量為 100k W，且變壓器容量的選取考慮留有裕量，單臺變壓器的容量可取為 1600k VA。對該模型的仿真分析如圖10所示。

從圖10可以看出：傳統(tǒng)充電站運行時產(chǎn)生的諧波影響較大。電流總諧波畸變率THDI=65.53%。通過分析，5 次諧波電流的含有率HRI5 =32.38%，7次諧波電流的含有率HRI7=16.19%，對配電網(wǎng)的影響較大，會嚴(yán)重干擾到配電網(wǎng)的正常運行。

3 解決方案

3.1 PWM整流技術(shù)基本原理

通過上述仿真可以看出，傳統(tǒng)電動汽車充電站采用的不可控整流器導(dǎo)致交流側(cè)電流諧波畸變率過高，對配網(wǎng)穩(wěn)定性造成了很大影響。為了有效抑制諧波，考慮采用新型電動汽車充電站，它由由三相PWM整流器和高頻變壓器隔離DC-DC 變換器等組成。

PWM整流器是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，具有雙向的功率流動、低畸變率且正弦化的輸入電流、單位或可調(diào)的功率因數(shù)、可調(diào)的直流電壓等特點。而在不同種類的 PWM整流器中，電壓源型整流器（VSR）的使用最為普遍，VSR其具有結(jié)構(gòu)簡單，損耗低，控制方便等優(yōu)勢。

三相 VSR 的主電路拓?fù)淙鐖D11所示。其中，ea、eb、ec分別為配網(wǎng)側(cè)的三相交流電壓;ia、ib、ic分別為配網(wǎng)側(cè)的三相電流;C為直流側(cè)電容，Vdc為直流側(cè)電容電壓。VSR的—般數(shù)學(xué)模型是根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c） 下完成的，一般數(shù)學(xué)模型可用下式來表示：

由于VSR 交流側(cè)的交流量為時變交流量，對其控制較難實現(xiàn)，因此通過 Park 變換，將三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c） 轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q） 下。三相 VSR 在 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，采用前饋解耦控制策略后數(shù)學(xué)模型如下式：

3.2 PWM整流式充電站控制策略

雙閉環(huán)逆變器控制策略的結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。經(jīng) dq 變換，分別得到交流側(cè)三相電壓u、電流i 和橋臂三相輸出電流i1的d、q 軸分量，電壓外環(huán)由電壓控制器和輸出電壓反饋所構(gòu)成。在電壓外環(huán)作用下實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定控制。電流內(nèi)環(huán)由電流控制器和輸出電流反饋所構(gòu)成，逆變器輸出電壓空間矢量Vd、Vq為所得輸出。通過對Vd、Vq控制信號進(jìn)入PWM模塊進(jìn)行調(diào)制，輸出額定正弦波電壓。

1）? 電流內(nèi)環(huán)控制

Vd 和Vq 為整流器橋臂合成矢量的d軸和q軸分量，d軸和q軸分量是相互耦合的，所以電壓環(huán)和電流環(huán)應(yīng)進(jìn)行解耦。

2）? 電壓外環(huán)控制

電壓外環(huán)控制是通過由電流內(nèi)環(huán)給定的控制量Vdc*與電壓實際值Vdc相比較后做差形成，加入PI 調(diào)節(jié)器，控制電流內(nèi)環(huán)id，最后可以控制直流側(cè)電容電壓Vdc使其達(dá)到需要的數(shù)值。

3.3 采用PWM整流式充電站后配網(wǎng)的諧波畸變率

根據(jù)圖12的控制策略建立PWM整流式充電站的模型如圖13所示。

對所建立的新模型進(jìn)行仿真和電流諧波分析，得到充電站輸出端電流諧波畸變率如圖14所示。

由圖14可以得出，電流總諧波畸變率THDI =3.51%。5次諧波電流的含有率HRI5 =1.85%，7次諧波電流的含有率HRI7 =1.98%。

對比圖10和圖14可以得出結(jié)論：采用PWM 整流技術(shù)后的電動汽車充電站諧波含量遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)不可控整流充電站的諧波含量，可以有效的對諧波進(jìn)行控制。

4? 結(jié)論

本文分析了電動汽車充電站的運行對城區(qū)配網(wǎng)造成諧波污染的原因，并對舟山傳統(tǒng)電動汽車充電站以及采用PWM整流技術(shù)的充電站分別在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行了建模，最后通過仿真分析和諧波畸變率的對比，得出：傳統(tǒng)的不可控整流充電機產(chǎn)生的諧波含量較大，容易對城區(qū)配網(wǎng)造成嚴(yán)重影響;而 PWM 整流充電站的諧波畸變率較小，值得推廣，為舟山定海城區(qū)即將建設(shè)的東門車站公交大巴充電站提供了理論參考。當(dāng)然PWM 整流充電站成本較高，對后續(xù)保養(yǎng)維護(hù)也有一定要求，傳統(tǒng)電動汽車充電站對配網(wǎng)所造成的影響也可通過完善的濾波措施予以彌補，本文由于篇幅有限，在建模仿真中未加入濾波裝置，這些都是后續(xù)研究的重點。

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作者簡介：

胡家寧（1993-），男，浙江舟山，助理工程師，從事配電運檢，主要研究方向為分布式能源并網(wǎng)。

陳淡峰（1977-），男，浙江舟山，助理工程師，從事配電運檢，主要研究方向為配電電纜故障測尋。