一種充電樁諧波治理裝置的應用

蔣鵬為 張寧愷 阮家鑫

(廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局)

0 引言

目前的配電網(wǎng)暫時沒有考慮到隨著大規(guī)模充電樁的應用, 產(chǎn)生的諧波如何影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定, 其對電力計量、通信系統(tǒng)也會產(chǎn)生一定的不良影響。

通過在居民實際生活場景里應用充電樁諧波治理裝置, 就是要未雨綢繆, 在電能質(zhì)量問題大規(guī)模影響配電網(wǎng)絡前, 對相應治理的對策進行有效研究, 防微杜漸, 并在實際應用案例中發(fā)現(xiàn)新型諧波治理裝置的優(yōu)點和不足, 確保新能源汽車在城市中的使用, 仍然保有綠色環(huán)保優(yōu)勢, 并兼顧配電網(wǎng)的安全、高效。

目前充電樁主要有直流和交流兩種形式, 分別對應的是快充和慢充兩種充電形式。

直流快充樁一般功率較大, 常見的為100kW 左右, 一般建在專用的電動車充電場地內(nèi)。比如高速公路的服務區(qū)、收費的商場內(nèi)部停車場以及城市的電動公交車站場等。直流充電樁的外形一般較大, 相應的設計也比較規(guī)范。一般來說, 這種類型的充電樁自己可以處理諧波問題, 對充電時產(chǎn)生的諧波進行濾波消除, 對電網(wǎng)不會產(chǎn)生較大的危害。

而交流充電樁一般為單相供電, 從配電網(wǎng)上接出一零一火即可, 功率僅為7kW, 俗稱慢充。這種類型充電樁的原理是采用車載充電機進行整流, 進而給電池模塊充電, 因為交流充電樁外形不大, 一般可以掛在墻壁上, 所以一般居民小區(qū)的停車場內(nèi)采用的都是交流充電樁。

1 問題核實

為驗證城鎮(zhèn)住宅小區(qū)內(nèi)充電樁諧波的問題, 選取廣東某區(qū)供電局下轄配電網(wǎng)進行研究驗證。根據(jù)配電系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和用電客戶反饋, 我們將取樣重點放在了某光小區(qū)A 和某城小區(qū)B, 因為跟進反饋, 上訴兩個小區(qū)在夜晚用電低谷期間, 也會發(fā)生配電開關(guān)跳閘事件, 在排除其他設備和運行因素以后, 我們重點排查小區(qū)內(nèi)充電樁諧波因素的影響。

根據(jù)國家標準, 用戶接火點處注入配網(wǎng)的諧波, 其電流分量允許值不能大于表1 中所標準值。

表1

表2

表3

當接火點的最小短路容量異于標準短路容量時,以上表中, 諧波電流的允許值可以照下面的公式進行換算。

考核點的最小短路容量Sk1異于假定標準最小短路容量Sk2時, 我們應按照相應國標的附錄進行換算,具體的換算公式如下:

根據(jù)系統(tǒng)導出的數(shù)據(jù), A 小區(qū)內(nèi)報裝的充電樁為11 戶, 總報裝容量為125kW, B 小區(qū)內(nèi)報裝的充電樁為15 戶, 總報裝容量為185kW。根據(jù)智能電表反饋的數(shù)據(jù), 83%左右的充電樁充電時間為晚上8 點至第二天的凌晨3 點左右。

我們采用的測試設備為日置(HIOKI) 牌, 型號為3198 的電能質(zhì)量分析儀, 進行測試地點為交流充電樁接入的上級電源點, 即小區(qū)內(nèi)的公用配電站內(nèi),采集相應時段低壓母線A、B、C 相線上的電流值,經(jīng)過分析, 得到以下表格。結(jié)果顯示, A、B 小區(qū)電流諧波的測試結(jié)果如下:

根據(jù)上面的表格我們發(fā)現(xiàn), 在被測的A、B 小區(qū)中, 諧波電流主要存在于3、5 次中, 其中5 次諧波的電流量最大, 已經(jīng)超過5.75A 的標準電流限值。B小區(qū)的測試結(jié)果也較為類似, 排除了不同設備之間的影響。

經(jīng)過實地驗證, 我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在, 充電樁諧波問題已經(jīng)是真實存在, 確實存在隱患, 需要進行必要的治理, 為此, 我們提出一種改良方案, 即研發(fā)一種充電樁諧波治理裝置。

2 裝置設計

我們研發(fā)的直流裝置分為兩種類型, 一種為治理慢充交流充電樁的, 另外一種為直流三相快充交流充電樁的, 均已獲得國家發(fā)明專利, 分別適用于不同類型的充電樁。

治理慢充交流充電樁的諧波治理裝置的硬件線路圖如下: D1 為電源側(cè)方向, 是公用臺區(qū)出來的相線和零線, 非線性負載模塊代表負荷, 對應現(xiàn)場正在工作的交流充電樁, 其在整個充電過程中, 并不是恒定負載, 會不定時的釋放諧波電流。為了簡化, 我們將其表示成一個非線性負載。

虛線框內(nèi)畫的就是我們設計裝置的核心原理,諧波治理裝置的組成電路原理圖, 裝置的一端和相線相連, 裝置的另外一端是和零線相連的。整個裝置在電路上與非線性負荷一起, 是構(gòu)成了一個并聯(lián)的電路。

裝置的內(nèi)部還有三條并行的線路, 每一條線路, 分別由L, C 和R 元件, 構(gòu)成一個基本的諧振電路。每條諧振支路都可以自由開關(guān), 并在控制器的統(tǒng)一管控下, 單獨開啟或者關(guān)閉。整個裝置在有了控制器后, 可以運行比較智能, 因為控制器是可以編寫控制程序, 靈活地進行支路開關(guān)。在運行過程中, 控制器可以根據(jù)非線性負載的工況實時開閉后端的諧振電路。在實際運行中, 如果自身的L、C或R 元件發(fā)生故障, 整條諧振支路會在控制器的幫助下, 快速檢測到故障, 并進行關(guān)閉切除, 避免發(fā)生短路故障。

圖1 單相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

在控制器中, 我們設計的軟件控制流程, 其控制邏輯與判斷流程如下:

諧波治理裝置在接入配電網(wǎng)以后, 上端接的是單相電源的火線, 下端為零線。治理裝置的控制器通過近場通訊, 與裝置后端的智能電表取得聯(lián)系。電表的CT 檢測到電流后, 即表明負載已經(jīng)開始工作, 我們的治理裝置也開啟工作, 并開始檢測后端是否存在諧波。

控制開始工作后, 會檢測諧波量的多少, 對應不同量的非線性負載諧波, 控制器會對應開啟不同大小的內(nèi)部的部分濾波元件, 并開始濾波工作, 當濾波器檢測到還有更高頻次、更大量的諧波通過零線時, 諧波控制器會開啟更多的濾波器件, 降低諧波含量。

3 安裝使用

為了驗證充電樁諧波治理裝置的實際使用效果,我們來到了之前某光小區(qū)A 和某城小區(qū)B。根據(jù)后臺系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和用電客戶熱線反饋, 這兩個小區(qū)曾經(jīng)在夜晚9 -12 點左右發(fā)生配電開關(guān)跳閘事件, 并導致小區(qū)一片停電, 居民意見比較大。

我們翻查事件記錄系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn), 在有跳閘事件的當天, 小區(qū)內(nèi)的負荷和其他小區(qū)一樣較為正常, 并未出現(xiàn)過負荷的現(xiàn)象。

接著我們又檢查配電設備, 排除是了因為設備本身的質(zhì)量問題導致跳閘。

繼續(xù)全面排查。從系統(tǒng)后臺我們導出了全部用戶的數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)在某光小區(qū)A 里面, 除了一般的居民用電、消防及電梯用電外, 在近期還新增了一部分充電樁專用電表。

這些電表中有些為單相電表, 報裝容量7kW;而有些則為三相交流快充電表, 使用的是含CT 模塊的三相電表, 報裝容量為15kW。統(tǒng)計后, 我們發(fā)現(xiàn)在A 小區(qū)里, 發(fā)生開關(guān)跳閘事件的臺區(qū)下, 一共有11 戶報裝了充電樁專用電表, 總的報裝容量為125kW, 或許這些新增的非線性負荷, 就是造成設備跳閘的主要原因。

因為充電樁專用電表可以享受峰谷電價, 所以大多數(shù)充電樁的用戶都是在電壓低谷, 也就是晚上10點以后開始, 給新能源車充電。這個充電高峰, 與跳閘故障存在時間上的關(guān)聯(lián)。于是我們重點懷疑是這些充電樁負荷, 由于用戶使用的同期率較高, 他們會在差不多同一時間開啟非線性負荷的充電工作, 然后導致了諧波電流耦合振蕩。

這些振蕩諧波經(jīng)過了配電網(wǎng)的零線, 從而引發(fā)開關(guān)設備的中性線電流保護跳閘, 經(jīng)過實地驗證和測量, 我們的猜想的到了證實, 其中非線性負荷中, 5 次諧波的含量最大, 也是我們重點治理的方向。

在B 小區(qū)中, 經(jīng)過分析系統(tǒng)中導出的數(shù)據(jù), 我們發(fā)現(xiàn)總共有15 戶報裝了充電樁專用電表, 全部報裝容量為185kW, 這里的情況和A 小區(qū)類似, 其在配網(wǎng)零線中也存在同樣的情況, 對過這樣的對比, 就消除了不同品牌設備對測量結(jié)果的影響。

經(jīng)過實地勘察, A 小區(qū)內(nèi)11 戶充電樁一共有10戶用戶的電表表前符合, 可以有空位置安裝我們的諧波治理裝置, 而在B 小區(qū)一共有13 戶電表表前有足夠空間, 滿足安裝諧波治理裝置的條件。

在設備安裝以后, 我們也對諧波治理裝置的安裝效果進行了復查。可以發(fā)現(xiàn)治理裝置在后段非線性負荷不工作時, 其電阻大于2500MΩ, 負荷規(guī)范; 充電負荷正常工作以后, 后段非線性負荷開啟, 諧波裝置也開始正常工作, 工作功耗僅為50w, 并未產(chǎn)生多余的功耗, 達到了設計要求。

4 效果比較

(1) 技術(shù)效益比對

為觀測效果, 我們進行了諧波復測。得到以下表格:

對比安裝前后的數(shù)據(jù), 可以明顯的看出, 我們自研的諧波治理裝置, 在抑制充電樁產(chǎn)生的諧波上, 有比較明顯的效果。

(2) 經(jīng)濟效益比對

諧波治理裝置全部零件如果量產(chǎn), 可以降到每部裝置1000 元左右。一個臺區(qū)如果有30 個充電樁, 安裝成本僅3 萬元左右; 安裝諧波治理裝置后的配網(wǎng)臺區(qū), 可以大大降低由諧波注入導致的開關(guān)設備損壞和低壓配電零線纜的故障, 這兩項設備如果損壞, 保守估計修復成本都是20 萬以上。

項目可產(chǎn)生十分明顯的經(jīng)濟效益, 具體為:

項目經(jīng)濟效益=項目節(jié)省成本-項目發(fā)生成本=20 -3 =17 萬元

(3) 社會效益比對

一般來說, 城鎮(zhèn)小區(qū)用戶群體對停電事件異常敏感, 導致每次跳閘復電的時間都在1 小時左右, 十分影響用戶感受。且每月基本都會發(fā)生3 起上下, 造成的社會影響較為不良。該項發(fā)明裝置, 在為保障縣區(qū)供電局優(yōu)質(zhì)服務的同時, 也助力打造的國內(nèi)供電可靠性一流供電企業(yè)做出先鋒模范作用。

5 結(jié)束語

本文通過在兩個小區(qū)應用自研的充電樁諧波治理裝置, 成功在試點小區(qū)內(nèi)的對充電樁引起的配網(wǎng)諧波進行了有效治理, 具有十分良好的技術(shù)、經(jīng)濟應用前景。