电动汽车放电对配电网电能质量影响

赵传立，刘 莉，孙 峰，赵法人，左 峰

（1.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

电动汽车放电对配电网电能质量影响

赵传立1，刘 莉1，孙 峰2，赵法人1，左 峰1

（1.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

电动汽车与电网的互联技术（V2G）作为提升电网效率，缓解可再生能源波动的重要手段，受到了广泛的关注。而大规模电动汽车与电网进行交互，会对配电网造成冲击。目前，电动汽车动力电池放电对配电网的谐波影响分析依然存在不足。利用Matlab软件搭建电动汽车双向充电机模型，并通过快速傅立叶变换法（FFT）对输出电压进行谐波分析，预测动力电池放电的谐波污染情况，采取合理谐波抑制措施。

电动汽车；PWM换流器；DC－DC变换器；谐波分析

节能减排及环境治理是我国近年来的重要任务。2015年，我国二氧化碳的排放下降超3.1%，二氧化硫的排放减少约3%，氮氧化物的排放减少约5%［1］。实施大气污染防治行动计划，大力对电动汽车进行推广，对保障能源安全、促进节能减排、促使我国由汽车大国迈向汽车强国具有举足轻重的意义［2］。

电动汽车与电网的互联技术（Vehicle to Grid，V2G）是智能电网与充电基础设施间相互交流、互动的重要技术。其核心思想就是将电动汽车储存的电能提供给电网，以提高电网的效率；或将其作为可再生能源的缓冲，以解决可再生能源波动的问题，同时还可以为电动车用户创造收益［3－4］。然而，当电动汽车充电机作为非线性负荷接入电网时，会产生大量的谐波，对电网势必造成污染，使电网的电能质量下降［5］。由于充电机充电时所产生的各次谐波已进行了不少的分析［6－8］，因此，本文基于V2G技术，运用Matlab软件搭建双向充电机的仿真模型，并将双向充电机接入380 V配电网中，着重对电动汽车双向充电机放电过程产生的谐波对配电网的影响进行仿真，并对仿真结果进一步分析。

1 电动汽车放电系统拓扑结构

电动汽车双向充电机主要包括PWM换流器、DC－DC变换器及动力电池。双向充电机充放电的框架结构如图1所示。充电时，电网通过三相PWM换流器对交流电进行整流，经整流得到的直流电通过Buck－Boost DC－DC变换器降压，给动力电池充电；放电时，动力电池经上述DC－DC变换器升压后，再通过换流器将直流电逆变成交流电，为电网提供电量。

图1 双向充电机充放电结构

1.1 三相PWM换流器拓扑结构

三相电压型PWM具有拓扑结构简单、实现能量双向流动以及响应速度相对较快等优点，同时也能更有效地抑制电力电子等器件产生的谐波［9］。三相PWM换流器的一般数学模型可分为低频开关模型和高频开关模型。低频开关模型更适用于控制系统的分析；高频开关模型更适合于三相PWM的波形仿真。因此，本文采用高频开关模型对动力电池放电进行仿真与分析。三相PWM主电路拓扑结构如图2所示。其中，平稳的三相纯正弦电动势分别为ea、eb、ec，直流电动势为eL。当eL＞vdc时，三相PWM可运行两种模式：整流模式、有源逆变模式，当工作在有源逆变模式时，三相PWM将eL产生的电能输送给电网。

图2 三相PWM主电路拓扑结构

1.2 Buck－Boost变换器拓扑结构

Buck－Boost变换器的特点是输出与输入电压的极性互异，并可方便地获得升压或降压输出［10］。当电动汽车充电时，触发信号控制功率开关S7的通断，而开关S8处于截止状态。当电动汽车向电网放电时，DC－DC变换器在升压模式运行，功率开关S7处于截止状态，S8工作。功率开关的两个驱动信号需保证在互异的工作状态，以使变换器工作顺利进行。Buck－Boost变换器的拓扑结构如图3所示。

图3 Buck－Boost变换器的拓扑结构

2 电动汽车放电控制策略

2.1 三相PWM换流器控制策略

本文选用电压电流的双闭环控制作为三相PWM换流器在逆变过程中控制策略。其中，输出电压的稳定由电压环来控制，输出电流的控制由电流环来实现。由于三相PWM换流器d－q轴变量相互耦合，因此需要对电压环和电流环进行解耦。解耦后可对d、q轴上的变量进行单独控制，vd、vq的控制方程为

式中：kiP，kiI为PI调节器比例调节增益和积分调节增益；为d轴和q轴的参考电流。

三相PWM换流器逆变时采用的双闭环控制策略框图如图4所示。三相电压ua、ub、uc和三相电流ia、ib、ic经d－q变换得到vd、vq和id、iq。电压控制器将参考电压值与实际电压值进行比较计算，经闭环控制运算，得出内环电流的参考值。电流控制器再将所得的参考值与实际电流进行比较计算，再经闭环控制运算，得到一个用于PWM调制的参考电压。PWM调制器再根据误差补偿器提供的参考电压进行脉冲宽度的计算，最终实现利用电压外环稳定控制输出电压，利用电流内环对输出电流进行控制。

图4 电压电流双闭环控制策略框图

2.2 Buck－Boost变换器控制策略

Buck－Boost变换器在升压和降压两种工作模式中选用不同的控制策略。本文主要研究电动汽车放电对配网谐波的分析，因此，选用单电压环控制作为放电时的控制策略。恒压放电控制策略如图5所示。

图5 恒压放电控制策略框图

放电参考电压值设定为Vref，将电池放电实际测量的电压值Vb与参考电压值Vref进行比较，比较值经PI调节做无差跟踪，再将得到的信号通过PWM斩波，产生输出信号。输出信号控制开关S8的通断，实现恒压放电。

3 充电机谐波仿真分析

3.1 三相PWM换流器输出电压谐波分析

根据PWM的控制原理，控制功率开关器件的通断时间定义为正弦波与三角波的交点时刻［11］。由于三相调制波是对称三相正弦波，因此，先分析其中一相的输出电压。

设逆变后输出电压的正弦调制波表示为

频率调制比为

幅值调制比为

式中：fc为三角载波频率；fm为正弦调制波频率；Mc为三角载波幅值；Mm为正弦调制波幅值。

将电压u0（t）的数学模型用双重傅里叶级数表示为

由式（5）可知：由于基波电压的幅值与幅值调制比M成正比，因此，可以调节正弦调制波的幅值以达到调节输出电压的目的。

三相PWM换流器的谐波分析基于单相之上。当N为偶数时，输出电压同时存在奇偶次谐波；当N为奇数时，输出电压仅存在奇次谐波。三角载波uc为u三相正弦调制波共用，由于其3个单相半桥共用1个直流源eL，因此各项输出电压均为单相逆变的波形。其A相电压的傅里叶级数表达式如式（6）：

由于三相换流器的3个相电压波形在相位上各差120°，即可得出B，C相电压的傅里叶级数表达式。其线电压等于两相相电压之差，即uAB＝uAO－uBO。

根据式（7）同理可以得到uBC、uCA的傅里叶级数表达式［12］。

逆变电路输出相电压的基波与调制波的相位相同，线电压与相电压差30°。为使三相之间的相位差保持不变，载波比应是3的整数倍，这样，双极性调制时每相波形在正负半波均保持对称。

3.2 仿真结果分析

为了降低谐波损耗，应尽可能保障换流器输出电压的波形接近正弦波，本文使用Matlab／Simulink作为仿真工具，建立电动汽车充放电系统的仿真模型，通过谐波的频谱对搭建的三相PWM逆变电路及DC－DC直流变换电路进行仿真。图6为当幅值调制比M＝0.5，频率调制比N＝21时各次谐波幅值占基波的百分比。图7为当幅值调制比M＝0.9，频率调制比N＝40时各次谐波幅值占基波的百分比。

图6 M＝0.5、N＝21各次谐波幅值占基波的百分比

图7 M＝0.9、N＝40各次谐波幅值占基波的百分比

从图6、图7中可知，电动汽车放电过程产生的谐波以高次谐波为主。图6中，当N＝21时，存在第19，23，41，43，59，61，65，…次谐波，谐波畸变率为44.91%。图7中，当N＝40时，存在第36，38，42，44，75，79，81，85，…次谐波，谐波畸变率为36.38%，谐波畸变率用来衡量波形畸变的程度。根据《电能质量公用电谐波》的国家标准规定［13］，380 V配电网电压总谐波畸变率不超过5.0%，因此，从仿真结果可以看出，其谐波的总畸变率远大于规定可承受限值，对配电网的影响较为严重。需要采取必要的滤波措施，将谐波的总畸变率控制在5.0%以下。

同时，通过仿真可以验证，当频率调制比N为奇数时，谐波次数同样也为奇数的特性。根据仿真图可以得到，输出电压谐波集中在：

式中：m＝1，3，5，…时，n＝3（2l－1）±1，l＝1，2，3，…；m＝2，4，6，…时，n＝6l＋1，l＝0，1，2，…或k＝6l－1，l＝1，2，3，…。

将谐波分布的这种特性称为“集簇”特性，即在载波频率整数倍频率的两端集中分布。同时，当频率调制比N较低时，随着次数的增加，N的整数次谐波含量减少；当频率调制比N较高时，较低次数的谐波畸变率较低。因此，根据上述的分析结论，选择适当的滤波方式，可有效解决电动汽车放电对配电网的谐波污染问题。

4 结论

大规模电动汽车接入电网会对配电网产生谐波污染，本文通过Matlab软件搭建三相PWM换流器及Buck－Boost变换器模型，对电动汽车充电机接入380 V配电网，并向配电网放电时产生的谐波进行分析。其结果表明，动力电池放电经升压、逆变之后输出电压的谐波畸变率较大，对配电网影响较为严重，需采取必要的措施进行治理。同时，得出谐波的特性，为选择适当的滤波方式进行滤波提供依据，以保证配电网的电能质量。

［1］2015年政府工作报告［R］.2015.

［2］电动汽车充电基础设施发展指南（2015—2020年）［R］.中华人民共和国国家发展与改革委员会，2015.

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Impacts of Electric Vehicle Discharge on Power Quality of Distribution Network

ZHAO Chuan⁃li1，LIU Li1，SUN Feng2，ZHAO Fa⁃ren1，ZUO Feng1
（1.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The interconnection technology of electric vehicle and power grid（V2G）which payed comprehensive attention is an impor⁃tant technical means to enhance the power grid efficiency and alleviate the fluctuation of renewable energy.Large⁃scale electric vehicle to interact with the grid，impacts the distribution network.At present，the harmonic effects on the distribution network of electric vehi⁃cle battery discharge analysis remains inadequate.In this paper，using the matlab software to build a bidirectional electric vehicle charger model and through the Fast Fourier Transform（FFT）method to analyze the harmonic of output voltage.The analysis provides help to predict the harmonic pollution of power battery and take reasonable harmonic suppression measures.

Electric vehicle；PWM inverter；DC－DC converter；Harmonic analysis

U469.72；TM910.6

A

1004－7913（2016）09－0041－04

赵传立（1990—），男，硕士研究生，从事电力系统分析与控制研究。

2016－06－08）