电动汽车充电谐波对电能计量影响的仿真分析

周敏+++雷晶晶+++袁语

摘 要：环境污染的日益严重，使得电动汽车成为新能源交通领域发展的必然趋势。电动汽车事业发展必须以完备、大规模的电动汽车充换电设施为基础。而电动汽车充电机属于新型大功率、高度非线性的用电设备，会产生谐波，将对电能质量造成污染，导致电能计量误差。电能计量的准确性和合理性关系到电力公司、用户和充电运营商的利益，因此电动汽车充电对电能计量的影响研究具有十分重要的意义。

关键词：充电机；谐波；电能表；电压互感器；电流互感器；计量误差

1 概述

随着一次能源的枯竭和环境污染的日益加剧，进行能源革命势在必行。能源革命的实质是清洁能源逐步替代化石能源[1]，最终淘汰化石能源，而电动汽车可以很好的实现电能替代，因此在交通领域大力推广使用电动汽车是能源革命的一项重要举措。电动汽车数量的激增能够使清洁能源转化来的电能得到有效利用，有助于解决环境问题。但同时，充电机作为一种新型大功率、高度非线性的用电设备，接在城市电网和电动汽车之间会对电网产生谐波污染，影响电网的电能质量和电能计量系统的计量准确性，而电能计量问题关乎电力公司、用户和充电运营商利益，所以研究电动汽车充电机对电能计量系统的影响具有重要的理论意义和实际价值。

作为一个谐波功率源，电动汽车充电机对电网及电网计量的影响备受关注。文献[2]通过设计充电机仿真模型研究了三种不同类型充电机的谐波电流大小，结果表明不同类型的充电机对谐波的抑制作用各不相同，充电机投入的同时性对谐波电流也有影响，但没有研究谐波对电能计量装置的影响。文献[3]为能够有效的解决电能计量的检定及溯源等问题研究了实现电动汽车充电站电能准确计量的方法及装置，研究成果具有良好的现场应用效果，但没有考虑互感器等的测量误差。文献[4]首先对电动汽车充电机进行分类，分析了各类充电机产生的谐波特征，根据实际运行中充电站的实测数据，对充电站的配电变压器安装点、容量、充电站的监测管理，谐波抑制等提出一些具体的建议。文献[5]研究了影响电能表计量的因素，并在Matlab/Simulink环境下建立不同种类充电机的完整模型，对不同种类充电机在不同情况下对计量合理性和准确性影响进行分析。

针对电能计量，相关研究注重于谐波畸变下电能表计量的准确性和计量方式的改进，往往忽略了电能计量装置中与电能表配合使用的互感器所带来的影响。文献[6]在仿真谐振型和速饱和型两种类型的CVT的频率特性曲线基础上，通过电能质量扰动装置，分析了CVT的谐波测量误差。文献[7]对在直流分量和谐波条件下电流互感器的传变特性做了系统和全面的分析，但因电压畸变率较小，在分析谐波电能计量的过程中没有考虑电压互感器在非正弦下的传变特性所带来的影响。文献[8]建立了考虑线路阻抗及配电变压器在内的完整充电机模型，分析了电动汽车充电机对电能计量的影响，重点研究了充电机恒流大功率充电、脉冲充电对计量准确性的影响。考虑了合理配置充电机充电功率，线路阻抗，谐波抑制装置等确保计量的合理性，但未考虑对整个计量系统的影响。文献[9]提出了一种对普遍的电动汽车充电对配电系统谐波电压水平的影响的统计方法，该方法使用非线性负载电流的统计模型，以产生特定的谐波电压水平的概率。通过电动汽车集中产生的谐波电流的统计模型的不确定性和不断变化的充电器开始时间和初始电池状态的充电介绍了谐波的消除。

电力系统的电能计量装置是由电压互感器、电流互感器、电能表和计量的二次回路组成，每个组成单元虽在基波条件下的误差能满足其设计要求，但在谐波情况下，各部分的工作状态将发生变化，导致计量误差增加，从而使电能计量系统的计量误差递增。本文对电动汽车充电谐波对电能计量装置的影响进行了理论分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC软件中搭建了电动汽车充电模型、计量装置仿真模型，以固定负载下的充电谐波对计量合理性和準确性影响进行分析。

2 电动汽车充电机的谐波特性分析

采用了现代电力电子器件的电动汽车充电机是高度非线性的用电设备，接入电网后会产生一定谐波污染，对电能计量造成影响[10-13]。

目前，主要使用和研究的电动汽车充电机的结构如图1所示，三相桥式不控整流电路对三相电进行整流，滤波后为高频DC-DC功率变换电路提供直流输入，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为动力蓄电池充电。

图1中的高频功率变换器建模比较复杂，且计算量大，不利于观察整个充电过程电流的变化情况，因此设想将其近似等效。相对于工频周期（0.02s）来说，动力蓄电池充电过程所需时间很长（4-6h），则在一个至几个工频周期内，都可以认为充电机的输出电流I0和输出电压U0是恒定的直流，即高频功率变换电路工作于恒功率状态，当输入电压升高时，输入电流必须相应的降低，可以用一个非线性电阻RC来近似模拟高频功率变换电路的等效输入阻抗，非线性电阻RC可近似表示为：

从式（2-15）可以看出，交流侧谐波次数主要为6k±1次的谐波。则以二极管三相桥式整流电路作为高频充电机的前级输入，交流侧输入电流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次谐波组成。

3 电动汽车充电谐波对电能计量影响的仿真分析

电动汽车充电机接入电网会产生6k±1次谐波，将对充电站的计量系统造成一定的影响。为了得出这个影响量值，本文利用PSCAD/EMTDC软件对该影响进行仿真研究。利用PSCAD/EMTDC软件对电力系统进行仿真研究，首先要在PSCAD图形界面上选取元件库中的适当元件模块搭建系统模型，并对照实际物理系统设置模型元件中对应的参数。在需要观测变量处添加电表和输出观测点，以便于进行仿真结果的查看、分析。检查无误并设置好仿真步长、时间等参数后即可执行仿真分析。执行仿真时，PSCAD首先调用软件自带的编译器将PSCAD中的模型电路编译为主FORTRAN程序，此时可视化的模型元件转换为ENI TDC的子函数，并根据电路连接关系自动进行节点编号和参数传递，然后利用设定的FORTRAN编译器通过调用ENITDC引擎库文件生成最终的执行文件。在仿真进行过程中，用户可以通过输入输出元件库的控制元件自由调整参数值，以便观察系统某些动态情况下的响应特性。

3.1 电能计量装置仿真模型搭建

电能计量装置包括各种类型的电能表、计量用电流互感器（CT）、电压互感器（PT）及其二次回路，电能计量柜（箱）等。我们对其进行了仿真模型搭建。

3.1.1 电动汽车充电系统电能计量装置的接线形式

依据管理规程，对于接入非中性点绝缘系统的电能计量装置，应采用三相四线接法的有功、无功电能表；对于计量用电压互感器，接入非中性点绝缘系统的三台电压互感器，宜采用Y0/y0接线方式，互感器一次侧的接地方式与系统的接地方式相同。牵引供电系统一般接入110kV或者220kV高压系统，而我国的110kV及以上电压等级的都是中性点直接接地系统，因此电动汽车充电系计量装置宜采用三相四线接法的有功、无功电能表，计量用电压互感器接法应采用Y0/y0接线方式，电压互感器一次侧与系统接地方式一致，即直接接地。计量装置的具体接线形式如图3所示。同时，电动汽车充电系统电能计量装置作为I类电能计量装置来管理，其电压互感器、电流互感器、有功电能表、无功电能表的精确度等级应分别不低于0.2、0.2s、0.5s、2.0级。

3.1.2 电能表模型搭建

为分析充电谐波对时分割乘法器（TDM）计量误差的影响，根据TDM工作原理，在PSCAD环境中建立如图4所示的三角波电压比较型TDM的仿真模型，通过仿真来分析TDM的谐波测量误差。具体参数设置见表1。

为了验证电子式电能表模型正确性，电能表仿真模型中，输入有效值为1kV和1kA的基波电压和电流信号（工频50Hz），调制信号M幅值为2.8kV，频率为10kHz的三角波。输入信号理论有功功率为1W，仿真模型各部分的输出波形如图5所示。

图5（f）显示电能表输出功率为1W，与理论值相符，可以验证电能表仿真模型的正确性。

3.1.3 电流互感器模型搭建

PSCAD中的CT模块采用非线性时域等效电路模型，综合考虑饱和、涡流和磁滞对CT的影响，该模型用几个电路元件分别模拟造成CT非线性的因素。与实际情况比较接近PSCAD中的CT模块如图6，具体电路模型如图7所示。

3.1.4 电压互感器（PT）模型搭建

PSCAD元件库中提供的CVT模块及其具体模型如图8，计量误差仿真模型如图9图，该模型对中、高压电容器，补偿电抗器，中间变压器，二次负载及阻尼器进行了全面考虑。

CVT模型设置参数如表3所示。

3.2 电动汽车充电系统模型搭建

3.3 仿真分析

3.3.1 电动汽车充电机对电网谐波影响的仿真分析

本文建立的充电机模型包含配电变压器以及10kV配电线路，而根据充电站电能计量装置安装方式，单台充电机交流侧电表表位于配电变压器的低压侧，关口电能表安装于变压器的高压侧。本文的研究中，针对特定功率负载下单台充电机的充电谐波对电网电压波形的影响进行研究。

测量图11中a点电压波形，并对其进行FFT变换，得到各次谐波所占比例如图12所示。

从图12中可以看出，电动汽车充电作用下，整流器交流侧谐波次数主要为6k±1次的谐波，与前文分析结果一致。以二极管三相桥式整流电路作为高频充电机的前级输入，交流侧输入电流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次谐波组成，谐波电压大小随着谐波次数增加而减小。

3.3.2 电动汽车充电机对计量装置影响的仿真分析

充电机负载为恒流大功率充电模式下，输出充电电流为10A，额定充电电压为500V，输出直流波形如图13。

此时，利用FFT工具，仿真得到谐波对电流互感器、电压互感器和最终的电能表计量的影响。

（1）電动汽车充电谐波对电流互感器的影响

谐波对电流互感器的影响的误差值见表5。

从仿真结果可以看出，在电动汽车充电谐波作用下，CT仅对1、3、5、7、9次谐波电流幅值有一定的测量误差，误差值都小于0.2%，满足电流互感器精确度等级要求；但是对3-13次谐波的相位影响值最高确达到-277.8′。当谐波次数小于14时，谐波电流相角测量误差教导；当谐波次数大于等于14时，谐波电流幅值和相角测量误差均为0。

（2）电动汽车充电谐波对电能表的影响

谐波对电压互感器的影响的误差值见表6。

从仿真结果可以看出，在电动汽车充电谐波的影响下，电压互感器对3、5、7、9次谐波电压幅值有一定的测量误差，最大测量误差为0.0948%，小于0.2%，满足电压互感器精确度要求；但是对3-31次谐波的相位影响值最高确达到-282.1′。

（3）电动汽车充电谐波对电能表的影响

本文将互感器二次测的电压和电流信号输入三角波电压比较型TDM电能表，得到电动汽车充电谐波作用下的电能，并与变压器高压测交流电压、电流信号作用下的理论电能值相比较，得到充电谐波作用下的高压计量装置测量误差，如表7所示。

实际的电能计量中，总的电能为基波与各次谐波电能的和，因此实际电能表的计量误差应该为基波和谐波的总电能的计量值与理论值之差，同时需要考虑基波和谐波潮流方向有可能相同，也可能相反。因此，电动汽车充电谐波次数对电能计量装置的影响可能与其对电网谐波所占比例有差异。从仿真结果可以看出，电动汽车充电谐波对计量装置测量误差的影响主要体现在2、4、6、8次谐波，而不是6k±1次谐波，推断可能与谐波潮流方向有关。从表7可以看出，在谐波次数小于31时，电能幅值测量误差均很小，最大幅值测量误差为0.0806%，小于0.5%，满足电能表精度要求；而最大相角测量误差仅为6.281′。

4 结束语

为了应对日益发展的电动汽车事业，针对充电站对电网影响以及对日常运营时的电能计量准确性、合理性问题研究的不足，本文对电动汽车充电谐波对电能计量装置的影响进行了理论分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC软件中搭建了电动汽车充电模型、计量装置仿真模型，以固定负载下的充电谐波对计量合理性和准确性影响进行分析。主要结论如下：

（1）电动汽车充电主要以6k±1次谐波为主，谐波含量随谐波次数增加而呈减少趋势。

（2）在电网没有背景谐波情况下，谐波电压由充电机产生谐波电流在线路阻抗和变压器漏抗上的压降引起，产生谐波功率。充电谐波对CT、PT的影响主要体现在3、5、7、9次谐波上，而对整个电能计量装置的影响主要体现在2、4、6、8次谐波上，推断其差异可能与谐波潮流方向有关。

（3）电动汽车充电谐波作用下，电流互感器、电压互感器幅值测量误差最大值分别为0.0125%和0.0948%，均小于0.2%，满足互感器准确度要求，但其相位测量误差超差，且无明显规律性。

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