电动汽车充电对电网的谐波影响研究

赵丽平， 郑强， 刘明杰

(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)

0 引 言

随着化石能源的过度消耗以及全球性环境问题的不断加剧，新能源汽车以其节能和环保的优势逐渐受到消费者亲睐，各国政府、汽车厂商、科研机构纷纷向电动汽车领域投入资金和人才，积极推动电动汽车开发及推广应用，抢占科技发展的制高点。电动汽车不仅可以从电网中获取电能，而且可以向电网反馈能量。随着电动汽车市场占有率的不断提高，加之其充电行为的随机性，充电过程对电网产生的电能质量影响受到关注，谐波影响已经成为不可忽略的问题。目前，电动汽车-电网互动技术(Vehicle to Grid，V2G)已经成为炙手可热的研究内容，V2G技术是电动汽车在受控状态下与电网信息和能量双向互动的新型技术。

对于V2G的研究也出现了丰硕的成果，文献[1-3]主要从V2G模式下能量交互和电站运行方式等角度概述电动汽车与电网之间的相互影响及研究现状；文献[4-5]主要通过对充电桩和充电站的建模仿真研究谐波大小及变化情况，以及谐波工程计算方法和谐波抑制技术；文献[6]通过分析电站实测数据衡量电站对电网的谐波影响；文献[7]通过建立配电网谐波模型及输电线路谐波阻抗模型，研究配电网络对谐波电流放大作用的公式计算，以及对节点电流和电压影响；文献[8-9]分析了V2G模式下电动汽车对电网削峰填谷以及电网频率调节的作用，电动汽车规模化发展对电网功率平衡、经济运行、配网规划的影响；文献[10-11]分析了负荷接入对系统网络损耗及电压水平的影响。

电动汽车接入电网的影响程度跟电动汽车的普及程度有密切的关系，在过往研究中较少提及不同渗透率指标情况下电网谐波特性指标的变化情况，本文以此为切入点，首先介绍电动汽车充电站概况，充电桩的种类，建立充电桩简化数学模型，搭建电动汽车充电桩及充电站的仿真模型，分析不同类型充电桩不同功率情况下对0.4 kV侧电网谐波影响情况，以及在不同电动汽车渗透率情况下电动汽车充电站对10 kV侧电网谐波影响情况，通过对仿真结果的分析，给出电动汽车充电桩及充电站设计中的一些建议。

1 充电桩的类型及简化数学模型

1.1 充电桩的类型

当前，电动汽车获取电能主要有三种方式：直流充电桩、交流充电桩、电池组更换。直流充电桩采用大功率方式给蓄电池组补充电能，所需充电时间短，但影响电池使用寿命；交流充电桩为车载充电机提供交流电源，经过车载充电机给动力电池组补充电能，所需充电时间长，充电过程对蓄电池基本无损伤；更换电池组即使用电池组快速更换设备将电动汽车的乏电电池组进行更换。无论是采用何种电能获取方式都必须经过整流环节，仅仅是整流环节存在于车载充电机、直流充电桩、地面充电机的位置不同而已，在本文的研究中，主要以直流充电桩为研究对象。

充电桩的工作原理可以简化为：输入侧从380 V三相交流电网获取电能，经过内部整流装置变换为直流电能，再由直流变换器变为电压和电流可调的直流电，最后滤波输出为动力电池组充电。

直流充电桩依据采用的整流方式不同可以分为不控整流、可控整流、12脉波整流，在对几种充电桩的谐波特性进行分析之前，对这几种充电桩简化数学模型。

1.2 充电桩简化数学模型

1.2.1不控整流充电桩

不控整流是最简单的一种整流形式，采用不控型器件构成整流电路，具有结构简单、造价低的优点，当前应用中的充电桩多为三相充电桩，可用下列公式表示不控整流充电桩的简化模型：

(1)

式中Ud为直流侧输出电压平均值，U2为网侧输入相电压有效值，ω为工频角速度。

1.2.2可控整流充电桩

可控整流采用可控型电力电子器件构成整流电路，通过控制开关器件导通角来调节直流侧的输出，三相桥式全控整流电路是一种在广泛应用于工业领域的整流形式，可以简化为两组三相半波整流电路经互差180°换相串联而成，其简化数学模型可由下式表示：

α≤60°

(2)

α>60°

(3)

式中α为控制角。

1.2.312脉波整流充电桩

在整流电路中，增加输出电压脉波数，能有效地提高整流装置能量转换效率，降低输出电压波形的脉动，同时也能有效地降低整流装置交直流侧的谐波含量。在本文中，运用多重化结构，将两个三相桥式整流电路串联组成12脉波整流电路，使得两个整流桥输出电压相位相差30°，其数学形式与桥式整流类似，此处不再赘述。

2 单台充电桩建模与谐波分析

在谐波分析中，通常选取某一节点作为测量对象，对于相同的谐波源干扰，不同节点之间的谐波特性存在很大的差异，以n次谐波为例，某节点的特性主要取决于节点自导纳，一般来说距离谐波源越远的节点所受到的谐波影响越小。在对单台充电桩谐波特性分析时，选择充电桩的三相电网接入点作为研究对象，分析该节点因谐波源的引入而造成的谐波特性指标，电压的谐波含有率及总谐波畸变率是衡量电压谐波水平的重要指标，在本文研究中，选取节点电压各次谐波含有率和总谐波畸变率作为分析指标。

本文选择在MATLAB/Simulink平台下搭建，不控整流、可控整流、12脉波整流电路的仿真模型，在输出直流侧用电阻负载模拟电动汽车的充电过程，在充电功率从10 kW～200 kW范围内变化时，三种类型充电桩在380 V交流输入侧引起的相电压谐波畸变情况，所得到的结果如图1所示。

图1 10～200 kW功率下三种类型充电桩380 V输入侧相电压谐波畸变率变化情况

从图中得出的结论如下：(1)不控整流和可控控整流两种类型充电桩电压总谐波畸变差别很小；(2)在此功率范围内，各种类型充电桩输入侧相电压总谐波畸变率均未超过5%的国标限值；(3)相同功率情况下12脉波整流类型的充电桩引起的相电压总谐波畸变明显小于其他两种类型；(4)随着功率的增加，三种类型充电桩引起的相电压总谐波畸变呈增长的趋势，但增长率下降。

3 充电站系统建模仿真与谐波分析

在系统仿真模型建立的过程中，以配电网中某条10 kV分支线路为研究对象，拟定只包含常规居民用电负荷和电动汽车充电负荷两种类型，对充电站配电专用变压器接入10 kV节点的谐波特性进行仿真研究，考虑电动汽车在不同渗透率情况下谐波电压的总谐波畸变率指标。根据《城市配电网技术导则》中的描述，采用开关站进行分接负荷，主接线应可靠简单，通常采用单母线或单母线分段方式，4～6路出线形式，可供容量不宜超过40 MVA，因此选择10 kV分支线路的容量为8 MVA。

根据电动汽车采用的发动机的类型不同，可以分为插电式混合动力电动汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)，而对于纯电动汽车，根据其技术特性的不同细分为多种，本文主要考虑比较有代表性的四种[12-13]：(1)L7e，城市用小型车辆；(2)M1，4座客车；(3)N1，最大载重量小于3.5吨的货车；(4)N2，最大载重量3.5～12吨的商用车。其电池容量见如表1所示。

表1

考虑到电动汽车种类繁多，电池容量大小各异，充电功率不尽相同，在进行电动汽车渗透率计算上难度较大，本文采用较理想化的情况，选择电动汽车电池容量为20 kWh，充电功率为10 kW，电池充满电续航里程200 km，平均每日行使时间1.5 h进行研究，每日可充电时间10 h，充电功率恒定为前提条件。

电动汽车渗透率是衡量电动汽车普及程度的重要指标，目前尚没有普遍认可的定义，参照风电渗透率的概念，选取电动汽车总功率与局部电网的总功率作为电动汽车渗透率的考量指标。在进行仿真分析时，将普通负荷与电动汽车分开考虑其同时系数，普通负荷同时系数取0.5，功率因数0.9，而电动汽车充电同时系数按下式4进行计算：

(4)

式中

W—电动汽车电池容量(kW·h)

P—充电桩充电功率(kW)

η—充电桩工作效率

L—电动汽车续航里程(km)

V—电动汽车平均运行时速(km/h)

T0—电动汽车平均每日行驶时长(h)

T—充电站每日可供充电时长(h)

电动汽车渗透率计算公式如式5所示:

(5)

式中P1—普通负荷总功率；P2—电动汽车负荷总功率。

P1，P2两者之和即为局部电网总功率，乘以各自同时系数即为系统某时刻投入运行的功率部分。

通过对电动汽车渗透率5%～80%情况下三种类型充电桩组成的充电站进行建模和仿真分析，得到充电站配电变压器10 kV电源接入点相电压的总谐波畸变情况如图2所示。

图2 5%～80%渗透率情况下三种充电站10 kV接入点相电压总谐波畸变

从图中可以得出如下结论：(1)三种不同类型充电桩的充电站配变10 kV侧电压总谐波畸变率随渗透率增加而增加，增长率变大；(2)12脉波整流充电桩的充电站配变10 kV侧电压总谐波畸变率明显小于其他两种类型；(3)不控和可控整流的电压总谐波畸变相差很小，电压总谐波曲线近似重合；(4)电动汽车渗透率约为65%时，不控和可控整流两种类型充电站配变10 kV侧电压总谐波畸变率超过国标限值。

为了分析配变10 kV接入点相电压谐波含有率情况，在电动汽车渗透率为65%时，对相电压进行傅里叶分析，得到可控整流和12脉波整流两种情况下的谐波含有率图形如图3、图4所示。

图3 可控整流充电站10 kV接入点相电压谐波分布

图4 12脉波整流充电站10 kV接入点相电压谐波分布

可控整流情况下，相电压主要含有6k±1次谐波，5次谐波2.11%，7次谐波2.45%，11次谐波2.31%，13次谐波0.91%均未超过国标中的关于10 kV公用电网奇次谐波含有率限值要求。

12脉波整流情况下，相电压主要含有12k±1次谐波，11次谐波1.46%，13次谐波0.69%，23次谐波0.12%，25次谐波0.08%均未超过国标中的关于10 kV公用电网奇次谐波含有率限值要求。

参照《GB/T 14549 电能质量 公用电网谐波》中谐波电压限值规定，公共电网谐波(相电压)如表2所示。

表2 公共电网谐波(相电压)

4 结束语

电动汽车充电站是电动汽车能否普及的关键环节，其建设是否科学规范意义重大，电能质量问题的控制影响着公用电网的安全可靠运行，通过本文的仿真分析，对于电动汽车充电站建设提出以下小建议：

(1)改善整流装置结构以降低产生的谐波水平，例如采用12脉波整流或PWM整流；

(2)可以通过在充电桩内部加装谐波隔离装置的方式来减小谐波影响；

(3)通过在充电站内采用有源或无源滤波技术降低对站外电网谐波影响。

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