充电桩接入对电网谐波所产生的影响

于连勇

（ 黑龙江特通电气股份有限公司，黑龙江 哈尔滨150028）

多台电动汽车在应用充电桩进行充电时将会对电网产生复杂的谐波影响, 相对于单台电动汽车充电所产生的谐波要更加复杂多变。谐波会对电网的电能质量产生的一定的影响,为保证供电安全需要就多台充电桩与电网之间的交互影响进行分析,并注意分析各次谐波电流幅值与充电桩台数增加之间的变化关系。 本文通过建立仿真模型用以分析多台充电桩进行充电时所产生的谐波影响。

1 电动汽车充电桩模型建立

1.1 充电机等效模型

电动汽车充电桩主要用于电动汽车的充电, 其通过将市电逆变成电动汽车充电所需要的直流电压, 完成对于电动汽车的快速充电，电动汽车充电桩包含有逆变器、DC/DC 功率变换器、滤波保护模块等部分。 现今应用于电动汽车的充电桩主要有直流和交流两种模式，交流充电桩所提供的市电无法直接用于电动汽车充电，仅可以作为动力源提供电力输出，交流转电动汽车所需要的直流电还需要依靠车载充电部分，车载充电器受体积等因素的影响一般功率都不大，在使用车载充电部分时充电电流小、耗时长，无法实现大电流、短时间的快速充电。 相对于交流充电桩，直流充电桩自身具备逆变部分，将交流市电转变为可以为电动汽车所直接利用的直流电。 直流充电桩主要采用三相四线制与三相三线制两种制式供电，能够在较大范围内调节输出的电压和电流，在为电动汽车进行充电时能够快速的完成充电作业。 由于应用交流充电桩时产生的谐波影响较小， 本文主要以直流充电桩为模型研究多台直流充电桩充电作业时的谐波干扰。

在建立仿真模型时， 结合充电桩的结构将其中的功率变换器进行等效转化用以简化模型。 由于充电桩的充电模式主要以恒流限压和恒压限流两种模式为主，在模拟计算时可以在一定的工频周期内将充电桩的输出电流和输出电压视作一个恒定的直流电压和电流值。 在功率变换器的等效上可以将其阻值以DC/DC 功率转换器的输入电压和电流的比值来替代。 此外，需要注意的是，由于用于等效功率变换器的非线性电阻阻值在电动汽车的整个充电周期内是不断变化的，可以以曲线拟和功率变换器的输出功率和阻值。 本文以某型号的充电桩为例进行建模分析，结合该型号充电桩的电气特征，模拟假定该型号充电桩的功率最大为9KW,效率为0.9。对于充电桩的控制电路部分，由于现今的充电桩主流以“ PWM 整流+ 高频DC/DC 变换器”为主，这一类型的充电桩具有相较于以往充电桩更加先进的控制核心与更加优化的控制策略。 在应用该类型充电桩进行充电时，充电的功率因数更高、变化效率更强、谐波畸变也更小，由于变换后的电能具有良好的电能质量， 因此无需在变换后加设滤波装置。 本文建模的充电桩采用的是同步旋转坐标系下的比例- 积分控制算法完成PWM 信号的生成。控制算法通过将充电桩的直流电压与参考电压信号相对比， 并以两者之间的误差信号来对充电桩的输入电能进行比例- 积分控制，比例- 积分控制器完成对于误差信号的无差跟踪， 这一过程将持续到充电桩充电误差信号为零为止。 在充电桩的内环控制环节中， 将会对充电桩的三相瞬时电流信号进行采集， 将其与外环控制器的输出电流信号进行对比，并对两者的误差值采用比例- 积分控制器完成误差跟踪， 利用电压前馈补偿和交叉耦合补偿完成对于误差的补偿。通过对电动汽车充电功率进行模拟后发现,电动汽车的充电功率随着时间的变化总体呈现出前高后低的趋势, 充电功率在初始时为7KW,并在150min 后达到顶峰9kw,此后,充电功率将呈现断崖式下跌。

1.2 充电桩充电质量的建模分析

为研究接入多台电动汽车充电桩所受谐波的影响需要对充电桩在多台电动汽车接入时的电能质量需要对其进行建模分析。 为了更好的模拟真实的情况在模型建立时囊括了光伏发电系统和其他分布式的电源系统, 分手式电源所采用的是三相电压型SPWM 逆变器,因此模型可以以SPWM 进行等效。 仿真模型中,充电桩进行作为负载端与电力系统进行连接,并入了4 台充电桩采用PQ 控制, 充电桩容量为9kw,变压器容量为1MVA。通过模拟数据显示单台电动汽车充电桩的输出谐波与充电桩所接入的电动汽车台数呈反比, 即接入的电动汽车台数越多充电桩所输出的电流幅值也越小， 而造成这一现象的根本原因在于充电桩所接入电动汽车产生的谐波之间将会产生矢量叠加,叠加的谐波将产生相位影响。 此外,随着充电桩上所接入电动汽车数量的增加, 充电桩与电网的接入点上的谐波电流幅值将大幅增加,造成这一现象是由于充电桩与电动汽车相连接后,电动汽车就可以看作为接入配电网的负载, 电动汽车充电时所产生的谐波电流受到配电网系统接入点与系统之间阻抗的作用,加之系统与接入点之间的阻抗要比电动汽车接入点之间的阻抗小得多, 从而造成电动汽车充电桩在充电时所产生的谐波电流主要流向配电网系统,从而在配电网系统中产生较大的干扰。同时通过模拟可以看出, 单台充电机所产生的5 次谐波电流平均为0.432A, 接入4 台充电机后所产生的5 次谐波电流平均为0.927A, 上述数据显示增加充电桩接入的电动汽车台数所造成的谐波电流并不是线性增加的, 而是非线性增加的。 造成这一现象的原因是由于充电桩所接电动汽车之间存在谐波电流相互抵消的情况, 由于抵消的存在使得谐波电流并不与电动汽车台数的增长同比例.此外,还需要考虑到配电网中所含有的背景谐波电压所产生的网侧变流器谐波电流所产生的影响,由于其频率与电网背景谐波电压频率相同,因此其极易掩藏在背景电压之下容易被忽视。 在电动汽车动力电池充放点控制策略上如采用传统的双环控制策略将容易导致逆变器输出电流的跟踪性较差,使之与参考电流之间存在较大的偏差,从而造成多台电动汽车在应用充电桩充电时会产生较为明显的影响。

2 多台充电桩接入充电对电网所产生谐波影响测试

为验证分析的准确性需要对多台充电桩接入充电对电网所产生谐波影响进行实际测试, 试验选取了某4 台型号相同的充电桩, 通过为期一周的测试测试在多台电动汽车充电时所产生的谐波影响。 样本采集将以409.6KHz 为采样频率,用以记录充放电时所产生的谐波电压和电流,并将所记录的数据整理绘图.通过对所记录的数据进行分析后发现, 接入充电桩上的电动汽车越多,则意味着接入配电网侧的负载电阻越多,汇集母线上所通过的电流也在不断的增大。此外,多台电动汽车所引发的谐波电压影响并不是线性叠加的,而是矢量叠加的。以4 台的电动汽车为例, 在其接入充电桩时所产生的电压仅为单台电动汽车接入充电桩所产生谐波电压的3.6 倍,略低于4 台线性叠加所产生的4 倍.多台电动汽车接入充电桩的情况下,各车所产生的谐波电压将会对同一时间段所接入充电桩中的电动汽车谐波电压产生接触抵消的情况, 从而使得充电桩的谐波电压增加呈现出非线性特性。

结束语

电动汽车在未来将取得广泛的应用,为保障充电安全需要积极做好充电桩充放电特性的研究与分析。 电动汽车充电桩所产生的谐波往往向着配电网侧流动,其向负载处流动的极少,同时随着接入充电桩中的负载设备的增加, 设备间所涌动的谐波电流将由于谐波叠加的影响而有所降低。此外,多台电动汽车应用充电桩充电时所产生的谐波容易在配网背景谐波的影响下产生一定的变化, 而这一变化的存在将会对配电网的电能质量产生较为严重的影响。新时期随着电动汽车使用量的不断增加,其接入充电桩后将会对配电网产生较大的影响, 为保障供电质量需要就各种影响进行分析, 以便于后期结合所产生的影响采取针对性的控制措施。