多接入电动汽车充电桩对电网谐波的影响研究

2020-03-20刘志凯郑文悦李海弘

浙江电力 2020年2期

刘志凯，郑文悦，李海弘，刘华

（1.浙江华电器材检测研究所有限公司，杭州 310015；2.清华四川能源互联网研究院，成都 610213）

0 引言

随着能源危机和环境污染的加剧，分布式电源和电动汽车在全球范围内发展很快，越来越受到人们的重视[1]。电动汽车一改传统驱动方式，使用电力进行驱动，能够减少温室气体的排放，改善环境，但电动汽车充电时采用逆变器作为并网及直交变换的接口，当输出的谐波含量过高时将会影响电网安全稳定运行[2]。而多台电动汽车充电桩同时工作时，其产生的谐波之间的交互影响以及对电网安全的影响将更为复杂[3-4]。

近几年，国内外学者对电动汽车充电桩进行了建模并分析其产生的谐波问题。文献[5]对多种充电站进行了谐波的测试，分析了电动汽车充电桩并网对系统的谐波影响。文献[6]建立了电动汽车充电桩MATLAB 仿真模型，并对电动汽车充电桩并入电网的谐波进行了分析。文献[7]建立了充电站的仿真模型，重点研究了电动汽车充电桩并网产生谐波随电动汽车充电功率的变化规律及其随充电机台数增加的变化规律。以上研究均未涉及背景谐波的存在对电动汽车充电桩产生谐波的影响。背景谐波的存在可能致使充电机产生的各次谐波幅值发生变化。

本文结合配电网背景谐波的特点以及不同台数充电站的谐波相互影响特性，分析电动汽车充电桩对配电网运行产生的影响。在此基础上，利用PSCAD 软件仿真平台建立电动汽车充电桩的仿真模型以及简易的配电网模型，并将电动汽车接入配电网用于定量分析电动汽车充电桩之间、电动汽车充电桩与配电网之间的谐波交互影响关系，从而为电动汽车充电站的运行管理和规划设计提供辅助决策支持[8]。

1 电动汽车充电桩模型分析

1.1 充电机等效模型

电动汽车充电桩主要由逆变器模块、DC/DC功率变换器模块、滤波模块组成。接受来自配电网的交流电，经一系列环节后为电动汽车提供电能[9-11]。目前市面上有两类电动汽车充电桩：交流充电桩和直流充电桩。因交流充电桩本身并不具备充电功能，只是单纯提供电力输出，还需要连接电动汽车车载充电机，方可为电动汽车电池充电。且电动汽车车载充电机的功率一般都比较小[12]，所以交流充电桩无法实现快速充电（大电流、短时间）。而直流充电桩可直接为电动汽车的电池充电，一般采用三相四线制或三相三线制供电，输出的电压和电流可调范围大[13]，因此可以实现电动汽车快速充电。由于慢速充电模式（小电流、长时间）给电动汽车使用造成了较大的不便利，本文选择直流充电桩进行模型的建立。拓扑结构如图1 所示。

图1 电动汽车充电桩结构

为了便于仿真，可将图1 中功率变换器部分进行等效，等效结果如图2 所示，其中voa，vob，voc为逆变器端口三相电压；ifa，ifb，ifc为三相交流电流；Udc为直流母线电压。电动汽车最常用的充电方法为恒流限压/恒压限流，在一定的工频周期内，都可以认为充电机的输出电流和输出电压是恒定的直流，即图1 中Io，Uo均为常数[7]。由文献[8]在低频范围内，可以用一个非线性电阻Rc来近似模拟高频功率变换环节的等效输入电阻：

式中：Udc，Idc分别为DC/DC 功率变换电路输入电压和电流；Uo，Io分别为DC/DC 功率变换电路输出电压和电流；Po为DC/DC 功率变换电路输出功率；η 为DC/DC 功率变换电路效率。

图2 电动汽车充电桩仿真模型

1.2 非线性电阻建模

如式（1）所示，非线性电阻Rc在整个充电周期内是变化的，根据蓄电池充电过程记录数据，用曲线拟合充电机输出功率的曲线[8-9，14]：

式中：P0max为最大输出功率。

输出功率曲线如图3 所示，该结果与文献基本相符[9，14-15]。利用PSCAD 软件中的元件库，根据式（1）和式（2）搭建Rc和P0的模型，如图4 所示。其中，假设单台充电机的最大功率为0.009 MW，效率η 为0.9。

1.3 控制电路建模

“PWM 整流＋高频DC/DC 变换器”型充电机是目前市场上的新兴产品，采用先进的电力电子器件以及更加优化合理的控制策略，具有功率因数高、变换效率高、谐波畸变小等优势，使用时无须增加滤波装置，对电网电能质量基本不产生不良影响[16-17]。本文选择同步旋转坐标系下PI 的控制策略来生成PWM 控制信号。控制框图如图5所示。根据文献[18]可得：

式中：LΣ为滤波器的等效电感；ifd，ifq分别为ifa，ifb，ifc经过派克变换后的d 轴和q 轴分量；vd，vq分别为voa，vob，voc经过派克变换后的d 轴和q 轴分量；v1d，v1q分别为va，vb，vc经过派克变换后的d 轴和q 轴分量。

图3 电动汽车充电功率变化曲线

图4 非线性电阻控制框图

图5 dq 坐标系下PWM 整流器的控制框图

对三相瞬时值电流ifa，ifb，ifc与三相瞬时值电压voa，vob，voc进行派克变换后，得到dq轴分量ifd，ifq和vd，vq。将直流电压Udc与所给定的参考信号进行比较，并对误差进行PI 控制，得到内环控制器的参考信号。当直流输入电压与参考值不等时，误差信号不为零，从而PI 调节器进行无误差跟踪调节，直至误差信号为零。

在内环控制环节中，三相瞬时值电流ifa，ifb，ifc经过派克变换后变成dq 分量，与外环控制器输出的参考信号进行比较，并对误差进行PI 控制，并根据式（3）进行电压前馈补偿和交叉耦合补偿。

2 电动汽车公共连接点电能质量分析

2.1 仿真模型

为验证所提结论的正确性，本文搭建了接入多电动汽车充电桩以及其他分布式电源的配电网仿真模型。同时，为了更准确地反映实际工况，模型除了光伏发电系统之外还加入了其他分布式电源，整体结构如图6 所示。由于分布式电源一般都采用电力电子装置实现电能变换并接入电网，其中最常见的就是三相电压型SPWM（正弦脉宽调制）逆变器。故对除了光伏发电系统之外的分布式电源，均使用三相电压型SPWM 逆变器进行简单等效。图6 中共有4 个电动汽车充电桩接入点。并网点和接入点如图6 所示，主要参数如表1 所示。

图6 仿真结构拓扑

表1 仿真模型参数

2.2 多电动汽车充电桩接入系统的谐波影响

为探究电动汽车充电桩对电网产生的谐波影响随电动汽车台数增长的变化情况，本文分别仿真电动汽车充电桩接入配电网台数为1，2，3，4台时接入点和并网点处的谐波情况。仿真结果如图7—8 所示。其中不同颜色代表不同接入台数，接入电动汽车充电桩型号相同。

图7 不同台数电动汽车充电桩接入下并网点处谐波电流仿真结果

图8 不同台数电动汽车充电桩接入下接入点处谐波电流仿真结果

由图7 可见，随着电动汽车充电桩接入台数的增加，单台电动汽车充电桩（并网点）输出的谐波电流幅值呈现减小的趋势。造成该现象的原因是：谐波的叠加是矢量的叠加，叠加结果受相位影响。

由图8 可见，随着电动汽车充电桩接入台数的增加，汇集母线（接入点）上的谐波电流幅值呈现显著增加的趋势。造成该现象的原因是：当电动汽车充电桩接入配电网之后，发射的谐波电流受接入点与系统之间阻抗的影响很大，由于接入点到系统的阻抗远小于接入点之间的阻抗，所以电动汽车充电桩工作产生的谐波电流大多流向系统。除此之外，还可发现1 台充电机投入系统产生的5 次谐波电流大小为0.441 A，4 台充电机投入相同系统产生的5 次谐波电流大小为0.938 A。由上述数据可知，4 台电动汽车充电桩产生的谐波电流并不是1 台电动汽车充电桩的4 倍，而是2.1 倍。这是因为接入系统的电动汽车充电桩之间存在谐波相互抵消的作用，导致谐波并不随着设备数的增长而成倍增长。

2.3 考虑系统背景谐波对多充电桩接入的影响

图9 给出了2 台电动汽车充电桩接入时，有无背景谐波情况下单台电动汽车充电桩输出（并网点）谐波电流仿真对比结果。假定电网背景谐波电压仅含有基波和低频谐波（3，5，7 次），各次谐波电压幅值分别为327 V，150 V，100 V，50 V，相位均为0。可见，在考虑背景谐波的情况下，单台电动汽车充电桩谐波发射水平比不考虑背景谐波时要高。由文献[19]可得：由电网背景谐波电压所产生的网侧变流器谐波电流，其频率与电网背景谐波电压的频率相同，其幅值正比于电网背景谐波电压的幅值，本文结合电动汽车的控制策略以及模型进行推导，同理可得上述结论，即电动汽车充电桩额外产生的谐波电流频率与背景谐波电压相同，幅值与背景谐波电压幅值成正比。除此之外，文献[20]也指出：采用传统的双环控制策略会使得在背景谐波电压存在的情况下，逆变器的输出电流无法准确跟踪参考电流。因此背景谐波电压的存在会对电动汽车充电桩输出的谐波电流产生明显影响。

2.4 实测数据分析

图9 考虑背景谐波时电动汽车充电桩谐波电流输出特性

出于安全考虑，未对电动汽车充电桩出口侧进行测量，仅对汇集母线处进行实测验证[21-27]。为验证本文所提仿真模型的正确性，对厦门某电动汽车充电站的4 台型号相同的电动汽车充电桩进行为期一天的谐波连续测试。主要参数如表2 所示。本次实测所用数据采集装置采样频率为409.6 kHz，可用来测试谐波电压或电流。测试结果如图10 所示。选取3 组不同工况下的实测数据进行对比（均为A 相数据）。由于文章篇幅有限且为清晰列出谐波变化情况，选取较为明显的谐波数据进行分析，不展示谐波所有频率范围内的实测图。

表2 电动汽车充电桩主要参数

图10 不同台数充电桩接入汇集母线下谐波电流结果

实测图10 可看出，随着电动汽车充电桩接入配电网的数量增多，汇集母线上谐波电流呈现不同程度的增大。除此之外，由上述数据可发现，4 台电动汽车充电桩产生的谐波电压并不是1 台电动汽车充电桩4 倍而是略低于4 倍，即汇集母线处谐波电压的增长小于直接叠加的结果，这是因为接入系统的电动汽车充电桩之间存在谐波相互抵消的作用，导致谐波并不随着设备数的增加而成倍增长。