电动自行车和三轮车充电器谐波导致农村电压问题的分析

李嘉彬，张 涛，杨志杰，杨建华

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 海淀100083)

目前，电动自行车和电动三轮车等电动车在农村地区被广泛用于载人或运输货物，部分农户使用的电动车充电器、电采暖设备质量不能满足要求[1]，对农村配电网造成了谐波污染，导致农村配、用电设备损坏[2,3]。

本文研究农村配电网中电动车劣质充电器导致的农户过电压和设备损害问题，在分析电动车充电器谐波产生机理、谐波导致农村配电网电压过高原因的基础上，构建谐波对农村配电网电压影响的仿真模型；对于电动车充电器谐波导致的农村配电网用户电压过高的不同运行状态，采用农村低压配电网实例和现场实测谐波数据进行了仿真验证。

1 电动车充电器的谐波产生与现场测量

电动自行车和电动三轮车等电动车的蓄电池主要是铅酸电池和锂电池2 种。为减低成本，农村电动车广泛使用铅酸蓄电池。虽然相关电动车充电技术以及蓄电池材料的研究一直在不断进步，但为兼顾经济性，农村电动车仍存在充电效率不高，充电过程伴随着潜在的安全问题。

1.1 电动车充电器的电路结构及谐波

目前电动车充电器的型号规格较多，生产厂家不同其性能也不同，有些充电器采用线性变压器降压后整流，有些采用半桥功率变换电路，也有充电器采用单端反激式功率变换线路。大多数充电器都采用脉冲快速充电法，但为降低成本，不少充电器的电路比较简单，保护功能较差。在电动车蓄电池的充电过程中，如果电动车充电器充电电流的脉冲幅度和宽度控制不到允许值范围内，极易产生振荡，形成一个谐波源向电网注入谐波。

充电器充电过程产生的谐波会使充电用户的计算机屏幕和电视机显示亮度发生波动，图形或图像发生畸变，甚至会使用户的电气设备内部元件损坏。此外，谐波会导致线路和设备功率损耗增加；三次谐波及3的倍数次谐波即使在负载三相平衡的情况下也会使不平衡电流大于相电流；充电器导致的谐波还会干扰继电保护设备、电气测量设备、控制和通信电路以及用户电子设备等，会使灵敏设备发生误动作或元件故障。

1.2 电动车劣质充电器现场谐波测量

由于劣质充电器采用的电路结构和元器件不尽相同，对农村配电网电压的影响也就不完全一样，因此，须对劣质充电器进行谐波数据现场实测。

在北方某城市的农村电网，用HRDXB 型号的电力测量仪对多台电动自行车和电动三轮车充电器充电时的谐波进行了现场测量。其中充电器型号为SP 500-80 的某品牌电动车充电时的谐波含量最高，该电动车采用铅酸蓄电池，相关参数如表1 所示，充电器各次谐波电流含量的现场测量值如表2所示。

表1 SP 500-80充电器的参数

表2 SP 500-80充电器谐波电流测量值

由表2 可见，充电器工作时会产生较大的谐波电流，高次谐波电流含量随着次数的增加基本呈现递减的趋势。谐波电流包括3、5、7、9、11、13、15 等高次谐波，以3 次谐波和5 次谐波为主，总畸变率可达到79.5%，说明该充电器的谐波电流情况极为严重。

2 含劣质充电器的农村配电网电压计算

2.1 配电网谐波潮流计算

农村低压配电网，一般为树型结构，用户分散，供电半径大，线路较长且绝缘水平较低。随着电动车在农村地区普及，农村低压配电网的负荷有很大增加。与此同时，电动车劣质充电器在工作时伴随产生的较大谐波电流注入配电网，会加重农村低压配电网的电压质量问题。通过配电网谐波潮流计算即可得到配电网中各节点的电压大小。此外，在一个台区配电网中可能会有两个或多台充电器同时工作的场景，不同充电器产生的谐波之间会互相作用，导致配电网线路中的谐波电流增加，引起相邻一些农户家的电压升高。

正弦电压施压于非线性负载，基波电流发生畸变会为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波，导致谐波产生。目前农业农村中所用的电动交通工具和机械数量猛增，农村电网电压的畸变率也呈明显上升趋势。而其配套设备中的整流装置所占的比例最大，其产生的谐波污染所带来的危害较大。此外，斩波和逆变装置的应用也很多，而其输入直流电源也来自整流装置，因此其谐波问题也很严重，这类装置对农村电网的谐波污染日渐突出。

配电网谐波潮流计算是指在基波潮流计算的基础上，又要考虑各谐波源影响的配电网所有节点各次谐波电压、所有支路各次谐波电流的计算。配电网谐波潮流计算的主要步骤为：

根据各谐波源的本身运行特性，得到谐波源注入到配电网中的变量参数；

根据所在配电网中配电变压器、配电线路、等值系统以及用电设备等已有电气元件的不同特性，确定在配电网中各电气元件在各次谐波下所等效出来的谐波等值阻抗，从而可以得出相应配电网的谐波导纳矩阵Y(h)；

根据如式（1）所示的谐波方程，可以计算出配电网各个节点的各次谐波电压以及谐波电压畸变率等，如式（2）和式（3）所示。

式中：U(h)和I(h)分别为第h次的谐波分量所对应的节点电压向量和节点电流向量；UH为某节点谐波电压的总量；THDu为该节点谐波总电压畸变率。

2.2 谐波潮流计算仿真算例

北方某扶贫搬迁村的配电变压器和低压台区配电网接线如图1 所示。农村低压配电网负荷的随机性和波动性较大，并且一般用户是以单相方式接入。各农村用户虽然是尽量均匀接入低压配电网的三相中，但由于各个用户的用电设备功率不相同，设备开启时间不定，所以将会造成农村低压配电网的三相不平衡问题。因此，在农村低压配电网谐波电压计算中还应考虑三相不平衡所带来的影响。

图1 北方某村的台区接线图

低压线路连接的各个节点的三相负荷如表3 所示。

2.2.1 不接入任何谐波电器

在接入表5 的各相负荷后，对配电网进行潮流计算，可以得到各个节点的电压标幺值，其中节点10、11 的电压均为0.97 p.u.，满足国家相关标准要求。

2.2.2 接入单个谐波源

以表2中电动车充电器谐波的实际测量结果为依据，在（1）中负荷的基础上，将表2中谐波源的各次谐波注入低压配电网节点10的A相，由此对此低压配电台区进行进一步仿真计算。这时，节点11的A 相用户电流谐波畸变率THDi高达71.2%，表明存在显著的谐波干扰；部分计算结果如表4所示，节点10、11 的A 相电压分别达到了1.26p.u.和1.21p.u.；转换为有名值，节点10、节点11的A相电压分别提升了63.8 V 和52.8 V，已经远超供电网络节点电压偏差限值。

表3 低压线路负荷图

表4 单谐波源节点电压计算结果

2.2.3 接入两个谐波源

同样的负荷，将表2中谐波源的各次谐波同时注入低压配电网节点10、14的A相，对配电网进行潮流计算，部分计算结果如表5 所示。这时，节点11的A 相用户电流谐波畸变率THDi高达72.0%；节点10、11 的A 相电压分别达到了1.28 p.u.和1.22 p.u.；转换为有名值，节点10、节点11的A相电压分别提升了68.2 V 和55.0 V，同样远超供电网络节点电压偏差限值。

表5 双谐波源节点电压计算结果

可见当劣质充电器接入后，不光会向配电网网络中注入大量谐波，还会引起接入节点以及附近节点的电压升高，电压过高有可能导致一些正常运行的设备烧坏。由潮流计算结果可以得知，在接入劣质充电器时，接入节点以及附近节点的节点电压都有不同程度的升高。

此外，在A 相接入含有大量谐波的谐波源后，三相电压均有很大提升。其中，A 相电压的提升最为严重，B 相其次，C 相电压提升较低。这是由于三相接入负荷不平衡，C 相负荷较大、谐波含量相对较低，引起的电压提升程度较低；A 相直接接入谐波源，谐波含量最高，引起的电压提升也最高。

3 配电网谐波问题的治理

近年来，电动自行车和电动三轮车以其快捷、方便等特点，成为了农村一种较为普遍的出行交通工具，在农民日常生活与生产中随处可见。虽然各地质检、工商部门加大了电动车及其充电器的质量监管和抽查力度，但电动车充电器引发的用电安全问题仍不断发生，成为隐藏在农村的“定时炸弹”。为了避免农村配电网谐波导致用户过电压和其他充电安全事故的现象，应加强农村居民普及相关谐波和用电安全知识的宣传，让农民不购买不合格的电动车充电器，对已经使用的不合格电动车充电器要及时淘汰和销毁。

为切实保障农民安全，应在农民使用电动车较多的村庄，集中安装带自动充电、自动检测、定时断电等功能的电动车自助充电桩，并由专门单位负责建设、运营和后期维护。根据实际情况，可以在低压台区安装滤波器。考虑到农村劣质充电器用户的随机性，同时兼顾滤波器的安装费用、运行维护和管理问题，在实际工程中可以尽可能将滤波器安装在低压台区中农户较多的某一分支线路始端节点。

4 结论

本文针对农村配电网中电动车劣质充电器所导致的谐波和农户过电压问题进行了研究，并进行了充电器谐波电压和谐波电流的现场实际测量。在分析电动车充电器工作原理以及农村配电网特性的基础上，探讨了电动车劣质充电器导致用户电压升高的机理，并在三相负荷不平衡条件下对农村低压台区配电网进行了谐波源不同运行状况的仿真分析。仿真结果表明，使用劣质充电器会导致大量谐波电流注入农村配电网，造成配电网中充电器接入点用户以及附近用户的电压升高，严重时会引发农户用电设备损坏的安全问题。在实际农村低压台区的配电网中，可以集中安装智能化的电动车自助充电桩，也可以考虑将滤波器安装在农户较多的某一分支线路中。