电动汽车接入电网对电网谐波的影响

陈男，孙晓东，马志鹏

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨，150022）

0 引言

随着全球能源危的不断机加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这两个技术难点的最佳途径，其中纯电动汽车被认为是汽车工业的未来。目前，国外的混合动力汽车已经开始大规模产业化，纯电动汽车也已开始进入市场。我国电动汽车起步较发达国家晚，但是发展很快。各汽车生产商积极投入到研发电动汽车的行列。规模化电动汽车入网充电引起电网负荷激增而导致基础负荷峰上加峰现象，会降低配电网的电能质量、影响配电系统的经济性运行，甚至涉及到配电网的规划建设。因此关于充电负荷对配电网的影响研究备受关注，国内外已有许多学者对其进行了分析。

充电负荷对电网电能质量的影响主要体现在：电压偏移、三相不平衡度以及谐波污染等方面[1]。针对电动汽车入网时所引起的系统三相不平衡问题研究，结果表明若电动汽车充电负荷合理分配于三相之间则可以很大程度上避免三相不平衡问题的出现[2]。对小区充电站进行了建模仿真，研究了多辆电动汽车同时充电时电网的谐波大小，分析得出充电桩工作时主要产生6k±1次谐波，且5次和7次谐波含量最高，提出了一种改进的有源滤波器并验证了其有效性[3-4]。

1 充电负荷对配电网的影响

在能源短缺与绿色发展的双重压力下，电动汽车代替传统燃油汽车是当前汽车行业发展的主要方向；在未来的几年中电动汽车将逐步占领家用汽车市场，电动汽车的无序充电负荷曲线与原配电网日负荷曲线的峰值时段相重叠，形成更高的负荷峰值，巨大的冲击负荷将会影响到配电网的运行稳定性和原有配电网的升级与规划等问题，并且这种影响会随着电动汽车渗透率的增大将更加严重。由于家用电动汽车充电负荷主要集中在配电系统，因此充电负荷对电力系统的运行稳定性影响主要体现在对配电网的电能质量与经济性方面。

配电系统中的负荷峰值、峰谷差、谐波、电压偏移以及网络损耗等是电网高效稳定运行的几个重要指标。当负荷峰值超过了配电系统的额定容量后，将导致变压器和线路过载运行，长时间的过载运行会严重影响设备的寿命和安全运行。过大的峰谷差则会导致配电系统的供电机组每天需要频繁的启停或者大规模增减出力，将影响到供电机组的使用效率，降低了电力系统的经济性。充电机工作过程中产生的谐波会导致电力系统的电压与电流发生畸变，不仅增加线路的损耗，还会影响到电气设备的正常工作。本文将重点分析充电过程中谐波对配电网的影响。

2 充电桩对电网谐波的影响

2.1 电动汽车充电桩谐波理论

实际中常用的三相桥式整流型充电桩的等效模型模型如图1所示。

图1 三相桥式整流充电桩等效模型

利用傅里叶谐波分析理论对该模型产生的谐波进行理论分析，得出谐波的规律为：充电桩整流电路是半波对称的，所以无偶次谐波，主要为奇次谐波，仅含 6k±1(k 为正整数)次谐波，即 5、 7、11、13、17、19 等次谐波；各次谐波有效值与谐波次数成反比， 且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

2.2 电动汽车充电桩谐波仿真

将配电网等效为一台额定电压为10kV的发电机和变比为10kV/0.4kV的变压器相连的电网。为了便于研究和提高仿真速度将充电桩的高频DC/DC功率变换器模块和蓄电池用一非线性电阻来等效代替。最终建立了包括配电网、充电桩、负载电阻的系统仿真模型，如图2所示。

图2 单台电动汽车充电桩接入配电网电网模型

运行单台充电桩的模型得到配电网低压侧的电流和电压波形及傅里叶分析结果如图 3 所示。由图3 可知，低压侧电流的总畸变率为 23.44%，电压的总畸变率为20.41%。其6k±1 (k 为正整数)次谐波较为典型，与理论分析结果一致

图3 低压侧电压、电流波形及傅里叶分析图

3 结束语

从电动汽车充电未来的发展趋势来看，短期内主要考虑配电网规划中电动汽车充电过程中谐波的出现，而从长期来看，随着电动汽车走入家庭以及充电技术和计量技术的发展，大规模分布式的家庭充电将成为研究电动汽车充电对电网影响必须考虑的重要方面。