浅析电动汽车充电设施对电能质量的影响及对策

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　　【摘要】本文介绍了电动汽车接入电网的相关概念和系统架构，并从理论方面深入分析了一般充电设备产生谐波的原因，从不同角度研究充电设备谐波的治理方案。
　　【关键词】电动汽车充电设施 电能质量
　　1.1电动汽车充电设施及工作过程
　　 电动汽车充电设施是为电动汽车上的动力电池提供电能补给，是发展电动汽车的重要配套基础设施。充电设施主要包括充电站和充电桩，充电站主要包括供电系统、充电设备、监控系统及配套系统。
　　 (l)充电站供电系统为充电站内充电设备提供电源，主要由开关、变压器及线路和监测、保护、控制装置等组成。
　　 (2)充电站充电设施为充电站的核心设备，主要包括交流充电机、充电桩/充电装置、计费装置、电池更换设备等。
　　 (3)充电站监控系统包括充放监控系统和安保监控系统。由一台或多台工作站或服务器组成。安保监控系统负责充电站内安保和充电设施的数据收集、监控等工作；充放监控系统对整个充电系统的原始数据进行存储和统计分析，提供数据服务及其他应用服务。
　　 (4)充电站配套设施为充电站提供辅助服务的充电工作区、办公室、消防设备等。
　　 电动汽车充电桩运行流程如下：
　　 首先，电网10kV的电压输入充电站，经变压器降压得到相电压为400V的电压，输入充电桩；充电桩将对输入的电流进行整流，对电流进行放大，使电压和电流幅值满足电池充电的要求，达到正常充电的目的。
　　1.2充电桩的谐波特性
　　 目前三相不可控整流电路在充电桩中普遍得到采用，因此在交流侧产生的谐波特点如下：
　　 (1)谐波次数为5、7、11、13、17、19…，且谐波幅值与谐波次数成反比关系，次数越高、幅值越小。
　　 (2)滤波电感、高频功率变换电路等效输入电阻、滤波电容和输入电源电压有效值的变化决定了单相电流的基波有效值和各次谐波的有效值的特性。
　　 (3)谐波电流与基波的比例与负载的大小有关，并不是一个特定的值。滤波电感越大，则谐波电流含量越小，基波电流越大；负载越轻，谐波电流含量越大，基波电流越小。
　　 (4)在滤波电感、滤波电容和输入电源电压有效值一定时，输出功率越大，高频功率变换电路等效输入电阻越小，则谐波电流有效值越大。
　　1.3充电站的谐波特性
　　 一般来说，一个充电站中含有许多充电桩，充电桩与公共电网连接之间需要配备变压器。
　　 充电站中多台充电桩同时工作时，多台充电桩输入电流之和是供电网输入充电站的总电流。当充电桩输出功率发生变化时，输入电流的某次谐波的幅值和相角都将发生变化。也就是说，同时工作的几台充电桩，当输出功率不同时，各自产生的同次谐波会发生相互抵消的现象，尤其是对于高次谐波，从而使得充电站的各次电流谐波小于所有充电桩的电流谐波之和。
　　 充电站谐波特点总结如下:
　　 (1)3、5、7、11、13次为主要谐波次数，其中含有率最大是5次谐波电流，次之的是7次谐波电流。
　　 (2)当多台充电桩同时工作时，电流总谐波畸变率会变小，主要是因为不同充电桩产生的谐波电流可以相互抵消；同时，电流总谐波畸变率波动小于单台充电桩的波动情况。因此，一般情况下，工作的充电桩台数越多，电流总谐波畸变率越接近某一恒定值。2、
　　 2、电动汽车充电站电能质量改善方法研究
　　2.1充电桩供货商谐波治理
　　 充电桩供货商谐波治理是从源头是治理谐波的最积极和有效的方式。充电桩供货商在设备制造过程中，可采用有效的技术降低设备注入电网的谐波电流，同时考虑谐波电流的叠加效应，具体措施包括脉宽调制法和增加整流器的脉动数。
　　 (1)脉宽调制法。在所需的频率周期内，采用脉宽调制法，为一至多台充电桩提供直流输入，然后将直流电压调制成幅度相等但宽度不等的系列交流，并输出电压脉冲，从而实现减少谐波对电网的冲击。采用脉宽调制法可以提高充电桩的功率因素，降低注入的电网谐波电流，使得总畸变率减少到5%，装置体积较小，各次谐波电流也小，高频隔离，动态性能好，输出纹波低，变换效率高。
　　 (2) 增加整流器的脉动数。充电桩中整流器是谐波主要的来源之一。通过增加电动汽车充电设施的整流脉动数，可平滑电流的波形，降低谐波污染。
　　2.2设计单位的谐波治理
　　 在设计建设方案时，设计单位应首先模拟并评估充电站投运后可能对电网接入点及区域内配电网络的影响，从接入点选择、变压器容量、充电站接线方式等多方面进行优选。
　　 (1)对电网接入点的选择
　　 当充电站采用公用变压器供电时，充电站注入的谐波电流会流入其他用户，从而危害到380V母线上接入的其他低压用户，导致电压畸变。此外，当充电桩的功率因数较高时，采用传统无源滤波装置不容易解决问题，甚至导致无功过补现象。因此，在充电站多台充电桩同时运行时，需要采用专用变压器供电。
　　 当充电站采用专用变压器供电时，专用变压器高压侧是电能质量考核点最佳的选择位置。如果接入点的电能质量达不到规定的限值，应采取一定的技术措施进行治理谐波电流。
　　 (2)变压器容量的选择
　　 变压器的容量应能满足所有用电设备的额定负荷，并在此基础之上留有一定的容量裕度。
　　2.3电网侧谐波治理
　　 从负荷属性来看，电动汽车充电站(桩)属于谐波源负荷，充电时会向公用电网注入谐波电流，影响电网电流和电压的质量。因此为了确保电能质量和电力系统的安全、稳定、经济运行，需要实施一定的措施来治理注入电网的谐波电流。这类方法是对已经存在的谐波进行有效治理的重要积极措施，也是目前在电力系统中使用最普遍的治理谐波的方法，适用于已经投运的电动汽车充电站。
　　 (1)采用无源型交流滤波器
　　 为了有效抑制和减少注入电网的谐波，无源型交流滤波器的安装位置应选在电动汽车充电桩设备的交流侧，其治理原理为：谐振回路由L、C、R元件构成，当LC回路的谐振频率与某一高次谐波电流频率一致时，即可实现阻止该次谐波流入电网。但是，无源滤波器存在着放大谐波电流的概率、占地面大、且系统参数往往导致滤波装置不能正常工作等缺点。
　　 (2)采用有源滤波器装置
　　 与无源滤波器相比，有源滤波器具有多重功能：第一，响应快捷、高度可控，可以补偿各次谐波，同时能够补偿无功功率、抑制电压闪变；第二，整体来说性价比较为合理；第三，可自动跟踪谐波的变化并对其进行补偿，自适应功能较高；第四，不受系统阻抗的干扰，可避免与系统阻抗发生谐振的危险。
　　 (3)统筹充电桩的数量
　　 当某个充电站中同时参与充电的充电桩数量增加时，会出现谐波，当各充电桩谐波电流相位角大多数相反的情况下，输入充电站的总谐波电流也会越小。但是也存在相同相位角谐波电流相互叠加的情况，这就要求我们随时统筹充电桩的数量及充电状态。
　　 (4)采用容量较大的系统提供电力
　　 采用容量较大的系统供电时，从端口低压母线侧和谐波源角度分析，充电桩等值阻抗值均得到了某种程度上的降低；在变压器高、低压两侧，整流装置产生的谐波电压畸变率均也得到了减少。
　　 (5)电能质量在线监测
　　 采用电能质量在线监测的另外一个目的是可以通过装置的告警功能实现谐波报警和保护功能。
　　 结束语
　　 电动汽车的发展和普及离不开充电站的建设，而充电站中大量的充电桩充电时会向电网注入谐波电流，产生谐波污染，从而影响系统的电能质量。因此，在充电站设计、建设、接入电网运行前有必要加以测试和解决谐波问题。
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