電動汽車對電力系統的影響研究

黎瑞明

（廣東電網公司湛江供電局，廣東 湛江 524000）

隨著能源日益緊張以及低碳時代的到來，各國都在尋求新能源，同時為擺脫對不可再生資源的依賴而不斷做出努力。這時候，電動汽車應時代要求而出現。電動汽車的出現，可以降低對石油的依賴程度，并且大大降低了碳的排放量，應該說是順應時代潮流的。但是，它的出現也給當今電力系統帶來了一系列影響。比如，在低谷時期充電，可以提高對電網的利用率；但是在用電高峰期充電，尤其是大量汽車同時充電，會對電力系統產生很大的沖擊，需要靠增加電能儲備來滿足其需求。電動汽車充電站是非線性負載，在充電過程會產生很大諧波，對電力系統電能質量產生很大影響。因此我們必須清楚充電站對系統的種種影響，發現問題所在，這樣才能更好地解決問題，為電動汽車的發展奠定基礎。

1 電動汽車充電對電網的短期和長期影響

根據電網的現狀和發展特點，可將電動汽車對電網的影響分為短期影響和長期影響。電動汽車是負載，小規模的電動汽車出現不會影響目前電網的裝機容量，而且會為售電單位帶來利潤，在一定程度上帶動了電力的發展。但是隨著電動汽車的大規模出現，當今的裝機容量已經不能滿足充電負荷的要求，需要新增發電裝機來滿足。這不僅僅是簡單的增加裝機量得問題，因為大量電動汽車的出現，注定了其充電隨機性，相對電網而言，即為負荷的隨機性，因此增加裝機的容量就不好確定。因此，從長期來看，充電汽車會對電網的發展產生很大影響，而且，該種影響具有很大不確定性。因此，筆者建議將電網的規劃與電動汽車的發展相結合，只有這樣才能制定出合理的電網規劃方案，減少資源的浪費。

2 電動汽車充電對電力系統造成的諧波污染分析

2.1 電動汽車的電池類型以及充電模塊圖

電動汽車可以采用的電池種類有∶ 鎳金屬電池，鉛蓄電池，鋅空氣電池，高溫鈉電池，鋰離子蓄電池等，這些電池充電需要直流電源，而我們系統中大電網為交流電源，因此充電時需要先將交流電整流成直流電，即整流過程。充電模型圖見圖1。而整流過程會給電力系統帶來諧波污染，諧波的出現又會帶來一系列問題：使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀等等。

圖1 電動汽車電池充電模塊圖

2.2 諧波污染的分析

電動汽車充電時，充電機的諧波主要來自整流裝置部分，根據整流裝置的不同可以分為三種，分別為12脈波整流充電機，不控整流充電機和PWM整流充電機。現分析如下：

1）不控整流式充電機所帶來的諧波分析

由不控整流充電機的整流部分由不控整流橋組成，其仿真電路圖如圖2。

圖2 不控整流橋式充電機仿真電路圖

圖2中非線性電阻R是電動汽車充電電池的等效模型。該種整流類型電路充電機的脈動數 p=6，因此對交流側造成的諧波次數主要為 6k±1次，（k=1，2，……），諧波電流總畸變率達23.4%，尤其是5、7、11、13次這類奇次諧波電流很大。這種充電機的電壓電流波形如圖3所示。

圖3 電壓電流波形圖

2）12脈波整流式充電機所帶來的諧波分析

12脈波整流電路有兩種類型：串聯型和并聯型。這種整流類型的充電機一般采用并聯電路，因為充電機的功率變換單元的輸入電壓要求不能過高。圖4為12脈波整流充電機電路圖。

圖4 12脈波整流充電機電路圖

12脈波整流電路主要含有12k±1（k=1，2……）次諧波，由仿真結果可知在最大值時11次諧波的諧波含有率為 5.9%，13次諧波的含有率 3.5%，而 7次和5次諧波分別為1.4%和3.2%。隨著R值的增加，諧波電流先增大后減小，并在145min處達到最大值。

3）PWM整流式充電機

由IGBT組成的三相電壓型PWM整流器,其電路圖如圖5所示。

圖5 三相電壓型PWM整流器電路圖

圖6為PWM 整流電路任意時間段的交流側電流和電壓，交流側電流與電壓之間相角為0。

圖6 整流電路任意時間段的交流側電流和電壓

PWM 整流充電機變壓器高壓側各次諧波含量為：13次諧波為1.04%，11次諧波為1.28%，7次諧波為 1.57%，5次諧波的最大含有率為 2.98%。PWM 整流充電機的諧波隨著R變化而變化的趨勢較不明顯，總體趨勢與上述兩種充電機相同。

綜上所述，第一種和第二種整流方式的諧波污染相對比較多，而第三種整流方式的諧波污染會少點。但是電動汽車發展越來越快，隨著其規模的不斷增大，諧波污染將會很大，因此對電力系統造成影響也會越來越大。

2.3 諧波污染的影響

1）使保護裝置誤動

繼電保護裝置對電力系統至關重要，由于諧波的大量存在，容易使各類保護裝置產生誤動，還可能因此引起電網瓦解，造成大面積失電。

2）易損壞大容量電容器

超標的諧波電流會損壞電力系統中為了補償無功功率而安裝的電容器。

3）使測量儀表失去準確性

常規的測量類器具都是按照固定頻率（50Hz）的標準校準的，如電壓表、能耗表、電流表和功率表等,這些儀器也只能靈敏地反應標準頻率的變化，而諧波電壓和諧波電流的存在就會干擾這些儀器的測量結果，使結果失去準確性。

4）負荷增大使電力導線過熱

當大量的諧波電流流過三相四線式供電系統的零線時, 導線會過載而發熱。大量諧波電壓電流在電網中游蕩并積累疊加導致線路損耗增加、電力設備過熱，從而加大了電力運行成本，增加了電費的支出。

2.4 充電設備對電網電流的影響

1）影響其他電力設施

當大量電動汽車在用電高峰期充電時，現有的電能容量和輸電設施就會顯得不足，額外電流會使得輸電線路難以順利傳遞能量，使得其他用電設備受到影響。

2）增加基礎投入

大量電動汽車充電站的出現，會額外增加負荷儲備量，使得電網不得不預備一定的儲備量為其時刻做好準備，這就要求在高峰期固定負荷電力需求的基礎上額外增加部分裝機容量和線路傳遞容量，使得電網的基礎投入增加，投資也相應增加，資源的有效利用率相對降低。

3）增加電網運行成本

當負荷需求超過預訂計劃時,有兩種方案可以解決：其一是增加旋轉儲備電量；其二就是起動冷備用發電機來分擔過量的負荷。這兩種方案都可以滿足最大電量的需求。但是冷備用發電機的起動和并網運行需要一定的時間，所以應該提前起動以滿足該要求，這也對預判斷能力提出了要求；當高峰負荷過去后，它們也不可能立即退出運行。這種投入與退出運行不僅會造成能量浪費，增加電網運行成本，而且對電網也產生一定的沖擊，增加了設備出現故障的風險。

3 充電站給電力系統帶來風險的解決方案

解決充電站給電力系統帶來的沖擊方案有以下兩種。一是盡力抑制電動汽車充電站的諧波污染，提高電能質量；二是另辟蹊徑，找到新的充電方案。現就這兩種方案進行詳細分析。

3.1 提高充電站電能質量

1）諧波抑制法

經過上面分析，充電站對系統造成的影響最主要因素之一就是諧波污染，因此電動汽車充電站中一定要有諧波處理環節，盡量降低諧波對電力系統的影響，提高電能質量。因此，如何有效的抑制甚至消除諧波污染成為制約電動汽車發展的主要瓶頸問題。常見的諧波抑制方法有以下幾種。

（1）有效抑制諧波源處的諧波

為了從根本上消除諧波，可以在諧波源上采取措施。這種方法不僅能有效提高電能質量，還可以很大程度上降低消除諧波所消耗的費用。具體方法有以下幾種：

其一，增加整流器的脈動數。電網中的主要諧波源之一是整流器，整流器的特征頻譜為：n=K×p±1，由此可見脈沖數p增加，n也相應增大，而諧波電流In≈I1/n，因此諧波電流將減少。這樣我們可以通過增加整流脈動數，提高波形平滑度，也就相應降低了諧波。這種方法也有缺陷，比如p的增加，會使得設備成本也相應增加，而且換流器接線比較復雜，利用率也不是很高。

其二，脈沖寬度調制法。這種方法是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，在所需的頻率周期內，將直流電壓調制成等幅不等寬系列的交流輸出電壓脈沖。

其三，三相整流電路采用Y/△或△/Y的接線。這種接線可以消除3或者3的倍數次諧波，是抑制高次諧波的一種最基本的方法。

（2）在諧波源處吸收諧波電流

如果采用以上幾種方法不能有效地抑制諧波對系統的污染，那么可以采用在諧波源處處理已經出現的諧波污染問題，主要方法有：

其一，無源濾波器。無源濾波器又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結構是將電感與電容串聯，可對主要次諧波（3、5、7）構成低阻抗旁路。無源濾波器具有結構簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低等優點，至今仍是應用廣泛的被動諧波治理方法。

其二，有源濾波器。所謂有源濾波器是指利用可關斷電力電子器件，產生與負荷電流中諧波分量大小相等、相位相反的電流來抵消諧波的濾波裝置。

其三，避免并聯電容器組對諧波的放大作用。并聯電容器可以調節電壓和改善功率因數。但由于它的存在也可能會放大諧波的危害，增加附近電氣設備的安全隱患。為了解決此問題有兩種方案：一是限制電容器組的投入容量；二是采取串聯電抗器，盡量降低電容器對諧波的放大。

其四，裝設靜止無功補償裝置。

（3）提高供電質量

提高供電質量也有兩種方案：其一是選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡；其二是用專門的線路為諧波源負荷供電。

2）加入人為控制因素

（1）在允許范圍內盡量增加充電站充電點的數量

由于每個電動汽車充電器時產生的諧波電流的相位角一般不同, 所以電動汽車在充電時可能會出現諧波補償甚至諧波抵消。如果多輛電動汽車同時在一個充電站充電，如圖7多對一充電圖,那么同時流過該充電站的諧波電流出現諧波補償。

圖7 多對一充電圖

（2）充電協調法

這種方法可以減小由電動汽車充電引起的電流過載。同一充電站同時給一組電動汽車充電時,應該協調好充電時間和充電電流,減少電力系統過載電流的出現，盡可能保持負荷曲線平坦。充電協調的方法可以分為分布協調和集中協調。

其一，分布協調。在每輛充電汽車或者充電器上安裝分布式協調控制器，它的作用就是在電動汽車充電站的總電流需求量在規定的范圍內時，使得電動汽車充電電流盡量增大，以縮短充電時間。當該輛汽車充電完畢時，分布式協調控制器可自動將剩余電流分布到其他某幾輛電動汽車中進行充電。但是用這種方法進行充電時只能將剩余電流最大程度地分配到某幾輛充電汽車上，而不能平均分配到待充電的汽車上，因此待充電汽車的充電時間將不同，會引發一些后續問題。而且只知道個別充電汽車的充電電流大小而不知道所有同時充電的汽車的充電電流大小，不能進行全局控制，限制了一些復雜控制算法的應用。

其二，集中協調。如圖8所示的集中協調充電站充電示意圖。該種方法需要一個通過通信線路與各個充電器相連的中央計算機，通過通信線路實時收集各個充電器的充電信息，如充電時間長短，充電電流大小以及電池容量等。通過信息整理以及智能系統的判斷，最終制定合理的充電方案，給每輛待充電汽車合理分配充電電流等，這樣可以有效地控制供電系統中總需求電流不過載。但是這種方法成本比較高，而且系統比較復雜，還有很大發展空間。

圖8 集中協調充電站充電示意圖

3.2 拓展思路，另辟蹊徑

當我們專注于如何減輕充電站的接入對電力系統所造成干擾的同時，可以把思維轉換到使用新能源，改用新方式為電動汽車提供充電電源。

（1）智能充電系統

電力系統電能在經過AC/DC轉變時，會產生各種諧波，這種諧波只能弱化，不能消除，也就是說，只要電動汽車充電站的電能來自整流器端，那務必會給系統帶來諧波污染。

太陽能是一種清潔能源，而且太陽能發電電池發出的電是直流電，如果在電動汽車充電站旁建一座微型太陽能發電廠，直接利用太陽能發出的直流電為充電站提供電能，省去了AC/DC環節，不僅消除了充電站對電力系統的諧波沖擊，還避免了對電力系統造成大的擾動。

這種方案已經在浙江和上海等地實施。但是這種方案也存在著發展的瓶頸：①儲能電池的儲能能力不足。太陽能發電受自然因素影響比較大，發電具有隨機性，如果儲存能力不足，在晚上或者陰雨天充電站的能源供給將不足，這樣將影響充電站的工作；②太陽能發電技術還不是很成熟，光電轉換效率還不是很高，成本也比較高；③晶體硅也是一種潛在的污染，如果大力發展太陽能發電，則若干年后，廢舊的太陽能電池也即將成為令人頭痛的問題。

（2）無線電充電技術

利用感應式電能傳輸技術可以通過無線電為電動汽車充電。該技術是利用感應電荷的原理，將電源板埋在道路的瀝青下（這樣電源板既可以得到有效保護，又不會受到惡劣天氣影響），將電能接收墊安裝于電動汽車車身下側，這樣電池就可以通過無線電系統進行無線電充電。當汽車行駛到供電線圈裝置上，受電線圈即可接受到供電線圈的電流，從而對電池充電。目前，這套裝置的額定輸出功率為10kW，一般的電動汽車可在6～8h內完成充電。

4 結論

綜上所述，隨著能源的日益緊缺，電動汽車必然會迅速地發展，與此同時，充電站將會給電力系統帶來很大的干擾。因此，要求我們應同時從多方面采取措施。比如采用先進技術降低設備對電網的諧波電流注入，考慮多臺充電機同時工作時諧波電流的疊加影響；為了保證充電站長期安全運行，可以考慮電動汽車充電站安裝電能質量在線監測設備和諧波報警以及諧波保護設備；我們也應該創新思維，發展智能充電技術以及各種離網充電技術。

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