電動汽車充電諧波對電能計量影響的仿真分析

周敏+++雷晶晶+++袁語

摘 要：環境污染的日益嚴重，使得電動汽車成為新能源交通領域發展的必然趨勢。電動汽車事業發展必須以完備、大規模的電動汽車充換電設施為基礎。而電動汽車充電機屬于新型大功率、高度非線性的用電設備，會產生諧波，將對電能質量造成污染，導致電能計量誤差。電能計量的準確性和合理性關系到電力公司、用戶和充電運營商的利益，因此電動汽車充電對電能計量的影響研究具有十分重要的意義。

關鍵詞：充電機；諧波；電能表；電壓互感器；電流互感器；計量誤差

1 概述

隨著一次能源的枯竭和環境污染的日益加劇，進行能源革命勢在必行。能源革命的實質是清潔能源逐步替代化石能源[1]，最終淘汰化石能源，而電動汽車可以很好的實現電能替代，因此在交通領域大力推廣使用電動汽車是能源革命的一項重要舉措。電動汽車數量的激增能夠使清潔能源轉化來的電能得到有效利用，有助于解決環境問題。但同時，充電機作為一種新型大功率、高度非線性的用電設備，接在城市電網和電動汽車之間會對電網產生諧波污染，影響電網的電能質量和電能計量系統的計量準確性，而電能計量問題關乎電力公司、用戶和充電運營商利益，所以研究電動汽車充電機對電能計量系統的影響具有重要的理論意義和實際價值。

作為一個諧波功率源，電動汽車充電機對電網及電網計量的影響備受關注。文獻[2]通過設計充電機仿真模型研究了三種不同類型充電機的諧波電流大小，結果表明不同類型的充電機對諧波的抑制作用各不相同，充電機投入的同時性對諧波電流也有影響，但沒有研究諧波對電能計量裝置的影響。文獻[3]為能夠有效的解決電能計量的檢定及溯源等問題研究了實現電動汽車充電站電能準確計量的方法及裝置，研究成果具有良好的現場應用效果，但沒有考慮互感器等的測量誤差。文獻[4]首先對電動汽車充電機進行分類，分析了各類充電機產生的諧波特征，根據實際運行中充電站的實測數據，對充電站的配電變壓器安裝點、容量、充電站的監測管理，諧波抑制等提出一些具體的建議。文獻[5]研究了影響電能表計量的因素，并在Matlab/Simulink環境下建立不同種類充電機的完整模型，對不同種類充電機在不同情況下對計量合理性和準確性影響進行分析。

針對電能計量，相關研究注重于諧波畸變下電能表計量的準確性和計量方式的改進，往往忽略了電能計量裝置中與電能表配合使用的互感器所帶來的影響。文獻[6]在仿真諧振型和速飽和型兩種類型的CVT的頻率特性曲線基礎上，通過電能質量擾動裝置，分析了CVT的諧波測量誤差。文獻[7]對在直流分量和諧波條件下電流互感器的傳變特性做了系統和全面的分析，但因電壓畸變率較小，在分析諧波電能計量的過程中沒有考慮電壓互感器在非正弦下的傳變特性所帶來的影響。文獻[8]建立了考慮線路阻抗及配電變壓器在內的完整充電機模型，分析了電動汽車充電機對電能計量的影響，重點研究了充電機恒流大功率充電、脈沖充電對計量準確性的影響?？紤]了合理配置充電機充電功率，線路阻抗，諧波抑制裝置等確保計量的合理性，但未考慮對整個計量系統的影響。文獻[9]提出了一種對普遍的電動汽車充電對配電系統諧波電壓水平的影響的統計方法，該方法使用非線性負載電流的統計模型，以產生特定的諧波電壓水平的概率。通過電動汽車集中產生的諧波電流的統計模型的不確定性和不斷變化的充電器開始時間和初始電池狀態的充電介紹了諧波的消除。

電力系統的電能計量裝置是由電壓互感器、電流互感器、電能表和計量的二次回路組成，每個組成單元雖在基波條件下的誤差能滿足其設計要求，但在諧波情況下，各部分的工作狀態將發生變化，導致計量誤差增加，從而使電能計量系統的計量誤差遞增。本文對電動汽車充電諧波對電能計量裝置的影響進行了理論分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了電動汽車充電模型、計量裝置仿真模型，以固定負載下的充電諧波對計量合理性和準確性影響進行分析。

2 電動汽車充電機的諧波特性分析

采用了現代電力電子器件的電動汽車充電機是高度非線性的用電設備，接入電網后會產生一定諧波污染，對電能計量造成影響[10-13]。

目前，主要使用和研究的電動汽車充電機的結構如圖1所示，三相橋式不控整流電路對三相電進行整流，濾波后為高頻DC-DC功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經過輸出濾波電路后，為動力蓄電池充電。

圖1中的高頻功率變換器建模比較復雜，且計算量大，不利于觀察整個充電過程電流的變化情況，因此設想將其近似等效。相對于工頻周期（0.02s）來說，動力蓄電池充電過程所需時間很長（4-6h），則在一個至幾個工頻周期內，都可以認為充電機的輸出電流I0和輸出電壓U0是恒定的直流，即高頻功率變換電路工作于恒功率狀態，當輸入電壓升高時，輸入電流必須相應的降低，可以用一個非線性電阻RC來近似模擬高頻功率變換電路的等效輸入阻抗，非線性電阻RC可近似表示為：

從式（2-15）可以看出，交流側諧波次數主要為6k±1次的諧波。則以二極管三相橋式整流電路作為高頻充電機的前級輸入，交流側輸入電流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次諧波組成。

3 電動汽車充電諧波對電能計量影響的仿真分析

電動汽車充電機接入電網會產生6k±1次諧波，將對充電站的計量系統造成一定的影響。為了得出這個影響量值，本文利用PSCAD/EMTDC軟件對該影響進行仿真研究。利用PSCAD/EMTDC軟件對電力系統進行仿真研究，首先要在PSCAD圖形界面上選取元件庫中的適當元件模塊搭建系統模型，并對照實際物理系統設置模型元件中對應的參數。在需要觀測變量處添加電表和輸出觀測點，以便于進行仿真結果的查看、分析。檢查無誤并設置好仿真步長、時間等參數后即可執行仿真分析。執行仿真時，PSCAD首先調用軟件自帶的編譯器將PSCAD中的模型電路編譯為主FORTRAN程序，此時可視化的模型元件轉換為ENI TDC的子函數，并根據電路連接關系自動進行節點編號和參數傳遞，然后利用設定的FORTRAN編譯器通過調用ENITDC引擎庫文件生成最終的執行文件。在仿真進行過程中，用戶可以通過輸入輸出元件庫的控制元件自由調整參數值，以便觀察系統某些動態情況下的響應特性。

3.1 電能計量裝置仿真模型搭建

電能計量裝置包括各種類型的電能表、計量用電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）及其二次回路，電能計量柜（箱）等。我們對其進行了仿真模型搭建。

3.1.1 電動汽車充電系統電能計量裝置的接線形式

依據管理規程，對于接入非中性點絕緣系統的電能計量裝置，應采用三相四線接法的有功、無功電能表；對于計量用電壓互感器，接入非中性點絕緣系統的三臺電壓互感器，宜采用Y0/y0接線方式，互感器一次側的接地方式與系統的接地方式相同。牽引供電系統一般接入110kV或者220kV高壓系統，而我國的110kV及以上電壓等級的都是中性點直接接地系統，因此電動汽車充電系計量裝置宜采用三相四線接法的有功、無功電能表，計量用電壓互感器接法應采用Y0/y0接線方式，電壓互感器一次側與系統接地方式一致，即直接接地。計量裝置的具體接線形式如圖3所示。同時，電動汽車充電系統電能計量裝置作為I類電能計量裝置來管理，其電壓互感器、電流互感器、有功電能表、無功電能表的精確度等級應分別不低于0.2、0.2s、0.5s、2.0級。

3.1.2 電能表模型搭建

為分析充電諧波對時分割乘法器（TDM）計量誤差的影響，根據TDM工作原理，在PSCAD環境中建立如圖4所示的三角波電壓比較型TDM的仿真模型，通過仿真來分析TDM的諧波測量誤差。具體參數設置見表1。

為了驗證電子式電能表模型正確性，電能表仿真模型中，輸入有效值為1kV和1kA的基波電壓和電流信號（工頻50Hz），調制信號M幅值為2.8kV，頻率為10kHz的三角波。輸入信號理論有功功率為1W，仿真模型各部分的輸出波形如圖5所示。

圖5（f）顯示電能表輸出功率為1W，與理論值相符，可以驗證電能表仿真模型的正確性。

3.1.3 電流互感器模型搭建

PSCAD中的CT模塊采用非線性時域等效電路模型，綜合考慮飽和、渦流和磁滯對CT的影響，該模型用幾個電路元件分別模擬造成CT非線性的因素。與實際情況比較接近PSCAD中的CT模塊如圖6，具體電路模型如圖7所示。

3.1.4 電壓互感器（PT）模型搭建

PSCAD元件庫中提供的CVT模塊及其具體模型如圖8，計量誤差仿真模型如圖9圖，該模型對中、高壓電容器，補償電抗器，中間變壓器，二次負載及阻尼器進行了全面考慮。

CVT模型設置參數如表3所示。

3.2 電動汽車充電系統模型搭建

3.3 仿真分析

3.3.1 電動汽車充電機對電網諧波影響的仿真分析

本文建立的充電機模型包含配電變壓器以及10kV配電線路，而根據充電站電能計量裝置安裝方式，單臺充電機交流側電表表位于配電變壓器的低壓側，關口電能表安裝于變壓器的高壓側。本文的研究中，針對特定功率負載下單臺充電機的充電諧波對電網電壓波形的影響進行研究。

測量圖11中a點電壓波形，并對其進行FFT變換，得到各次諧波所占比例如圖12所示。

從圖12中可以看出，電動汽車充電作用下，整流器交流側諧波次數主要為6k±1次的諧波，與前文分析結果一致。以二極管三相橋式整流電路作為高頻充電機的前級輸入，交流側輸入電流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次諧波組成，諧波電壓大小隨著諧波次數增加而減小。

3.3.2 電動汽車充電機對計量裝置影響的仿真分析

充電機負載為恒流大功率充電模式下，輸出充電電流為10A，額定充電電壓為500V，輸出直流波形如圖13。

此時，利用FFT工具，仿真得到諧波對電流互感器、電壓互感器和最終的電能表計量的影響。

（1）電動汽車充電諧波對電流互感器的影響

諧波對電流互感器的影響的誤差值見表5。

從仿真結果可以看出，在電動汽車充電諧波作用下，CT僅對1、3、5、7、9次諧波電流幅值有一定的測量誤差，誤差值都小于0.2%，滿足電流互感器精確度等級要求；但是對3-13次諧波的相位影響值最高確達到-277.8′。當諧波次數小于14時，諧波電流相角測量誤差教導；當諧波次數大于等于14時，諧波電流幅值和相角測量誤差均為0。

（2）電動汽車充電諧波對電能表的影響

諧波對電壓互感器的影響的誤差值見表6。

從仿真結果可以看出，在電動汽車充電諧波的影響下，電壓互感器對3、5、7、9次諧波電壓幅值有一定的測量誤差，最大測量誤差為0.0948%，小于0.2%，滿足電壓互感器精確度要求；但是對3-31次諧波的相位影響值最高確達到-282.1′。

（3）電動汽車充電諧波對電能表的影響

本文將互感器二次測的電壓和電流信號輸入三角波電壓比較型TDM電能表，得到電動汽車充電諧波作用下的電能，并與變壓器高壓測交流電壓、電流信號作用下的理論電能值相比較，得到充電諧波作用下的高壓計量裝置測量誤差，如表7所示。

實際的電能計量中，總的電能為基波與各次諧波電能的和，因此實際電能表的計量誤差應該為基波和諧波的總電能的計量值與理論值之差，同時需要考慮基波和諧波潮流方向有可能相同，也可能相反。因此，電動汽車充電諧波次數對電能計量裝置的影響可能與其對電網諧波所占比例有差異。從仿真結果可以看出，電動汽車充電諧波對計量裝置測量誤差的影響主要體現在2、4、6、8次諧波，而不是6k±1次諧波，推斷可能與諧波潮流方向有關。從表7可以看出，在諧波次數小于31時，電能幅值測量誤差均很小，最大幅值測量誤差為0.0806%，小于0.5%，滿足電能表精度要求；而最大相角測量誤差僅為6.281′。

4 結束語

為了應對日益發展的電動汽車事業，針對充電站對電網影響以及對日常運營時的電能計量準確性、合理性問題研究的不足，本文對電動汽車充電諧波對電能計量裝置的影響進行了理論分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了電動汽車充電模型、計量裝置仿真模型，以固定負載下的充電諧波對計量合理性和準確性影響進行分析。主要結論如下：

（1）電動汽車充電主要以6k±1次諧波為主，諧波含量隨諧波次數增加而呈減少趨勢。

（2）在電網沒有背景諧波情況下，諧波電壓由充電機產生諧波電流在線路阻抗和變壓器漏抗上的壓降引起，產生諧波功率。充電諧波對CT、PT的影響主要體現在3、5、7、9次諧波上，而對整個電能計量裝置的影響主要體現在2、4、6、8次諧波上，推斷其差異可能與諧波潮流方向有關。

（3）電動汽車充電諧波作用下，電流互感器、電壓互感器幅值測量誤差最大值分別為0.0125%和0.0948%，均小于0.2%，滿足互感器準確度要求，但其相位測量誤差超差，且無明顯規律性。

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