電動汽車充電對配電網絡的影響研究

湯佩文　陳余壽　姜天翔

摘 要：由于人類過度使用石化燃料，溫室氣體的大量排放致使全球氣候發生極端變化，其中汽車排放占據了相當大的比重。目前，純電動汽車被認為是一種降低碳排放的行之有效的方式。隨著電動汽車逐步大規模進入我們的生活，其對電網的影響不可忽視。文章將從電壓、諧波這兩個方面，模擬、分析電動汽車充電對電網的影響。

關鍵詞：電動汽車；配電網絡；電網電壓；電能質量

1 研究背景介紹

隨著汽車工業的發展，全球汽車保有量正與日俱增，針對燃油動力汽車產生的尾氣造成的全球氣候極端變化，電動汽車的發展已經成為一個全球性的共識。世界各國都正在大力開展電動汽車，充電系統等的計劃和建設。我國已確定到2020年擁有電動汽車500萬輛，約占世界電動汽車總量的35%。如此龐大數量的電動汽車，將會對我們的電網產生不容忽視的影響。

傳統意義上的電網是由連接在高壓側的大型發電設備產生電能，經過變壓，傳輸設備送達用戶端。隨著新能源的大規模利用，越來越多的嵌入式發電機將聯入配電網（我國35KV以下）。文獻[1]中指出，相當比例的嵌入式發電機會引發反向潮流、電壓波動、電能質量下降、接地故障等級升高、二次保護系統故障、相-相間電壓及電流不平衡等一系列問題。在配電網絡運行中，電網電壓控制顯得尤為重要，這直接影響到了電網運行和用戶用電的安全。本文對此將加以分析，為電網的安全運行，提出建議。

與此同時，由于電動汽車趨于大規模普及，大量充電設備（電力電子器件）也將大規模的并入未來電網。然而這些電力電子設備對電網所產生的諧波，更加成為影響電網電能質量所不可忽視的重要原因之一。文獻[2]提出，多個電動汽車充電設備并入電網會導致電網的總諧波失真THD增加。而文獻[3]卻提出相反的觀點，認為由于諧波相互抵消的作用，多個電動汽車充電器并網后的總諧波失真會小于單個充電器所引起的總諧波失真。所以，本文旨在調查研究當單個或多個相同種類的電動汽車充電設備并入電網后，對諧波幅值的影響，并且基于電網運行的角度，提出合理建議，意在提高電網電能質量。

2 配網模型建立

所建立的配電網絡計算機模型如圖1所示。

此模型是一個從35KV電壓等級開始直至380V/220V 用戶端的配網模型。35/10KV變電站（此變壓器為：載調壓變壓器OLTC）有6個10KV的供電端口，每一個供電端口支持8個10KV/380V的變壓器，每一臺變壓器又包含4個供電端口，通過其對用戶供電。為了簡化模型，各電壓等級的供電端口只有一條被具體描述，其余全部等效成相應的負載。

3 電壓分析

電動汽車充放電根據功率大小不同分為三類：快速充電（50 kW），三項充電設備（23kW） 和單項家庭充電（3kW）。本文選取3 kW單項家庭充電為對象，對不同電動汽車保有率下，在峰、谷時段聯入電網情形下，模擬、分析電網上各節點的電壓變化情況。本文應用了ERACS電力系統分析軟件，對極端負載情況下的電網進行實驗分析：電動汽車在峰電時刻充電，在用電低谷時刻放電至電網。

峰、谷電時刻電動汽車充電：

圖2表示了在0%， 20%和30%電動汽車在峰電時刻充電的配網結點電壓。可以看出，在20%電動汽車充電的情況下，由于載調壓變壓器工作，10KV等級的電壓被控制在最小電壓容限-5%以上。但是當30%的電動汽車充電時，在節點9，10上的電壓超過了最小容限。

圖3為谷電時刻，不同電動汽車保有率的情況下，向電網放電。假設未來電力電子設備將允許雙向電流通過。在380V電壓等級下，保有率20%的電動汽車向電網充電，此時遠端結點電網電壓已經接近最大容限+10%。而當30%的電動汽車向電網充電，380V電壓等級的結點上的電壓，根據IEC標準，超出了配網最大+10% 電壓容限，將嚴重威脅電網運行安全。

4 電能質量

單相整流和三相整流技術分別被廣泛應用于電動汽車家庭充電和公共場所三相充電，本文將在Matlab/Simulink中對這兩種整流設備進行模擬，并通過FFT觀察、分析輸出總諧波失真（THD）。

4.1 基本整流電路的頻譜分析

圖4是基本的單相整流電路頻譜分析結果，該電路由交流電源通過降壓變壓器降壓，經單相橋整流后向電池充電，其總諧波失真達到了12.46%。

圖5是三相橋式整流電路頻譜分析結果，與單相橋式整流電路相比，失真度較低。

4.2 多個充電器并網的影響

為了驗證多個充電器并網對電網的影響，這里選取離10KV/380V變壓器最遠的結點17作為研究對象。首先連接一個充電器模型在結點17，通過FFT測量電流失真率。隨之將第二、三、四個相同充電器連接在同一結點，觀察THD。

在單相橋式整流電路中，由于電池電壓的改變，整流電路輸出的電壓包絡占空比隨之不斷發生變化。而不同的占空比決定了THD 和所產生的各種諧波的相角。為了模擬、研究多種情況下的電網諧波效應，電池電壓將不斷被改變，以至于占空比不斷變化。這里第一個充電器選取中間電壓。接著，第二個充電器并聯在同一結點，同時不斷變化其電池電壓，找出最小的THD。以此類推，連接第三、四個充電器，算出最小的THD。得出結果如圖6。

三相橋式整流電路與單相整流電路同樣的原理，由于電池電壓的改變，整流電路的占空比不斷發生變化。而不同的占空比決定了THD。應用同樣的實驗方法，得到的結果如圖7。

由以上實驗結果可以看出，在不同電壓情況下，由于諧波之間的相互作用（抵消），THD的比率不斷下降并趨于平緩。

基于以上實驗，如果記錄在最小THD情況下，各個電動汽車電池組電壓，并依此作為統籌控制標準，進行實時中央統籌控制，電網的電能質量將有望被提高。該驗證結果對以后電網的電能質量管理將具有一定的借鑒作用。

5 結束語

隨著電動汽車應用規模的不斷擴大，將會對電網電壓、電能質量等造成潛在的不利影響。本文對電網在不同電動汽車保有率充電情況下影響電網的研究結果表明，隨著充電設備大規模的接入電網，所產生的諧波會影響電能質量。通過分析軟件模擬分析證明，必須有效的調配電動汽車的充電計劃，才能對電網產生積極的影響，以確保電網安全、正常運行。

參考文獻

[1]David Johnston， Edward Bentley， Mahinsasa Narayana， Tianxiang Jiang， Pasist Suwanapingkarl， Ghanim Putrus.“ Electric Vehicles as Storage Devices for Supply-Demand Management” VPPC2010 Conference Sept 1-3 France，2010.

[2]Bass，R.， Harley，R.， Lambert，F.， Rajasekeran，V.， Pierce，J. “Residential Harmonic Loads and EV charging” IEEE Power Engineering Society Winter Meeting 2001 vol.2 pp 803-8

[3]Yanxia， L.， and Jiuchun，J.“Harmonic Study of Electric Vehicle Chargers”： ICEMS 2005， Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems， Sept. 2005 vol.3 pp2404-2407.

*通訊作者：陳余壽（1962-），男，江蘇南京人，本科，講師，研究方向：電子應用技術。