電動汽車充電站電能質量采集與分析

趙凌霄，未倩倩，李 津

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的品質［1，2］。而供用電系統中存在發電機、變壓器和線路等非線性或不對稱設備，負荷性質復雜多變［3-5］，導致了電網運行、電力設備和供用電環節中的各種問題，從而產生了電能質量的概念。

隨著電動汽車的不斷普及與發展，充電樁與充電站的數量也與日俱增，引入了更多的大功率充電設備，大量集中的電動汽車充電可能引起電網電能波動，造成電能質量問題，這不但影響公用電網的安全運行，還對各種電力用戶的用電過程造成直接與間接的危害［6，7］，同時，惡劣的電能質量也會對電動汽車充電造成一定影響。本文通過采集國內主要城市充電站電能質量，總結分析存在的電能質量問題，探討電能質量對電動汽車充電過程的影響。

本次電能質量的采集與分析，以電動汽車、充電樁總量多，地域分布廣為考慮因素，主要對東北地區、北京地區、上海地區、南方地區等四大地區中的9個城市：北京、長春、大連、天津、上海、常州、合肥、長沙、深圳進行電能質量調查與數據采集，具有一定代表性。

1 電能質量采集分析

衡量電能質量的主要指標有電壓、頻率和波形，包括電壓質量、電流質量、供電質量和用電質量。電能質量問題可以定義為：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態過電壓、波形畸變 （諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續性等。

中國從20世紀90年代初至今， 國家技術監督局先后組織制定并頒布了6項電能質量國家標準，對電能質量的相關技術指標進行了標準化要求，詳見表1。

表1 電能質量國家標準

這些標準是中國公用電網正常運行應滿足的條件，給電能質量治理工作提供了參考與依據，也為電能質量調查采集數據提供了標準支撐。

電能質量測試方法如下。

基于現有的國家標準對電能質量的要求，以及對產品抗干擾性的要求，主要采集研究網側電壓、頻率、電流等。此外，對單個充電樁的控制導引信號［8］（以下簡稱CP信號）進行了數據采樣。

測試原理圖如圖1所示。其中，V1、I1為充電回路電壓電流，V2、I2為漏電壓與漏電流值，V3為檢測點1的電壓值，V4是檢測點2的電壓值。

圖1 電能質量測試原理圖

依據圖1，搭建電能質量采集分析平臺如圖2所示，供電端由交流充電樁輸入，經模擬充電連接回路，使充電樁能夠識別車輛，建立通信，正常輸出，在輸出側接800 W電阻負載，構成測試回路，用CPL波形測量儀來測量充電樁CP信號，電源波形測量儀來測量分析電能質量。

圖2 電能質量采集分析平臺示意圖

電能質量現場測試照片如圖3所示，通過采集分析平臺，能夠在充電過程中實時監控電能質量相關數據，并采集記錄充電過程中的電能質量問題。

圖3 電能質量采集分析平臺

2 電能質量調研結果分析

在選定的9個測試城市中，分別依據工業區、商業區、生活區來進行分類，采集不同區域的電能質量相關數據，覆蓋多種工況下的電能質量情況。通過對采集數據的分析研究，電能質量問題主要存在供電電壓有效值超限、供電電壓波形畸變率超限、供電電壓暫降和供電電壓短時中斷等，以下是其中各典型電能質量問題分析。

2.1 供電電壓有效值超限

如圖4所示，多個充電站存在供電電壓超限的問題。圖4a所示充電站電壓有效值始終超出標準要求，保持在237 V以上；圖4b所示充電站供電電壓緩慢上升，并最終上升至236 V以上；圖4c所示充電站在充電樁啟動時，供電電壓存在驟變工況。

圖4 供電電壓有效值超限分析圖

2.2 供電電壓諧波畸變率超限

圖5所示，大連某充電站供電電壓諧波畸變率在5.7%～6.9%，相應的電流諧波畸變率在5.8%～7%，超出標準規定范圍。

圖5 供電電壓諧波超限分析圖

2.3 供電電壓暫降

圖6所示，在充電過程中，供電電壓幅值突然下降至60 V，造成供電頻率在49～51 Hz之間瞬間變化，并且引起電壓諧波含量激增，諧波總畸變率數倍增加，如圖7所示。

圖6 供電電壓暫降分析圖

圖7 供電電壓諧波含量突增分析圖

2.4 供電電壓中斷

圖8所示某充電站，在充電過程中，供電電壓突然中斷，而后又重新啟動，導致充電過程中斷，諧波畸變率增加。

圖8 供電電壓中斷分析圖

2.5 CP信號波形

在各充電站電能質量測試過程中，發現充電樁CP信號也存在不符合國家標準的情況，可能與電能質量情況相關，如圖9所示的CP波形中，CP信號無負電壓或上升下降時間過長等，均有可能造成無法充電或充電中斷等問題。

圖9 CP信號波形

3 結論

通過對9個城市電能質量的調研，以及對典型數據與波形的分析，反映了存在的電能質量問題，這些電能質量問題均有可能對電動汽車充電過程造成一定影響，現簡要分析如下。

1）供電電壓有效值超限，可能導致充電設備誤動作，出現過壓保護，終止充電，嚴重時可能損壞充電設備。

2）供電電壓諧波畸變率超限會導致充電系統功率因數降低，降低電網電能使用率；此外，可能降低充電效率，并增加連接器熱損耗，帶來安全隱患；電壓諧波還會引起充電樁CP信號出現電壓波動，甚至超出標準限值，導致車輛無法充電。

3）供電電壓暫降、中斷可能引起電動汽車充電部件，如車載充電機等，判斷過壓或欠壓保護，導致誤動作，繼而終止充電，將導致充電過程中斷，并且會對其他的設備如控制器、繼電器、接觸器等敏感器件造成損害。

下一步，將會基于采集分析得出的電能質量問題，在實驗室進行模擬再現，進一步研究分析電能質量問題對電動汽車充電造成的影響。