充電樁接入對電網(wǎng)諧波所產(chǎn)生的影響

于連勇

（ 黑龍江特通電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150028）

多臺電動汽車在應用充電樁進行充電時將會對電網(wǎng)產(chǎn)生復雜的諧波影響, 相對于單臺電動汽車充電所產(chǎn)生的諧波要更加復雜多變。諧波會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生的一定的影響,為保證供電安全需要就多臺充電樁與電網(wǎng)之間的交互影響進行分析,并注意分析各次諧波電流幅值與充電樁臺數(shù)增加之間的變化關系。 本文通過建立仿真模型用以分析多臺充電樁進行充電時所產(chǎn)生的諧波影響。

1 電動汽車充電樁模型建立

1.1 充電機等效模型

電動汽車充電樁主要用于電動汽車的充電, 其通過將市電逆變成電動汽車充電所需要的直流電壓, 完成對于電動汽車的快速充電，電動汽車充電樁包含有逆變器、DC/DC 功率變換器、濾波保護模塊等部分。 現(xiàn)今應用于電動汽車的充電樁主要有直流和交流兩種模式，交流充電樁所提供的市電無法直接用于電動汽車充電，僅可以作為動力源提供電力輸出，交流轉(zhuǎn)電動汽車所需要的直流電還需要依靠車載充電部分，車載充電器受體積等因素的影響一般功率都不大，在使用車載充電部分時充電電流小、耗時長，無法實現(xiàn)大電流、短時間的快速充電。 相對于交流充電樁，直流充電樁自身具備逆變部分，將交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詾殡妱悠囁苯永玫闹绷麟姟?直流充電樁主要采用三相四線制與三相三線制兩種制式供電，能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出的電壓和電流，在為電動汽車進行充電時能夠快速的完成充電作業(yè)。 由于應用交流充電樁時產(chǎn)生的諧波影響較小， 本文主要以直流充電樁為模型研究多臺直流充電樁充電作業(yè)時的諧波干擾。

在建立仿真模型時， 結(jié)合充電樁的結(jié)構(gòu)將其中的功率變換器進行等效轉(zhuǎn)化用以簡化模型。 由于充電樁的充電模式主要以恒流限壓和恒壓限流兩種模式為主，在模擬計算時可以在一定的工頻周期內(nèi)將充電樁的輸出電流和輸出電壓視作一個恒定的直流電壓和電流值。 在功率變換器的等效上可以將其阻值以DC/DC 功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和電流的比值來替代。 此外，需要注意的是，由于用于等效功率變換器的非線性電阻阻值在電動汽車的整個充電周期內(nèi)是不斷變化的，可以以曲線擬和功率變換器的輸出功率和阻值。 本文以某型號的充電樁為例進行建模分析，結(jié)合該型號充電樁的電氣特征，模擬假定該型號充電樁的功率最大為9KW,效率為0.9。對于充電樁的控制電路部分，由于現(xiàn)今的充電樁主流以“ PWM 整流+ 高頻DC/DC 變換器”為主，這一類型的充電樁具有相較于以往充電樁更加先進的控制核心與更加優(yōu)化的控制策略。 在應用該類型充電樁進行充電時，充電的功率因數(shù)更高、變化效率更強、諧波畸變也更小，由于變換后的電能具有良好的電能質(zhì)量， 因此無需在變換后加設濾波裝置。 本文建模的充電樁采用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的比例- 積分控制算法完成PWM 信號的生成。控制算法通過將充電樁的直流電壓與參考電壓信號相對比， 并以兩者之間的誤差信號來對充電樁的輸入電能進行比例- 積分控制，比例- 積分控制器完成對于誤差信號的無差跟蹤， 這一過程將持續(xù)到充電樁充電誤差信號為零為止。 在充電樁的內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)中， 將會對充電樁的三相瞬時電流信號進行采集， 將其與外環(huán)控制器的輸出電流信號進行對比，并對兩者的誤差值采用比例- 積分控制器完成誤差跟蹤， 利用電壓前饋補償和交叉耦合補償完成對于誤差的補償。通過對電動汽車充電功率進行模擬后發(fā)現(xiàn),電動汽車的充電功率隨著時間的變化總體呈現(xiàn)出前高后低的趨勢, 充電功率在初始時為7KW,并在150min 后達到頂峰9kw,此后,充電功率將呈現(xiàn)斷崖式下跌。

1.2 充電樁充電質(zhì)量的建模分析

為研究接入多臺電動汽車充電樁所受諧波的影響需要對充電樁在多臺電動汽車接入時的電能質(zhì)量需要對其進行建模分析。 為了更好的模擬真實的情況在模型建立時囊括了光伏發(fā)電系統(tǒng)和其他分布式的電源系統(tǒng), 分手式電源所采用的是三相電壓型SPWM 逆變器,因此模型可以以SPWM 進行等效。 仿真模型中,充電樁進行作為負載端與電力系統(tǒng)進行連接,并入了4 臺充電樁采用PQ 控制, 充電樁容量為9kw,變壓器容量為1MVA。通過模擬數(shù)據(jù)顯示單臺電動汽車充電樁的輸出諧波與充電樁所接入的電動汽車臺數(shù)呈反比, 即接入的電動汽車臺數(shù)越多充電樁所輸出的電流幅值也越小， 而造成這一現(xiàn)象的根本原因在于充電樁所接入電動汽車產(chǎn)生的諧波之間將會產(chǎn)生矢量疊加,疊加的諧波將產(chǎn)生相位影響。 此外,隨著充電樁上所接入電動汽車數(shù)量的增加, 充電樁與電網(wǎng)的接入點上的諧波電流幅值將大幅增加,造成這一現(xiàn)象是由于充電樁與電動汽車相連接后,電動汽車就可以看作為接入配電網(wǎng)的負載, 電動汽車充電時所產(chǎn)生的諧波電流受到配電網(wǎng)系統(tǒng)接入點與系統(tǒng)之間阻抗的作用,加之系統(tǒng)與接入點之間的阻抗要比電動汽車接入點之間的阻抗小得多, 從而造成電動汽車充電樁在充電時所產(chǎn)生的諧波電流主要流向配電網(wǎng)系統(tǒng),從而在配電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的干擾。同時通過模擬可以看出, 單臺充電機所產(chǎn)生的5 次諧波電流平均為0.432A, 接入4 臺充電機后所產(chǎn)生的5 次諧波電流平均為0.927A, 上述數(shù)據(jù)顯示增加充電樁接入的電動汽車臺數(shù)所造成的諧波電流并不是線性增加的, 而是非線性增加的。 造成這一現(xiàn)象的原因是由于充電樁所接電動汽車之間存在諧波電流相互抵消的情況, 由于抵消的存在使得諧波電流并不與電動汽車臺數(shù)的增長同比例.此外,還需要考慮到配電網(wǎng)中所含有的背景諧波電壓所產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)變流器諧波電流所產(chǎn)生的影響,由于其頻率與電網(wǎng)背景諧波電壓頻率相同,因此其極易掩藏在背景電壓之下容易被忽視。 在電動汽車動力電池充放點控制策略上如采用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制策略將容易導致逆變器輸出電流的跟蹤性較差,使之與參考電流之間存在較大的偏差,從而造成多臺電動汽車在應用充電樁充電時會產(chǎn)生較為明顯的影響。

2 多臺充電樁接入充電對電網(wǎng)所產(chǎn)生諧波影響測試

為驗證分析的準確性需要對多臺充電樁接入充電對電網(wǎng)所產(chǎn)生諧波影響進行實際測試, 試驗選取了某4 臺型號相同的充電樁, 通過為期一周的測試測試在多臺電動汽車充電時所產(chǎn)生的諧波影響。 樣本采集將以409.6KHz 為采樣頻率,用以記錄充放電時所產(chǎn)生的諧波電壓和電流,并將所記錄的數(shù)據(jù)整理繪圖.通過對所記錄的數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn), 接入充電樁上的電動汽車越多,則意味著接入配電網(wǎng)側(cè)的負載電阻越多,匯集母線上所通過的電流也在不斷的增大。此外,多臺電動汽車所引發(fā)的諧波電壓影響并不是線性疊加的,而是矢量疊加的。以4 臺的電動汽車為例, 在其接入充電樁時所產(chǎn)生的電壓僅為單臺電動汽車接入充電樁所產(chǎn)生諧波電壓的3.6 倍,略低于4 臺線性疊加所產(chǎn)生的4 倍.多臺電動汽車接入充電樁的情況下,各車所產(chǎn)生的諧波電壓將會對同一時間段所接入充電樁中的電動汽車諧波電壓產(chǎn)生接觸抵消的情況, 從而使得充電樁的諧波電壓增加呈現(xiàn)出非線性特性。

結(jié)束語

電動汽車在未來將取得廣泛的應用,為保障充電安全需要積極做好充電樁充放電特性的研究與分析。 電動汽車充電樁所產(chǎn)生的諧波往往向著配電網(wǎng)側(cè)流動,其向負載處流動的極少,同時隨著接入充電樁中的負載設備的增加, 設備間所涌動的諧波電流將由于諧波疊加的影響而有所降低。此外,多臺電動汽車應用充電樁充電時所產(chǎn)生的諧波容易在配網(wǎng)背景諧波的影響下產(chǎn)生一定的變化, 而這一變化的存在將會對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴重的影響。新時期隨著電動汽車使用量的不斷增加,其接入充電樁后將會對配電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響, 為保障供電質(zhì)量需要就各種影響進行分析, 以便于后期結(jié)合所產(chǎn)生的影響采取針對性的控制措施。