電動汽車充電諧波電流對配電網(wǎng)損耗影響的研究

劉獻(xiàn)良

(蘇州南洋電纜有限公司，江蘇 張家港 215638)

0 引 言

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和用戶需求的增加，我國電動汽車充電樁的安裝越來越多[1-3]。然而，由于充電樁內(nèi)含典型的電力電子裝置，其在工作中將產(chǎn)生大量的諧波電流，而諧波電流將引起配電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，增加配電網(wǎng)的損耗[4-7]。而控制電能質(zhì)量并降低配電網(wǎng)損耗是當(dāng)前配電網(wǎng)在面臨充電樁接入時面臨的重要問題[8-11]。因此，研究電動汽車充電諧波電流影響配電網(wǎng)損耗的機制與原因，具有至關(guān)重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。

充電樁的接入往往會向配電網(wǎng)中引入大量諧波電流，諧波電流的增加勢必會增加配電網(wǎng)的各項損耗，其中最為顯著的便是輸電線路損耗和配電變壓器損耗。然而，上述損耗與充電樁諧波電流及充電樁負(fù)荷、臺數(shù)的關(guān)系并不十分明晰，亦缺乏相關(guān)的深入研究工作。鑒于此，本文從輸電線路與變壓器兩個維度，分析了電動汽車充電諧波電流與配電網(wǎng)損耗的影響，并獲得了相關(guān)的影響機制。

1 配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)與配置

圖1所示為典型的住宅區(qū)配電網(wǎng)的電氣結(jié)構(gòu)圖。該配網(wǎng)存在10 kV與0.38 kV兩個電壓等級，采用了典型的雙電源環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以保證小區(qū)供電的可靠性。圖1中：T為配電變壓器，共有5臺，其原副邊電壓等級為10 kV/0.38 kV。負(fù)荷1～6為小區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)負(fù)荷，具體負(fù)荷情況見表1。電源母線與配電變壓器之間、配電變壓器與負(fù)荷之間均采用電纜連接，為10 kV或0.38 kV電壓等級。QF01與QF02為二臺聯(lián)絡(luò)斷路器，用以實現(xiàn)配電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)供電方式。

圖1 典型住宅區(qū)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表1 小區(qū)負(fù)荷情況

2 總諧波電流對輸電線路損耗的影響

2.1 理論基礎(chǔ)

設(shè)電流總諧波畸變率THD為:

(1)

式中：I1為基波電流；In為第n次諧波電流有效值；THD為電流總諧波畸變率。假設(shè)輸電線路阻抗的對線路損耗的影響較小，只考慮等值電阻的影響。當(dāng)不存在諧波時，單相線路損耗為：

(2)

式中：PW為單相線路損耗；I1為基波電流；R為等值電阻。

當(dāng)引入諧波后，單相損耗則為：

(3)

式中：PWh為引入諧波后的單相線路損耗；I1為基波電流；In為第n次諧波電流有效值；R為等值電阻;THD為電流總諧波畸變率；p為諧波次數(shù)。

由上述兩式可得諧波引入帶來的額外損耗Ph為

(4)

式中：Ph為諧波帶來的額外損耗；PWh為引入諧波后的單相線路損耗；I1為基波電流；THD為電流總諧波畸變率。

由上式可知：輸電線路的諧波損耗與線路的等值電阻、基波電流以及總諧波含量均有密切關(guān)系；當(dāng)輸電材料不變(等值電阻不變)時，輸電線路的諧波損耗只與基波電流和總諧波含量有關(guān)，且呈現(xiàn)平方關(guān)系。此外，當(dāng)基波電流(所需負(fù)荷電流)一定時，諧波含量越大，則總諧波含量越大，此時諧波電流損耗越大。

2.2 影響分析

為了進(jìn)一步揭示電動汽車充電諧波電流對輸電損耗的影響，以負(fù)荷點1為例，研究了私家電動汽車在各個滲透率水平下的充電諧波電流損耗情況。滲透率設(shè)定為典型的55%、35%與15%，時間段選為14∶00—22∶00這一典型時段，得到了如圖2所示的充電特性圖。

由圖2可得各滲透率下的動態(tài)諧波特性，如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)滲透率較高(充電的電動汽車較多)時，諧波電流含量較小；滲透率保持不變時，諧波含量隨著充電功率增加而下降，但下降的過程有一個轉(zhuǎn)折點，當(dāng)充電功率達(dá)到較大值后，諧波含量不再出現(xiàn)大的改變。由此可見，若諧波含量增大，則輸電線路諧波電流損耗也會隨之增大。

圖2 私家電動汽車不同滲透率下的充電功率

圖3 各滲透率下的時序電流畸變率

為了進(jìn)一步分析諧波損耗與電動汽車接入的關(guān)系，采用損耗比進(jìn)行分析計算。損耗比為諧波電流損耗與總的電流損耗的比值，如式(5)所示。

(5)

式中：α為損耗比；R為等值電阻；I為總電流；I1為基波電流；THD為電流總諧波畸變率。

由此可見，諧波損耗隨著諧波含量的增加而增加，根據(jù)上述關(guān)系，繪制了在各個滲透率水平下的損耗比變化曲線，如圖4所示。由圖4可知，在滲透率保持恒定不變的前提條件下，充電負(fù)荷越多，損耗越小，出現(xiàn)上述情況的原因可能是參與充電的私家電動汽車的增多致使部分諧波電流之間相互作用而抵消掉了一部分諧波電流，因而諧波損耗變小。

圖4 損耗比曲線

3 諧波電流對變壓器損耗的影響

3.1 理論基礎(chǔ)

圖5 變壓器等效電路圖

變壓器的損耗主要包括銅耗(短路損耗)和鐵耗(空載損耗)，其中空載損耗與勵磁回路有關(guān)，通常包含渦流損耗和磁滯損耗。通常情況下，鐵耗遠(yuǎn)小于銅耗。因此，本文在分析諧波電流對變壓器損耗的影響時，忽略了鐵耗，而只考慮諧波引起的銅耗，此時對應(yīng)的變壓器等效電路如圖5(b)所示，它是圖5(a)所示的變壓器τ型等效電路圖的簡化圖[12]。

當(dāng)n次諧波作用于變壓器時，根據(jù)電阻、電抗與頻率的關(guān)系，等效電阻與等效電抗分別為：

(6)

Xn=nX1

(7)

式中：Rn、Xn分別為n次諧波等效電阻與等效電抗；R1、X1分別為基波電阻與基波電抗。根據(jù)電路理論，可得n次諧波作用下的變壓器等效阻抗：

(8)

式中：R1、X1分別為基波電阻與基波電抗；n為諧波次數(shù)；Zn為n次諧波作用下的變壓器等效阻抗。

則變壓器(均設(shè)定為三相)的有功功率損耗為：

(9)

式中：R1為基波電阻；n為諧波次數(shù)；In為n次諧波電流。

扣除基波有功損耗外，得到諧波引入帶來的有功損耗為：

(10)

式中：R1為基波電阻；n為諧波次數(shù)；In為n次諧波電流；RIn為第n次諧波含量。

3.2 影響分析

由式(10)可知：諧波電流含量的大小直接關(guān)系到變壓器的附加損耗，諧波含量較小則附加損耗較小。由于不同類型充電樁的結(jié)構(gòu)原理與充電特性并不相同，因此在分析電動汽車充電諧波電流對變壓器損耗的影響時，需充分考慮充電樁的類型。若充電樁為脈沖寬度調(diào)制控制型，則此時各次諧波電流較小，從而造成的諧波電流損耗較小；若充電樁是不控整流型的充電樁，由于其產(chǎn)生大量的諧波電流，則會引起較大的諧波損耗。

圖6為計算得到的諧波電流含量與接入的充電樁臺數(shù)間的關(guān)系圖。由圖6可知，隨著充電樁接入臺數(shù)的增加，諧波含量有所下降；當(dāng)充電樁臺數(shù)一定時，低次奇次諧波電流占有更多含量，其中以5次諧波為甚，而高次諧波相對較少。因此，實際運維工作中需要注意降低低頻次的諧波，這樣有利于減少電動汽車接入對增加變壓器損耗的影響。

圖6 諧波電流含量與充電樁臺數(shù)的關(guān)聯(lián)規(guī)律

4 結(jié)束語

本文研究了電動汽車的充電諧波電流對配電網(wǎng)損耗的影響規(guī)律，從諧波電流對輸電線路損耗及配電變壓器損耗兩個維度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：諧波含量越大，諧波電流損耗越大，但隨著充電負(fù)荷的增加，輸電線路損耗減小；充電樁接入數(shù)量的增加可使諧波含量有所下降，進(jìn)而減小變壓器損耗，從而提高電能利用效率。研究結(jié)果可為小區(qū)配電網(wǎng)內(nèi)電動汽車充電樁的建設(shè)與運維提供理論指導(dǎo)與參考依據(jù)，具有重要的工程意義與實用價值。