電動汽車電網適應性測試技術概述

【摘要】電動汽車的保有量迅速提升，因電網異常導致的充電問題隨之出現，電動汽車電網適應性測試是行業內急需應用的熱點技術。電網適應性測試技術可應用于整車充電系統或交流充電樁、直流充電樁、車載充電機以及高集成度充電總成，提升充電生態產品的開發質量。為深度適應用戶不同場景的充電需求，汽車行業需要全面分析全球電網制式差異，梳理異常電網原理，在電網制式、電網跌落、電網陡升以及電網諧波方面開發覆蓋用戶充電工況的測試方案，電動汽車充電產品面向市場前被充分驗證，規避潛在的電網異常相關的充電問題。

關鍵詞：電動汽車；充電系統；供電電能質量；測試方案

中圖分類號：U464.1+9""" 文獻標識碼：A""" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230228

Overview on Electric Vehicle Grid Adaptability Testing Technology

Liu Yuanzhi， Song Xilong， Wang Bojun， Li Wei

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】The ownership of electric vehicle（EV） is rapidly increasing， and charging issues caused by grid abnormal power are consequently emerging. EV adaptability testing has become a hot technology urgently needed in the industry. Grid adaptability testing technology can be applied to vehicle charging systems or AC charging piles， DC charging piles， in vehicle chargers， and high integration charging assemblies to improve the development quality of charging ecological products. To deeply adapt to the demands for charging of users in different scenarios， the automotive industry needs to comprehensively analyze the differences in global power grid systems， sort out the principles of abnormal power grids， and develop testing plans covering user charging conditions in terms of power grid systems， power grid drop， power grid steep rise， and power grid harmonics. Electric vehicle charging products should be fully validated before launch to avoid potential abnormal charging problems about the power grid.

Key words： Electric vehicle， Charge system， Power quality， Testing solution

0引言

全球新能源汽車保有量大幅提升^[1]，國內新能源汽車銷往世界各地，出口數量呈增長態勢^[2]。全面考慮各國電網制式標準，分析標準差異對新能源汽車充電系統的影響至關重要。此外，供電系統產生的電網波動、電網諧波對新能源汽車壽命、充電安全、充電效率以及電網配電網絡的安全運行都產生影響^[3-6]。電動汽車充電產品豐富多樣，包含交流充電樁、直流充電樁、車載充電機以及高集成度的車載充電產品，各汽車企業對于充電相關產品開發深度不一致，標準差異化大，各充電產品企業開發深度單一，裝車匹配后問題頻發，目前行業內暫無適用于電動汽車的標準化電網適應性測試。本文通過梳理國家地區的電網制式標準差異、充電異常故障原理與異常電網國家標準^[7-10]，定量分析不同電壓、電流、頻率、相位，提出了一種電網適應性測試臺架及電網適應性測試方案，針對充電產品及可外接充電型電動汽車進行功能驗證。該測試技術能夠覆蓋不同國家電網制式與電動汽車充電異常工況，滿足充電產品開發驗證需求，為電動汽車用戶提供充電質量保障。

1電網質量現狀分析

1.1電能質量概念

電壓、電流或頻率的偏差，可能會導致用戶設備發生故障或無法正常運行。衡量電能電壓質量與電流質量最為關鍵。

1.2電壓質量

電壓質量是指提供實際與理想電壓值的偏差，以判斷供電部門給用戶分配的電力是否達標。一般涵蓋電壓偏差、不平衡、電壓波動、沖擊性瞬變、電壓短時變動、電壓長時變動、諧波畸變、電壓偏差。

1.3電流質量

電流質量包括電流諧波、間諧波或次諧波、電流相位的超前或滯后、噪聲。

2異常電網分析

2.1全球電網制式

全球165個國家設計電網制式16種，電壓幅值與頻率各不相同（圖1）。其中48個國家為采用電壓220 V、頻率50 Hz，56個國家采用電壓230 V、頻率50 Hz。

2.2電網質量異常現象分析

除各國制定的電網制式標準不同外，各種產生非線性負荷的設備^[12]例如逆變器、變頻器、電力牽引機車、電弧爐、半導體調壓和調相裝置都會對電力系統造成影響，導致電網波動和電網諧波。其中異常電網現象分為8類：瞬變、長時間電壓變動、短時間電壓變動、電壓不平衡、波形畸變、電壓波動、電壓偏差、電力系統頻率偏差。

2.2.1瞬變現象

電能質量瞬變現象可分為沖擊和振蕩2類。

（1）沖擊性瞬變

沖擊性瞬變是指在正弦穩態條件下，電壓和電流非額定頻率，無正負極性的突然變化，例如雷電。雷電引起的沖擊壓與電流如圖2所示，圖中I_ch為沖擊電流；U為對地電位；t為時間。

（2）振蕩瞬變

振蕩瞬變是指供電電路在短路、斷路或者接觸不良時發生的不穩定現象。系統中同時運行的發電機之間的電勢差和相位角差隨時間發生變化，導致電流和電壓出現振蕩，電信號快速交替變化，并會在1個周期內衰減到零。振蕩現象分為高頻振蕩、中頻振蕩與低頻振蕩，其中高頻振蕩頻率高于500 kHz，通常由于沖擊性瞬變對供電電路造成影響而產生；中頻振蕩頻率為5～500 kHz，低頻振蕩頻率小于5 kHz，二者通常由于電容組充能造成。

此外，大型變流器在換相過程中，短暫相位間短路引起電壓波形畸變也會引發振蕩瞬變。

2.2.2短時電壓變動

短時電壓變動包括電壓暫降、電壓暫升和短時電壓中斷現象。

（1）電壓暫降和暫升

電壓暫降是供電電路中的電壓在短時間內突然下降到標準值以下，隨后立即回升至標稱電壓范圍的現象，持續時間介于10～600 ms^[9]。

電壓暫降主要由供電系統單相接地故障、大型電機的啟停、大容量負荷的啟停及電網系統中負載的間歇性工作。

反之，電壓暫升是供電電路中的電壓在短時間內驟升到標準值以上，隨后立即下降到標稱電壓允許范圍的現象。電壓暫升通常由電網系統中大型負載停止工作、甩負荷導致。

（2）短時電壓中斷

短時電壓中斷是系統故障的一種，表現為短時間內供電電壓在60 s內降低到0.1倍標稱電壓以下。短時間電壓中斷現象由系統故障、通電設備故障或控制失靈造成。

2.2.3長時電壓變動

長時電壓變動是一種常見的電網故障，相電壓偏離額定值，且持續時間超過60 s的電網異常現象。長時電壓變動的原因有多種，包括負荷投切、輸電線路過長和節電降壓。

（1）過電壓

過電壓是指電力系統中交流電壓有效值超過額定值的10%，且持續時間超過60 s的電壓變動現象。過電壓分為外過電壓和內過電壓2種類型。直擊雷和感應雷是外過電壓的2種形式，而工頻過電壓、操作過電壓和諧振過電壓是內過電壓的3種形式。

（2）欠電壓

欠電壓是電力系統中交流電壓有效值低于額定值的90%，且持續時間超過60 s的電壓變動現象。欠電壓現象通常由于供電線路過長、用電負載過大、變壓器故障、電源中斷或三相負載不平衡導致。

2.2.4電壓不平衡

電壓不平衡是指三相電壓的幅值不同或相對正常電壓存在相位偏移，通常用負序電壓、零序電壓與正序電壓之比的百分數形式表示電壓不平衡的程度。供電系統中不平衡的負荷、換位輸電線路會造成電壓不平衡。

2.2.5波形畸變

電網波形畸變是指電網中的電流或電壓波形偏離理想正弦波形，通常由于非線性設備（鐵磁飽和型設備、電子開關型設備、電弧型設備）在電網中工作時產生。這些非線性設備在電網中工作時，其電流和電壓波形不是理想的正弦波，而包含了許多高次諧波和間諧波成分。其中鐵芯設備的在電網中產生的電網諧波特點為3、5、7次且諧波電流大小與電壓有關，電壓越高，諧波電流越大；變壓器中的諧波含有大量3次及3倍次諧波電流；電力機車類設備在電網系統中產生的諧波具有不對稱、非線性、波動性和功率大的特點；電弧爐類設備在電網系統中產生的諧波電流以2、3、4、5、7、次為主，且含有偶次諧波。諧波電流隨著工業發展在供電電網中呈現復雜化、多次化，對電動汽車充電造成極大困擾。

（1）諧波

電網諧波是指電網中的電流或電壓波形上出現的一系列波動成分，這些波動成分的頻率是電源頻率的整數倍。諧波波形可進行傅里葉變換，得出非基波整數倍頻率的分數諧波或間諧波。次諧波則是指頻率低于工頻基波頻率的分量。另外，諧波是穩態、連續，具有周期性的現象（圖3）。

（2）間諧波

間諧波是指電網中的電流或電壓波形上出現的具有一定頻率的非整數級別波形。這些波動成分的頻率和幅度會隨著時間的變化而變化，且波動頻率與基波頻率呈現非線性關系。

（3）直流偏置

直流偏置是指在供電系統中，存在直流電壓或直流電流的成分現象。直流偏置過大會導致功耗增加，電動汽車充電效率低；直流偏置過低則會降低放大器的效益。

（4）噪聲

噪聲是指在電網系統中，寬帶頻譜0～200 kHz范圍內疊加在相線、中性線和信號線的無用信號。

電網噪聲的來源分為兩大類。電網中設備的運行狀態不穩定、開關的切換會產生噪聲，電網中的諧波和間諧波也會對整個電網系統產生干擾。

2.2.6電壓波動和閃變

電壓波動定義為電壓有效值一系列相對快速變動或連續改變的現象。其變化周期大于工頻周期。

引起電壓波動的原因有多種，系統原因有大型整流設備的投切、系統發生短路，其中功率沖擊性波動負荷的工作狀態變化會導致長時間的電壓波動。實際運行中認為波動性負荷是引起供電電壓波動的主要原因。

配電系統中，電壓波動現象有可能多次出現，電壓波動的圖形隨機呈現跳躍形、斜坡形或準穩態形。

2.2.7電壓偏差

供電系統在正常運行方式下，某一節點的實際電壓與系統標稱電壓之差對系統標稱電壓的比值稱為該節點的電壓偏差。

目前我國對35 kV及以下供電電壓規定了允許電壓偏差，具體情況如下：

（1）35 kV及以上供電電壓的正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%；

（2）10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱電壓±7%；

（3）220 V單相供電電壓允許偏差上限為107%標稱電壓、下限為90%標稱電壓^[7]。

2.2.8電力系統頻率偏差

電力系統中正弦交變電壓的變化頻率為電力系統頻率。在發電機組穩態運行時，機組中所有發電機都在同步運轉，整個電力系統處于同頻運行狀態。但當電力系統的某些部分發生故障時，可能引起整個系統的頻率變化，正常偏差允許值為0.2 Hz，當電網裝機容量達到3 GW時，頻率偏差可放寬到0.5 Hz^[9]。

3電網適應性測試方案建議

3.1電網適應性測試方案闡述

為適應不同銷售地區的電網制式，充電產品需要全面考慮地區電網特性，在研發階段進行充分驗證。除此之外，在異常電網方面，需要針對市場電網質量8類異常狀態進行測試，保障產品在不同方式的電網波動，電網諧波下安全、高效工作。以下總結為電網制式、電網波動、電網諧波以及組合波形測試5種測試方案。電網適應性測試臺架如圖4所示，交流電源與交流充電樁通過相線連接，充電槍插接在充電座上，提供給車端電壓與控制引導（Control Pilot，CP）信號。車載充電機低壓接口連接低壓電源與高壓負載，電腦通過控制器局域網（Controller Area Network，CAN）設備與車載充電機進行通信。在電網適應性測試中通過調節交流電源，模擬電網輸出端的不同電壓狀態，測試充電產品的適應性。臺架測試中產品包括交流樁和車載充電機（圖5）。此外，也可以進行直流充電樁測試、充電系統測試或實車測試，待測充電實車示意如圖6所示。

3.2電網制式

針對銷往不同國家地區的車型，需要根據當地電網制式進行測試。全球電網制式有16種，應用窮舉法，列出所有制式電壓與頻率測試變量，編寫測試方案。確定待測物為直流充電樁、交流充電樁、車載充電機與充電實車，搭建電網適應性測試臺架進行全面驗證，電網制式測試方案如表1所示。

3.3電網波動

為了確保在電網波動情況下充電系統的穩定運行，需要過電網瞬變、電壓暫降、電壓陡升、短時電壓中斷、輸入電壓范圍以及電壓不平衡因素進行有效保障。

3.3.1電網跌落

電網跌落測試包括電網丟波、電壓跌落、輸入緩慢降低、反復上電下電、相不平衡測試。

電網丟波測試為0～10 ms內的周期性電網跌落，包括階梯波形丟失、1/8波形丟失、1/4波形丟失、3/8波形丟失、1/2波形丟失，如圖7、圖8所示。

電壓跌落測試為供電電壓有效值快速下降到跌落電壓，持續時間一段時間后恢復至標準值。參考電網波動系列國際標準及電網波動系列國家標準^[7，9]，列出標準規定范圍內的電網波動值，使用等價類劃分法與邊界值法綜合設計電壓暫降測試方案，總結得出以下電壓暫降測試點（以國內標準單相供電電壓220 V為例）。除此之外，應充分市場公用充電站與私人充電樁電壓暫降現狀^{[13，15，18，19]}，采集市場充電異常波形，進行實地測試，或保存異常波形，使用電網適應性臺架模擬異常電網，電壓暫降測試方案如表2所示。在實驗室進行測試，確保充電系統能在不同環境下正常工作。

輸入緩慢降低測試是指輸入電壓按照一定速率緩慢降低（包括肯尼亞波形），緩慢降低到輸入欠壓點、欠壓點循環。其中欠壓點為電動汽車充電系統中各總成件輸入電壓下限值。

反復上電下電測試是指在各種不同的相位角進行反復開關機。采用等價類劃分法整理電壓相位角域集合，并將其劃分成4部分，選取0°、45°、90°、135°典型值作為相位角變量，依據充電產品軟件設計策略選取5 s、30 s、60 s典型值作為時間變量，進行反復上電下電測試，如表3所示。

相不平衡測試為模擬三相帶載不均或空開跳閘導致相不平衡或者缺相，包括反復相不平衡（單相、2相、3相），和反復缺相（缺1組、2組、N線、PE線）。應用等價類劃分法與邊界值法相結合，開發相不平衡度測試（表4）。除外應充分考慮市場公用充電站與私人充電樁的相不平衡現狀，采集電網異常數據進行實車測試或仿真測試^{[16， 17， 20]}，確保充電系統能在不同環境下正常工作。

3.3.2電網陡升

電網陡升測試包括輸入緩慢升高、高壓波動和瞬態高壓測試

輸入緩慢升高測試為輸入電壓按照一定速率緩慢升高，包括從零緩慢升高到額定電壓、過壓點循環。其中過壓點為電動汽車充電系統中各總成件輸入電壓上限值。

高壓波動測試為供電電壓有效值快速上升至到陡升電壓，持續時間一段時間后恢復至標準值。參考電網波動系列國際標準及電網波動系列國際標準^{[7， 9]}，對標準進行總結整理，得出以下電壓暫降測試點（以國內標準單相供電電壓220 V為例）。除此之外，應按照市場公用充電站與私人充電樁電壓陡升現狀^[14]進行測試，確保充電系統能在不同環境下正常工作，相關標準中高壓波動測試方案如表5所示。

瞬態高壓測試為模擬開關尖刺或電網諧振過電壓，包括操作過電壓、瞬態過壓、孟加拉波形、毛刺波形、半波陡升、多倍電壓、瞬態高壓高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Test， HALT），如圖9、圖10所示。

3.4電網諧波測試

通過失真波形、市場諧波、IEC諧波^[10]、頻率變化、相位變化5類電網諧波類測試，保障各種異常電網諧波下充電系統能正常工作^[21]。

失真波形測試為模擬部分國家和地區因非線性帶載后導致的電網波形失真，主要測試手段為疊加諧波，包括方波、平頂波、平頂波、階梯波、梯形波、三角波，三角波示意如圖11所示。

市場波形測試為模擬市場真實存在的諧波，包括在公共充電站、私人充電樁采集的供電電網實際狀態及使得市場電動汽車發生故障失效的波形，如圖12、圖13所示。

IEC測試基于IEC標準中的諧波定義，模擬多種IEC諧波，包括1～6倍的IEC諧波失真。表6為IEC諧波標準中測試方案，測試方案參考IEC諧波試驗等級3，截取2～10次諧波部分。其中諧波等級為基波頻率的整數倍，幅值為基波電壓的倍數。

頻率變化測試為模擬負載突變時，發電機調節慢，導致頻率變化，包括頻率緩慢變化、突變和頻率極限HALT。

相位變換測試為模擬發電機異常導致相位角發生變化，包括1相、2相、3相的相位角變化。

3.5組合波形測試

依據上述電網跌落、電網陡升和電網諧波測試方案，采用樹狀分支法進行異常波形組合測試方案設計，保障電網異常波形組合工況下充電系統通過測試后不出現故障。表7為組合波形測試建議方案。

其中3種工況測試方案通過異常波形導出，得出交流電壓隨時間變化的波形或經過傅里葉變換后的幅值、相位與頻率信息，Wavy軟件疊加后進行仿真，可以直接導入電網適應性測試臺架的交流電源設備中，進行異常電網的模擬（圖14）。

4總結

本文通過統計分析全球電網制式，研究電能質量現狀，總結異常電網現象與原理，電網質量現狀對電動汽車充電系統功能影響較大，為適應電網制式差異與電能質量現狀，提出了針對性的電網適應性測試技術。電網適應性測試方案分為2部分，一部分是正常電網測試，包括52種電網制式測試，保障覆蓋全球各個國家和地區。另一部分是異常電網測試，包括電網波動、電網諧波以及波形組合。通過以上測試方案，保障充電系統產品出廠前的功能完善、質量過關，降低市場故障頻率，助力電動汽車充電系統產品技術更加成熟可靠，滿足市場需求。

在未來發展中，隨著電動汽車市場滲透率穩步上升、保有量持續增長以及電動汽車放電功能逐漸成熟，越來越多的高開關頻率設備接入供電網絡，電網質量將面臨更為嚴峻的挑戰。但目前電動汽車對于電網質量現狀的適應性研發測試成熟度不足，此外，標準法規的完善和充電安全問題仍是該領域所面臨的重要挑戰。

因此，對電動汽車電網適應性提出2點建議：

（1）建議新能源汽車企業在開發階段充分考慮電網現狀和用戶充電工況，規避電網異常導致的用戶負面反饋，在驗證階段搭建電網適應性測試臺架，對電網異常的測試用例進行全面檢測，提升新能源汽車充電質量。

（2）建議電力行業與汽車行業加強協同合作，通過技術創新，以電網質量現狀為載體，開發電動汽車充電適應性標準，保障充電過程安全，共建和諧充電生態。

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【作者簡介】

劉元治，1988年出生，男，工程師，現就職于中國一汽新能源開發院，主要研究方向為新能源平臺開發工作。

E-mail：liuyuanzhi@faw.com.cn

宋希龍：1998年出生，男，工學學士學位，現就職于中國一汽新能源開發院，從事新能源平臺高壓系統開發工作。

E-mail：songxilong1@faw.com.cn

王伯軍：1989年出生，男，工程師，現就職于中國一汽新能源開發院，主要研究方向為新能源高壓電氣系統開發。

E-mail：wangbojun@faw.com.cn

李威：1979年出生，女，工程師，現就職于中國一汽新能源開發院，主要研究方向為新能源高壓電氣系統開發。

E-mail：liwei6@faw.com.cn