电动汽车充电站电能质量采集与分析

电动汽车充电站电能质量采集与分析

张冰蔡永成

中能易电新能源技术有限公司广东东莞523808

摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，电动汽车交流充电设施涉及电网、充电桩和车辆三方面，电能质量、充电设施和车载充电装置的性能、充电通信兼容性等均会影响充电过程，其中，电能质量对电动汽车充电系统的影响，在现有国家标准中，并未做出详细规定。通过对国内充电桩、充电站基数较大、具有一定代表性的城市进行电能质量调查、采集，分析所采集城市的电能质量相关具体数据，总结存在的电能质量问题，研究对电动汽车充电过程的影响。

关键词：电动汽车；充电站；电能质量采集

引言

世界各国政府和人民越来越重视智能电网技术的发展，智能电网中一个重要组成部分就是电动汽车，其往往具有较为广阔的发展前景。当前，汽车企业在金融危机后正进入全面的能源转型期，全世界都已经认识到大力发展汽车产业的潜力。可以预计，电动汽车的广泛普及在未来城市中必不可少，通过大规模电动汽车充电站的运营能有效满足推进低碳经济、发展清洁环保型电力能源的需求。

1充电站分类概述

1.1第一类充电机

在第一类充电机中，其结构主要是由斩波电路、不可控整流电路、工频变压器、滤波装置等组成。分析这种充电机主要特点，其主要包括动态性能好、直流侧电压纹波小、需要采用体积较大的工频变压器，其主要的缺点则是存在过大的充电机谐波电流，不合适接入公用电网。

1.2第二类充电机

分析第二类充电机的结构组成，其主要包括三项不控整流、工频变压器、高频变压器隔离DC-DC变换器，还有相关的滤波装置等。这类型的主要特点则是，具有比较好的动态性能、较小的直流测电压纹波、为了具有较小的装置体积而采用高频隔离。这种充电机具有低廉的价格，尽管存在相对较高的谐波含量，在消费者中接受度较广，则为主流的充电机。

1.3第三类充电器

分析第三类充电机的结构，其主要是由高频变压器隔离DC-DC变换器、三相PWM整流器、以及相关的滤波装置。其中，PWM整流技术在其整流侧采用，存在较低的谐波成分，较高的功率因数，能够满足5%以下的注入电网的电流总畸变率。要想使得装置体积减小，还能采用高频隔离技术，还具备较高的变换效率，这种充电机具有技术上的一定优势，但是，生产成本由于采用PWM技术而大大增加，还难以较为广泛应用。

2电能质量采集分析

衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。中国从20世纪90年代初至今，国家技术监督局先后组织制定并颁布了6项电能质量国家标准，对电能质量的相关技术指标进行了标准化要求，详见表1。这些标准是中国公用电网正常运行应满足的条件，给电能质量治理工作提供了参考与依据，也为电能质量调查采集数据提供了标准支撑。电能质量测试方法如下。基于现有的国家标准对电能质量的要求，以及对产品抗干扰性的要求，主要采集研究网侧电压、频率、电流等此外，对单个充电桩的控制导引信号（以下简称CP信号）进行了数据采样。测试原理图如图1所示。其中，V1、I1为充电回路电压电流，V2、I2为漏电压与漏电流值，V3为检测点1的电压值，V4是检测点2的电压值。

表1电能质量国家标准

3电能质量调研结果分析

3.1供电电压有效值超限

如图1所示，多个充电站存在供电电压超限的问题。图1a所示充电站电压有效值始终超出标准要求，保持在237V以上；图1b所示充电站供电电压缓慢上升，并最终上升至236V以上；图1c所示充电站在充电桩启动时，供电电压存在骤变工况。

图1供电电压有效值超限分析图

3.2谐波

充电机单机谐波电流

衡量充电机谐波电流发射指标为总谐波电流畸变率（totalharmonicdistortion，THD）和各次谐波电流含有率（harmonicratio，HR）。各充电机谐波电流发射情况如图2和表2所示。

图2充电机各次谐波电流含有率

表2充电机谐波电流发射情况统计

由表2可知，不含PFC电路的充电机谐波电流含有率明显大于其余三种充电机。标准中对于车载充电机和非车载充电机的电流质量规定有：1）车载充电机。标准中对输入电流在16A以下和16A以上的车载充电机做了不同规定：16A以下以谐波电流幅值为考察对象；16A以上以谐波含有率为考察对象。标准中对几项低次谐波电流的限值规定如表3所示。

表3车载充电机谐波电流标准限值

本文所测试充电机中，充电机1和2为车载充电机，其中充电机1输入电流为16A；充电机2大于16A。在图2和表2中，为方便对比均以谐波含有率的形式进行统计。对于充电机1，可将其各次谐波含有率乘以基波幅值后与表3相关标准限值进行对比；充电机2可直接对比。由此可知，充电机1及2均满足要求。

4充电站谐波治理措施分析

4.1利用12脉动桥式整流电路

利用一台三绕组变压器，并联两个6脉动整流桥，同时，变压器二次侧一个进行相关的星形连接，另外一个则成三角形连接，要求整流电源每相应该相互彼此错开π/6，这样就能构成12脉动整流电路。其中，在12脉动桥式整流电路中，电流的各次谐波有效值则与其次数成反比关系，在越高的次数下，其有效值则越小，这样无疑有利于谐波的滤除。

4.2采用APF有源电力滤波器

在充电站谐波治理中利用有源电力滤波器，其基本思想则是把谐波电流分量在电动汽车充电机所产生的谐波电流中进行检测，和该分量大小相等但是存在相反极性电流分量则由该补偿装置产生，并进行相关有效地消除抵消，从而使得电网中流入的电流仅含有基波分量。利用APF装置的多样化补偿功能，具有较快的动态响应速度，能够有效进行补偿无功和抑制闪变，电网阻抗并不影响到其补偿特性，其则是完全由自身运算和控制电路所决定。

4.3利用功率因素校正技术

为了有效使得功率因素得以提高，同时，有效降低电流谐波含量，可以进行升压型的有源功率因素校正装置在充电机端安装。基波因素可以通过安装功率因素校正装置来进行提高，使得电流中的基波分量有效提高，使得谐波含量含有率则有所减少，满足谐波减小的效果。对于理想情况来说，功率因素校正能够在有源功率因数校正装置作用下而达到0.99左右，这样就能够明显减小谐波含量。

结语

我们知道电动汽车的发展趋势是必然的，随着电动汽车的发展必然会带动充电站和充电设备的发展，然而现在大部分充电机在充电时会向电网注入谐波电流，从而影响电能质量，造成一些资源的浪费和对环境的污染。针对以上的出现的问题，我们通过相应的措施来解决谐波对电能质量的影响。

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