电动汽车充电机对电能计量的影响

电动汽车充电机对电能计量的影响

孙世莉

（国网山西省电力公司长治供电公司山西长治046000）

摘要：新能源汽车以电动汽车为主，如此大规模的电动汽车发展需要大量充电站配合，而充电机属于新型大功率、高度非线性的负荷，是谐波功率源，由此引发的电能质量污染、动态特性等引起的计量问题需要深入研究，而计量准确性和合理性涉及电力公司、用户和充电运营商利益，充电计量准确性和合理性，是一项摆在我们面前的紧迫课题。

关键字：电动汽车充电机；电能计量；影响

1.电动汽车充电机及计量方式的介绍

1.1电动汽车充电机

电动汽车充电机主要分为3种：不控整流加斩波器，不控整流加DC/DC变换器（含高频变压器），PWM整流加DC/DC变换器（含高频变压器）。

（1）不控整流+斩波器

第一类充电机由工频变压器、不控整流和斩波器组成，特点是直流侧电压纹波小、动态性能好、工频隔离、体积大、电网侧电流谐波大和变换效率低。属于早期产品，基本已被淘汰。

（2）不控整流+DC/DC变换器

这一类电动汽车充电站利用不控整流环节和滤波设备，实现交流转直流的作用，完成了对电动汽车蓄电池的直流充电。这一类充电设备有电压稳定，动态性能好等特点，相比之前的第一类充电设备，已经有了长足进步。但是，滤波设备无法实现对不控整流设备输出的完全滤波，导致输出电压谐波畸变率依旧很高，电网侧谐波总量可达30%，THD可达25%左右，奇次谐波无法满足国标要求。

（3）PWM整流+DC/DC变换器

相比于不控整流设施，这一类电动汽车充电站采用了PWM控制法对直流进行整流。PWM控制能够有效的降低输出电压的谐波畸变率，使之符合国标要求。但是，这一类控制器一般价格昂贵，且调试困难，增加了使用和运维的成本，目前推广率不高。

现阶段，国内使用的电动汽车充电机一般以第二类控制方式为主，即不控整流加LC滤波、DC/DC控制器组成的充电机。在我国推广电动汽车的城市，如北京，深圳等，大多采用的是这类充电设备。

目前的充电方式中，从充电方法来说，常规的充电方法有恒流充、恒压充、分段充、恒流恒压充等方法。

1.2充电站内计量方式主要有以下几种：

（1）网供计量：高供高计，在10kV侧设置计量装置，电能表准确度等级为有功0.5S级，无功2.0级，电压互感器等级为0.2级，电流互感器等级为0.2S级；电能表通过RS485/CAN等通讯方式实时传输信息到用电采集终端。网供计量方式适用于独立核算用户建立的充电站所用电量的计量。

（2）直流充电机和电动汽车之间的计量：采用直流计量，安装直流智能电能表，对充电过程进行计量，并将计量信息传递给充电机和用电采集终端，用于后台计费系统计算、存储以及充电桩人机接口的显示。

（3）在交流充电桩上设置交流智能电能表，准确度等级为有功0.5S级。通过RS485/CAN等通讯方式将计量信息传递给用电采集终端与充电机，数据库中保存每个充电机的计量数据。

（4）在直流充电机交流侧设置交流智能电能表，并通过RS485/CAN等通讯方式将计量信息传递给用电采集终端，并通过用电采集终端上传给充电站监控系统或上级监控系统，在数据库中保存每个充电机的计量数据。

2电动汽车充电机对电能计量的影响

我国目前主要采用全电能计量的标准，在基波情况下能够准确反映出用户的用电情况。但是当电网中存在谐波功率时，这种计量方式就显现出不合理性。它使得非线性负荷发出谐波污染电网却少交电费，而线性负荷受到污染吸收谐波反而多交电费。同时这种现象也不利于供电部门查找谐波源，治理谐波。因此有必要研究充电机充电时谐波功率是否影响到电能计量的合理性。

2.1对谐波电能的准确性造成影响

当前，针对电动汽车所生产的谐波进行详细分析，逐渐总结得出，电动汽车充电桩对谐波电能的准确性会造成影响，当对各种装置提出较高的要求时，就会在电动设备中安装电能表，以此计量电流数值以及测量输出的电力，进而忽视监测电动汽车充电桩输出和输入过程中产生的谐波，没有做到加强监测，致使电能计量有较大的误差，不能得出精准度较高的数值，直接降低精准度，结合不准确的数据传输电压和电流，就会导致谐波发生改变，不能与其他线性数据成正比，当充电时，谐波所产生的负荷，无法与功率波动保持一致，电能表的准确性也难以保证。归根到底就在于电动汽车充电桩生成的谐波，没有与基波保持一致，在计量过程中全面考虑到电能装置带来的影响，没有意识到谐波会影响电能计量的精准度，不利于稳定电网运行，甚至会降低电力系统的时效性。电动汽车蓄电池成产过程中一般采用可控硅构成的三相桥式整流装置作为化成设备，但这些设备对电网造成了大功率电力电子非线性负载，从而引发电网产生大量的谐波污染，所以充电桩重要的电能质量问题就是谐波污染。

2.2电动汽车充电桩直接影响电能计量

在以往运用的电表功率较低，接入充电桩之后，电动汽车充电桩的位置，就会影响电能计量设备的性能，充电过程中所产生的电流，在充电桩启动下传输谐波，不利于稳定电网运行，还会降低设电动汽车运转效率。由此可知，电动汽车充电桩对电能计量所带来的影响，不仅仅生产谐波，还导致计量功能不能发挥出来，致使电动汽车内部的设备，在启动时，会消耗过多的电量，虽然充电时间较短，但是在实际应用中电负荷、电能计量，就会受到电动汽车充电桩的影响，不能持续云用户较长的时间，逐渐造成电力资源严重浪费。

（1）常规充电对电能计量影响

三相不控整流加DC/DC充电机向电网注入谐波功率，注入的谐波占基波功率百分比随着充电功率的增大而增加，随线路短路容量的增大而减小。但总体上占基波功率的比值很小（0.012%），对计量合理性造成的影响有限；在电网没有背景谐波情况下，谐波电压由充电机产生谐波电流在线路阻抗和变压器漏抗上的压降引起，从而产生谐波功率。分析了充电功率变化时的充电机的谐波电流与谐波功率，与恒流充电时的情况非常接近。基于移相控制零电压全桥变换电路的DC/DC变换器，在大功率条件下有较高的电能转换，而输出功率较小时，由于滞后臂难于实现ZVS而导致效率降低；PWM整流电路电能转换效率较三相不控整流电路更低，因此PWM整流加DC/DC充电机整体效率比三相不控整流加DC/DC充电机低；充电机的电能损耗在2.5%以上，从电量交易的公平性与合理性考虑，这部分损耗需要在用户与售电方之间合理分摊。

（2）脉冲充电对电能计量影响

充电机发出的谐波电流使电压产生畸变，畸变的电压含有“跳变”成分，由于A/D采样频率一般为10kHz，采样时产生的误差影响到电能计量准确性；充电机恒流充电时因采样频率不足而引起的误差在0.1%左右，能够满足0.5S级的要求。脉冲充电频率较低时（1Hz），谐波成分与恒流充电时相近，主要为6k±1次六脉波整流特征谐波而脉冲频率较高时

（12Hz、48Hz、86Hz），谐波中不仅含有六脉波整流特征谐波，还有大量间谐波和偶次谐波，并随着充电频率的上升，谐波成分越加复杂；脉冲充电时计量误差可达到0.5%以上，超过《国家电网电动汽车充电站典型设计》中建议的交流侧0.5S级准确度。

3结束语

我们应对谐波加强监管和监测，从而充分了解电网是否存在谐波，一旦发现需及时放大监测得出的图像，全面掌握电动汽车内部存在故障，进而引发周围的装置和设备，不能发挥出良好的性能，造成谐波较高。由此可知，应尽快采取措施解决，从而起到稳定功率的作用，逐渐谐波在标准的区间内，这样才能确保电能表所显示的数据，精准度较高，可以依据得出的计量数值，确定输入和输出的电流和电压，促使充电桩不会产生谐波，进而无法影响计量的准确性，以此确保所得出的监测结果和计量数值具准确，便可作为参考数据。此外，还应严格监管电力系统，如果发现不稳定现象，或者谐波功率与标准功率不一致，立即汇报，尽快应用针对性的措施，消除故障和影响因素，有利于控制好负荷电流量，使电能表的计量能力不被降低，进一步提高电动汽车行驶的安全性。

参考文献：

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