充电桩接入对电网谐波所产生的影响

充电桩接入对电网谐波所产生的影响

郭睿

乌鲁木齐建筑设计研究院有限责任公司 830092

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电网建设越来越多。电动汽车是代表着汽车产业未来发展的方向,电动汽车采用电力驱动,采用充电桩进行充电。充电桩采用的大功率逆变器,通过采用高压供电将能够实现为电动汽车的快速充电,但是充电桩所使用的逆变器在电动车充电时会向电网中馈入一定的谐波,而当多台电动汽车在同一充电桩进行充电时,各车所产生的逆变谐波将会产生交叉影响进而影响到电网的稳定性。本文就电动汽车充电时所产生的谐波变化规律进行分析阐述。

关键词：谐波；电动汽车充电桩；建模仿真；电能质量

引言

众所周知，目前电动汽车都在推行快速充电。这种快速充电桩内部含有整流装置，它的作用是将交流电转换为直流电，为电动汽车的车载蓄电池充电。整流装置就是一个重要的谐波污染源，因此电动汽车充电桩会造成对于供电系统的谐波污染，进而导致功率因数降低。这在一定程度上会影响供电系统电能质量，还会在用电高峰的情况下，进一步增加供电系统负担。

1电动汽车充电桩谐波理论分析

实际中常用的三相桥式整流型充电桩的等效模型模型如图1所示。利用傅里叶谐波分析理论对该模型产生的谐波进行理论分析，得出谐波的规律为：充电桩整流电路是半波对称的，所以无偶次谐波，主要为奇次谐波，仅含6k±1(k为正整数)次谐波，即5、7、11、13、17、19等次谐波；各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

图1

2电动汽车充电桩模型分析

2.1充电机等效模型

电动汽车充电桩主要由逆变器模块、DC/DC功率变换器模块、滤波模块组成。接受来自配电网的交流电，经一系列环节后为电动汽车提供电能。目前市面上有两类电动汽车充电桩：交流充电桩和直流充电桩。因交流充电桩本身并不具备充电功能，只是单纯提供电力输出，还需要连接电动汽车车载充电机，方可为电动汽车电池充电。且电动汽车车载充电机的功率一般都比较小，所以交流充电桩无法实现快速充电（大电流、短时间）。而直流充电桩可直接为电动汽车的电池充电，一般采用三相四线制或三相三线制供电，输出的电压和电流可调范围大，因此可以实现电动汽车快速充电。由于慢速充电模式（小电流、长时间）给电动汽车使用造成了较大的不便利，本文选择直流充电桩进行模型的建立。

2.2充电桩充电质量的建模分析

为了更好的模拟真实的情况在模型建立时囊括了光伏发电系统和其他分布式的电源系统,分手式电源所采用的是三相电压型SPWM逆变器,因此模型可以以SPWM进行等效。仿真模型中,充电桩进行作为负载端与电力系统进行连接,并入了4台充电桩采用PQ控制,充电桩容量为9kw,变压器容量为1MVA。通过模拟数据显示单台电动汽车充电桩的输出谐波与充电桩所接入的电动汽车台数呈反比,即接入的电动汽车台数越多充电桩所输出的电流幅值也越小，而造成这一现象的根本原因在于充电桩所接入电动汽车产生的谐波之间将会产生矢量叠加,叠加的谐波将产生相位影响。此外,随着充电桩上所接入电动汽车数量的增加,充电桩与电网的接入点上的谐波电流幅值将大幅增加,造成这一现象是由于充电桩与电动汽车相连接后,电动汽车就可以看作为接入配电网的负载,电动汽车充电时所产生的谐波电流受到配电网系统接入点与系统之间阻抗的作用,加之系统与接入点之间的阻抗要比电动汽车接入点之间的阻抗小得多,从而造成电动汽车充电桩在充电时所产生的谐波电流主要流向配电网系统,从而在配电网系统中产生较大的干扰。同时通过模拟可以看出,单台充电机所产生的5次谐波电流平均为0.432A,接入4台充电机后所产生的5次谐波电流平均为0.927A,上述数据显示增加充电桩接入的电动汽车台数所造成的谐波电流并不是线性增加的,而是非线性增加的。造成这一现象的原因是由于充电桩所接电动汽车之间存在谐波电流相互抵消的情况,由于抵消的存在使得谐波电流并不与电动汽车台数的增长同比例.此外,还需要考虑到配电网中所含有的背景谐波电压所产生的网侧变流器谐波电流所产生的影响,由于其频率与电网背景谐波电压频率相同,因此其极易掩藏在背景电压之下容易被忽视。在电动汽车动力电池充放点控制策略上如采用传统的双环控制策略将容易导致逆变器输出电流的跟踪性较差,使之与参考电流之间存在较大的偏差,从而造成多台电动汽车在应用充电桩充电时会产生较为明显的影响。

2.3多电动汽车充电桩接入系统的谐波影响

为探究电动汽车充电桩对电网产生的谐波影响随电动汽车台数增长的变化情况，其中不同颜色代表不同接入台数，接入电动汽车充电桩型号相同。随着电动汽车充电桩接入台数的增加，单台电动汽车充电桩（并网点）输出的谐波电流幅值呈现减小的趋势。造成该现象的原因是：谐波的叠加是矢量的叠加，叠加结果受相位影响。随着电动汽车充电桩接入台数的增加，汇集母线（接入点）上的谐波电流幅值呈现显著增加的趋势。造成该现象的原因是：当电动汽车充电桩接入配电网之后，发射的谐波电流受接入点与系统之间阻抗的影响很大，由于接入点到系统的阻抗远小于接入点之间的阻抗，所以电动汽车充电桩工作产生的谐波电流大多流向系统。

3仿真实验

依照多拓扑结构充电桩谐波分析模型，借助相应的平台构建两种拓扑结构的仿真模型，考虑到充电桩在不同充电阶段会出现不同的谐波影响，因此在仿真实验中也设置了不同电压以及电流，满足相关充电桩的谐波特点分析需求。鉴于电动汽车充电桩在不同充电阶段产生的谐波特点差异性，设置相应的谐波产生环境，分别就不同电流、电压以及充电功率下的谐波产生情况进行设置，设置的3种不同仿真工况分别是：第一，电压、电流以及充电功率分别为180—V、60—A、16—kW；第二，电压、电流以及充电功率分别为200—V、180—A、32—kW；第三，电压、电流以及充电功率分别为500—V、180—A、40—kW。—最终的仿真结果统计发现，在3种不同工况中，充电功率不断增长，这两类拓扑结构充电桩在配电变压器高压侧总谐波电流畸变率不断降低。根据仿真实验可知，第一种拓扑结构充电机的总谐波电流畸变率依然超过两成，而第二种拓扑结构充电机的总谐波电流畸变率要比第一种拓扑结构充电机的数值小很多。

结语

综上所述，电动汽车在未来将取得广泛的应用,为保障充电安全需要积极做好充电桩充放电特性的研究与分析。电动汽车充电桩所产生的谐波往往向着配电网侧流动,其向负载处流动的极少,同时随着接入充电桩中的负载设备的增加,设备间所涌动的谐波电流将由于谐波叠加的影响而有所降低。此外,多台电动汽车应用充电桩充电时所产生的谐波容易在配网背景谐波的影响下产生一定的变化,而这一变化的存在将会对配电网的电能质量产生较为严重的影响。新时期随着电动汽车使用量的不断增加,其接入充电桩后将会对配电网产生较大的影响,为保障供电质量需要就各种影响进行分析,以便于后期结合所产生的影响采取针对性的控制措施。

参考文献

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[2]于会群,林豪洋,沈昱.基于基波磁通补偿的电动汽车充电桩谐波抑制研究[J].浙江电力，2018,37(12):13-18.

[3]唐国祥,丁兴林,张宇林.基于APF的电动汽车充电桩谐波的检测及抑制[J].机电技术，2016,(2):76-79.