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淺析:電動汽車充電系統對電能質量的影響及對策

來源: 華瑞清能    發布時間: 2020-04-26 16:40:51    點擊次數:

1、新能源汽車充電系統簡介
1.1  電動汽車充電設施及工作過程
電動汽車充電設施是為電動汽車上的動力電池提供電能補給,是發展電動汽車的重要配套基礎設施。充電設施主要包括充電站和充電樁,充電站主要包括供電系統、充電設備、監控系統及配套系統。
(1)充電站供電系統為充電站內充電設備提供電源,主要由開關、變壓器及線路和監測、保護、控制裝置等組成。
(2)充電站充電設施為充電站的核心設備,主要包括交流充電機、充電樁、充電裝置、計費裝置、電池更換設備等。
(3)充電站監控系統包括充放監控系統和安保監控系統。
由一臺或多臺工作站或服務器組成。安保監控系統負責充電站內安保和充電設施的數據收集、監控等工作;充放監控系統對整個充電系統的原始數據進行存儲和統計分析,提供數據服務及其他應用服務。
(4)充電站配套設施為充電站提供輔助服務的充電工作區、辦公室、消防設備等。電動汽車充電樁運行流程如下:首先,電網10kV的電壓輸入充電站,經變壓器降壓得到相電壓為400V的電壓,輸入充電樁;充電樁將對輸入的電流進行整流,對電流進行放大,使電壓和電流幅值滿足電池充電的要求,達到正常充電的目的。

1.2  充電樁的諧波特性
目前三相不可控整流電路在充電樁中普遍得到采用,因此在交流側產生的諧波特點如下:
(1) 諧波次數為5、7、11、13、17、19…,且諧波幅值與諧波次數成反比關系,次數越高、幅值越小。
(2) 濾波電感、高頻功率變換電路等效輸入電阻、濾波電容和輸入電源電壓有效值的變化決定了單相電流的基波有效值和各次諧波的有效值的特性。
(3) 諧波電流與基波的比例與負載的大小有關,并不是一個特定的值。濾波電感越大,
則諧波電流含量越小,基波電流越大;負載越輕,諧波電流含量越大,基波電流越小。
(4) 在濾波電感、濾波電容和輸入電源電壓有效值一定時,輸出功率越大,高頻功率變換電路等效輸入電阻越小,則諧波電流有效值越大。

1.3  充電站的諧波特性
一般來說,一個充電站中含有許多充電樁,充電樁與公共電網連接之間需要配備變壓器。 充電站中多臺充電樁同時工作時,多臺充電樁輸入電流之和是供電網輸入充電站的總電流。當充電樁輸出功率發生變化時,輸入電流的某次諧波的幅值和相角都將發生變化。也就是說,同時工作的幾臺充電樁,當輸出功率不同時,各自產生的同次諧波會發生相互抵消的現象,尤其是對于高次諧波,從而使得充電站的各次電流諧波小于所有充電樁的電流諧波之和。
充電站諧波特點總結如下:
(1) 3、5、7、11、13次為主要諧波次數,其中含有率Z大是5次諧波電流,次之的是7
次諧波電流。
(2) 當多臺充電樁同時工作時,電流總諧波畸變率會變小,主要是因為不同充電樁產生的諧波電流可以相互抵消;同時,電流總諧波畸變率波動小于單臺充電樁的波動情況。因此,一般情況下,工作的充電樁臺數越多,電流總諧波畸變率越接近某一恒定值。

2、 電動汽車充電站電能質量改善方法研究
2.1充電樁供貨商諧波治理
充電樁供貨商諧波治理是從源頭是治理諧波的Z積極和有效的方式。充電樁供貨商在設備制造過程中,可采用有效的技術降低設備注入電網的諧波電流,同時考慮諧波電流的疊加效應,具體措施包括脈寬調制法和增加整流器的脈動數。
(1) 脈寬調制法:
在所需的頻率周期內,采用脈寬調制法,為一至多臺充電樁提供直流輸入,然后將直流電壓調制成幅度相等但寬度不等的系列交流,并輸出電壓脈沖,從而實現減少諧波對電網的沖擊。采用脈寬調制法可以提高充電樁的功率因素,降低注入的電網諧波電流,使得總畸變率減少到5%,裝置體積較小,各次諧波電流也小,高頻隔離,動態性能好,輸出紋波低,變換效率高。
(2) 增加整流器的脈動數:
充電樁中整流器是諧波主要的來源之一。通過增加電動汽車充電設施的整流脈動數,可平滑電流的波形,降低諧波污染。

2.2設計單位的諧波治理
在設計建設方案時,設計單位應首先模擬并評估充電站投運后可能對電網接入點及區域內配電網絡的影響,從接入點選擇、變壓器容量、充電站接線方式等多方面進行優選。
(1) 對電網接入點的選擇
當充電站采用公用變壓器供電時,充電站注入的諧波電流會流入其他用戶,從而危害到380V母線上接入的其他低壓用戶,導致電壓畸變。此外,當充電樁的功率因數較高時,采用傳統無源濾波裝置不容易解決問題,甚至導致無功過補現象。因此,在充電站多臺充電樁同時運行時,需要采用專用變壓器供電。當充電站采用專用變壓器供電時,專用變壓器高壓側是電能質量考核點針對性的選擇位置。如果接入點的電能質量達不到規定的限值,應采取一定的技術措施進行治理諧波電流。
(2) 變壓器容量的選擇
變壓器的容量應能滿足所有用電設備的額定負荷,并在此基礎之上留有一定的容量裕度。

2.3電網側諧波治理
從負荷屬性來看,電動汽車充電站樁屬于諧波源負荷,充電時會向公用電網注入諧波電流,影響電網電流和電壓的質量。因此為了確保電能質量和電力系統的安全、穩定、經濟運行,需要實施一定的措施來治理注入電網的諧波電流。這類方法是對已經存在的諧波進行有效治理的重要積極措施,也是目前在電力系統中使用Z普遍的治理諧的方法,適用于已經投運的電動汽車充電站。
(1) 采用無源型交流濾波器 
為了有效抑制和減少注入電網的諧波,無源型交流濾波器的安裝位置應選在電動汽車充電樁設備的交流側,其治理原理為:諧振回路由L、C、R元件構成,當LC回路的諧振頻率與某一高次諧波電流頻率一致時,即可實現阻止該次諧波流入電網。但是,無源濾波器存在著放大諧波電流的概率、占地面大、且系統參數往往導致濾波裝置不能正常工作等缺點。
(2) 采用有源濾波器裝置 
與無源濾波器相比,有源濾波器具有多重功能:第一,響應快捷、高度可控,可以補償各次諧波,同時能夠補償無功功率、抑制電壓閃變;第二,整體來說性價比較為合理;第三,可自動跟蹤諧波的變化并對其進行補償,自適應功能較高;第四,不受系統阻抗的干擾,可避免與系統阻抗發生諧振的危險。
APF橫豎模塊(中)
(3) 統籌充電樁的數量 
當某個充電站中同時參與充電的充電樁數量增加時,會出現諧波,當各充電樁諧波電流相位角大多數相反的情況下,輸入充電站的總諧波電流也會越小。但是也存在相同相位角諧波電流相互疊加的情況,這就要求我們隨時統籌充電樁的數量及充電狀態。
(4) 采用容量較大的系統提供電力 
采用容量較大的系統供電時,從端口低壓母線側和諧波源角度分析,充電樁等值阻抗值均得到了某種程度上的降低;在變壓器高、低壓兩側,整流裝置產生的諧波電壓畸變率均也得到了減少。
(5) 電能質量在線監測 
采用電能質量在線監測的另外一個目的是可以通過裝置的告警功能實現諧波報警和保護功能。

結束語 
電動汽車的發展和普及離不開充電站的建設,而充電站中大量的充電樁充電時會向電網注入諧波電流,產生諧波污染,從而影響系統的電能質量。因此,在充電站設計、建設、接入電網運行前有必要加以測試和解決諧波問題。

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