電動汽車直流充電樁接入對電網(wǎng)諧波的影響分析

管永高，牛 濤，倪盼盼

（中國能源建設(shè)集團(tuán) 江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102）

電動汽車直流充電樁接入對電網(wǎng)諧波的影響分析

管永高，牛 濤，倪盼盼

（中國能源建設(shè)集團(tuán) 江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102）

1 研究背景

隨著電動汽車的推廣與使用，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求也日益迫切［1］。電動汽車充電設(shè)施采用了大量非線性的電力電子設(shè)備，將會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成不利影響，諧波問題則是比較突出的電能質(zhì)量問題之一［2］。

現(xiàn)有研究中對于電動汽車充電樁對電網(wǎng)諧波的影響分析主要是通過在數(shù)字仿真平臺上搭建充電樁仿真模型，利用模型分析充電樁諧波電流的特點(diǎn)和變化規(guī)律［3—4］，在此基礎(chǔ)上提出了電動汽車充電諧波的工程計(jì)算方法［5］。

在電動汽車充電樁接入電網(wǎng)分析中，需要根據(jù)電動汽車充電樁諧波實(shí)際測試數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)諧波計(jì)算分析。本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 145949—1993）中對電網(wǎng)諧波的要求和計(jì)算方法，結(jié)合某廠家電動汽車直流充電樁諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)，對電動汽車直流充電樁接入后對電網(wǎng)的諧波影響進(jìn)行了分析。

2 公網(wǎng)諧波的要求與計(jì)算方法

國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》［6］（GB/T 145949—1993）規(guī)定了接入不同電壓等級公共連接點(diǎn)的全部用戶向該節(jié)點(diǎn)注入諧波電流分量的允許值。以10 kV為例，對10 kV公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量允許值見表1。

表1 注入10 kV公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于表1中基準(zhǔn)短路容量時，需按式（1）修正表1中的諧波電流允許值

式中：Sh1為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；Sh2為基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp為表1中第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sh1時的第h次諧波電流允許值。

在公共連接點(diǎn)處，第i個用戶的第h次諧波電流的允許值（Ihi）需按式（2）計(jì)算

式中：Si為第i個用戶的用電協(xié)議容量，MVA；St為公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量，MVA；α為相位迭加系數(shù)，取值見表2。

表2 諧波電流計(jì)算相位迭加系數(shù)α

另外，2個同次諧波電流在同一條線路的同一相上迭加，當(dāng)相位角已知是可按式（3）計(jì)算

式中：Ih1為諧波源1的第h次諧波電流，A；Ih2為諧波源2的第h次諧波電流，A；θh為諧波源1和諧波源2的第h次諧波電流之間的相位角。

當(dāng)相位角不確定時，可采用近似計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算

式中：Kh系數(shù)的取值如表3所示。

表3 諧波電流計(jì)算相位系數(shù)Kh

3 諧波電流影響因素分析

3.1 諧波電流允許值影響因素分析

在實(shí)際計(jì)算中，需要根據(jù)相關(guān)容量計(jì)算各次諧波的允許值，結(jié)合各諧波源產(chǎn)生的各次諧波的實(shí)際值，判斷各次諧波是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

由式（1）和式（2）可知，第i個用戶的諧波允許值主要受到電網(wǎng)公共連接點(diǎn)最小短路容量、公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量以及用戶的協(xié)議容量有關(guān)。

以5次諧波為例，在用戶協(xié)議容量一定的情況下，5次諧波允許值隨電網(wǎng)公共連接點(diǎn)最小短路容量和供電設(shè)備容量變化曲面如圖1所示。

由圖1可知，在用戶協(xié)議容量一定的情況下，5次諧波允許值會隨著公共連接點(diǎn)最小短路容量增大而增大，隨著供電設(shè)備容量的增大而減小。

以5次諧波為例，在公共連接點(diǎn)最小短路容量和供電設(shè)備容量一定的情況下，諧波電流允許值隨用戶協(xié)議容量的變化曲線如圖2所示。

圖1 諧波允許值變化曲面圖

圖2 諧波允許值變化曲線

由圖2可知，用戶的協(xié)議容量越大，相應(yīng)的諧波電流允許值也會增大。

3.2 諧波電流實(shí)際值影響因素分析

在實(shí)際系統(tǒng)中，某一公共連接點(diǎn)下往往存在多個諧波源，需根據(jù)式（4）或式（5）進(jìn)行諧波電流的迭加計(jì)算。

同樣以5次諧波為例，假設(shè)某一公共連接點(diǎn)下單個諧波源的5次諧波電流為2.8 A?？紤]多個諧波源迭加后，相應(yīng)的諧波電流實(shí)際值的變化曲線如圖3所示。

圖3 諧波電流隨諧波源數(shù)量的變化曲線

由圖3可知，隨著諧波源數(shù)量的增加，5次諧波電流迭加值也隨之增大。

根據(jù)上述分析，一方面公共連接點(diǎn)的最小短路容量、供電設(shè)備容量以及用戶協(xié)議容量會影響公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值的大??；另一方面諧波源的增加也會改變注入公共連接點(diǎn)的諧波電流的大小。

電動汽車直流充電樁作為一類諧波源，其接入系統(tǒng)將會對電網(wǎng)諧波帶來影響，需要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中的要求合理配置其規(guī)模。本文將進(jìn)一步分析電動汽車直流充電樁接入后對電網(wǎng)諧波帶來的影響，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中對諧波電流的要求，結(jié)合電網(wǎng)不同的外部條件分析允許接入的最大直流充電樁的數(shù)量。

4 直流充電樁接入對電網(wǎng)諧波的影響

4.1 充電樁接入系統(tǒng)方式

圖4 充電樁接入電網(wǎng)示意圖

直流充電樁的接入方式如圖4所示。由圖4可知，在滿足變壓器容量的前提下，各直流充電樁通過線路匯聚至10 kV變壓器低壓側(cè)母線，多臺10 kV變壓器通過線路接入110 kV變壓器的低壓側(cè)母線，該母線即為電動汽車接入系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)。需要說明的是，圖4中10 kV側(cè)只顯示了直流充電樁，實(shí)際上10 kV母線側(cè)仍接有一部分用戶負(fù)荷，圖中未予顯示。

4.2 直流充電樁接入后諧波及其允許值計(jì)算

針對圖4所示的系統(tǒng)，計(jì)算分析電動汽車直流充電樁接入后諧波及其允許值?？紤]直流充電樁接入系統(tǒng)后的協(xié)議容量為充電樁額定充電容量之和；公共連接點(diǎn)的總供電容量，即上一級110 kV主變?nèi)萘?，?0 MVA。經(jīng)過對江蘇某電網(wǎng)10 kV側(cè)進(jìn)行短路計(jì)算，電動汽車充電樁接入的公共連接點(diǎn)最小短路容量取為89.6 MVA。根據(jù)式（1），考慮公共連接點(diǎn)的最小短路容量后允許用戶注入的各次諧波電流的允許值如表4所示。

表4 折算后公共連接點(diǎn)各次諧波允許值

一方面接入系統(tǒng)的電動汽車充電樁數(shù)量的增加，將會帶來充電樁總的用戶協(xié)議容量的增大，根據(jù)3.1節(jié)的分析，用戶協(xié)議容量的增大將會是諧波電流的允許值增大；另一方面，隨著接入系統(tǒng)的電動汽車充電樁數(shù)量的增加，將會導(dǎo)致接入系統(tǒng)諧波源數(shù)量的增加，根據(jù)3.2節(jié)的分析，諧波源的增加將會導(dǎo)致注入系統(tǒng)的各次諧波電流增大。故需對電動汽車直流充電樁接入系統(tǒng)后產(chǎn)生的各次諧波以及各次諧波的允許值進(jìn)行計(jì)算。

表5為某廠家生產(chǎn)的直流充電樁諧波監(jiān)測報(bào)告數(shù)據(jù)，表中列出了單座直流充電樁的各次諧波發(fā)生量，各次諧波發(fā)生量均未考慮濾波補(bǔ)償裝置的作用，各次諧波電流百分?jǐn)?shù)均為該次諧波電流比例最高時數(shù)值。該直流充電樁額定充電功率為120 kW。

表5 某廠家單座直流充電樁最大諧波電流百分?jǐn)?shù)

根據(jù)表5中直流充電樁諧波檢測實(shí)際值，結(jié)合式（4）計(jì)算得到不同數(shù)量的直流充電樁接入后注入公共連接點(diǎn)的諧波電流，并根據(jù)式（2）計(jì)算得到充電樁接入后諧波電流允許值。計(jì)算結(jié)果如表6所示。

由表6可知，當(dāng)接入9臺直流充電樁時，充電樁產(chǎn)生的總的諧波電流各次諧波電流值均未超過用戶允許注入諧波的限額；而當(dāng)接入10臺直流充電樁時，充電樁產(chǎn)生的總的諧波電流中5次諧波超過了用戶允許的注入諧波電流限值。故在上述外部電網(wǎng)條件下考慮諧波約束，最大允許接入的直流充電樁數(shù)量為9座。

由表6還可知，對于文中所提及的這類直流充電樁，最大允許接入充電樁的數(shù)量主要受到5次諧波的約束。進(jìn)一步將5次諧波電流值及其允許值隨接入電網(wǎng)的直流充電樁數(shù)量的變化曲線繪制于同一張圖中，如圖5所示。圖中諧波電流實(shí)際值和允許值均已歸算至公共連接點(diǎn)側(cè)。

表6 電動汽車充電樁接入后諧波電流及其允許值計(jì)算結(jié)果

圖5 5次諧波電流實(shí)際值和允許值

由圖5可知，當(dāng)接入9座直流充電樁時，5次諧波電流實(shí)際值小于允許值；當(dāng)接入10座直流充電裝時，5次諧波電流實(shí)際值大于允許值。這與表6中反映的5次諧波計(jì)算結(jié)果一致。

需要說明的是，由于3次諧波電流以及3次倍頻諧波不能通過變壓器流通［7］，故表6中公共連接點(diǎn)處直流充電樁產(chǎn)生的3次諧波以及3次倍頻諧波均為0。

4.3 直流充電樁最大接入數(shù)量分析

進(jìn)一步分析對應(yīng)于不同供電設(shè)備容量以及節(jié)點(diǎn)最小短路容量下，在滿足諧波要求的條件下，能夠接入的最大充電樁數(shù)量。計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 最大允許接入充電樁數(shù)量計(jì)算結(jié)果

由表7可知，當(dāng)供電設(shè)備容量為50 MVA時，最小短路容量為88~96 MVA時，系統(tǒng)中允許接入的最大充電樁數(shù)量約7—21座；當(dāng)供電設(shè)備容量為63 MVA時，最小短路容量為108~116 MVA時，系統(tǒng)中允許接入的最大充電樁數(shù)量約5—20座；當(dāng)供電設(shè)備容量為80 MVA時，最小短路容量為130~138 MVA時，系統(tǒng)中允許接入的最大充電樁數(shù)量約7—15座。以上分析均考慮充電樁接入380 V電網(wǎng)并通過升壓變集中接入10 kV電網(wǎng)。

由表7還可知，在供電設(shè)備容量一定的情況下，最小短路容量越大，則允許接入的最大直流充電樁數(shù)量越大；同等短路水平下，供電設(shè)備容量越大，則允許接入的最大直流充電樁數(shù)量越小。這與第3節(jié)中分析的結(jié)論一致。

需要說明的是，上述計(jì)算結(jié)果只是針對某廠家生產(chǎn)的特定直流充電樁諧波測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到的結(jié)果，對于其他類型的特定直流充電樁接入系統(tǒng)后對電網(wǎng)諧波的影響可根據(jù)文中所提的方法另作分析。

5 結(jié)束語

本文依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)分析了電動汽車直流充電樁接入系統(tǒng)后對電網(wǎng)諧波的影響，分析了諧波允許值隨公共連接點(diǎn)最小短路容量、供電設(shè)備容量以及用戶協(xié)議容量的變化規(guī)律。針對某一特定的電動汽車直流充電樁分析了充電樁接入后對電網(wǎng)諧波帶來的影響，針對不同影響因素測算了允許接入的最大直流充電樁數(shù)量。文中提出的計(jì)算思路和計(jì)算方法對考慮諧波約束下電動汽車充電樁的合理配置具有指導(dǎo)意義。D

［1］ 康繼光，衛(wèi)振林，程丹明，等．電動汽車充電模式與充電站建設(shè)研究［J］.電力需求側(cè)管理，2009，11（5）：64-66．

［2］ 黃少芳.電動汽車充電機(jī)（站）諧波問題的研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2008．

［3］ 王建.電動汽車充電對電網(wǎng)的影響及有序充電研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2013．

［4］ 張謙，韓維健，俞集輝，等.電動汽車充電站仿真模型及其對電網(wǎng)諧波影響［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：159-164．

［5］ 黃梅，黃少芳.電動汽車充電機(jī)諧波的工程計(jì)算方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（20）:20-23.

［6］ GB/T 14549—1993，電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］．

［7］ 胡虔生，胡敏強(qiáng).電機(jī)學(xué)［M］.第二版.北京：中國電力出版社，2009．

Study on the impact of electric vehicle DC chargers on power grid harmonics

GUAN Yong?gao,NIU Tao,NI Pan?pan

（Jiangsu Power Design Institute CO.,Ltd.China Energy Engineering Group,Nanjing 211102,China）

介紹國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對于電網(wǎng)諧波的要求和計(jì)算方法，對電網(wǎng)諧波的影響因素進(jìn)行說明。結(jié)合某廠家生產(chǎn)的電動汽車直流充電樁諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)，對直流充電樁接入電網(wǎng)后產(chǎn)生的諧波進(jìn)行了分析。針對不同的公共連接點(diǎn)最小短路容量和供電容量，研究了允許接入電網(wǎng)的最大直流充電樁數(shù)量，為電動汽車充電樁規(guī)模的合理配置提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

電動汽車；直流充電樁；諧波；供電容量；最小短路容量；協(xié)議容量

To study the impact of electric vehicle DC chargers on the power grid harmonics,the influence factors of grid harmonics are discussed,according to the national standard.With the observed data of a specific DC charger,the harmonic current is analyzed when the DC chargers were integrated into the power grid.The maxi?mum number of DC chargers is studied,taking the different mini?mum short circuit capacity and power supply capacity of points of common coupling into account.This work provides theoretical basis for the configuration of electric vehicle DC chargers.

electric vehicle;DC charger;harmonic;power supply capacity;minimum short circuit capacity;protocol capacity

TM712.3

B

1009-1831（2017）03-0010-05

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.003

2016-11-07；

2017-01-06