多接入電動汽車充電樁對電網(wǎng)諧波的影響研究

劉志凱，鄭文悅，李海弘，劉 華

（1.浙江華電器材檢測研究所有限公司，杭州 310015；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，成都 610213）

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，分布式電源和電動汽車在全球范圍內(nèi)發(fā)展很快，越來越受到人們的重視[1]。電動汽車一改傳統(tǒng)驅(qū)動方式，使用電力進(jìn)行驅(qū)動，能夠減少溫室氣體的排放，改善環(huán)境，但電動汽車充電時(shí)采用逆變器作為并網(wǎng)及直交變換的接口，當(dāng)輸出的諧波含量過高時(shí)將會影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。而多臺電動汽車充電樁同時(shí)工作時(shí)，其產(chǎn)生的諧波之間的交互影響以及對電網(wǎng)安全的影響將更為復(fù)雜[3-4]。

近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對電動汽車充電樁進(jìn)行了建模并分析其產(chǎn)生的諧波問題。文獻(xiàn)[5]對多種充電站進(jìn)行了諧波的測試，分析了電動汽車充電樁并網(wǎng)對系統(tǒng)的諧波影響。文獻(xiàn)[6]建立了電動汽車充電樁MATLAB 仿真模型，并對電動汽車充電樁并入電網(wǎng)的諧波進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]建立了充電站的仿真模型，重點(diǎn)研究了電動汽車充電樁并網(wǎng)產(chǎn)生諧波隨電動汽車充電功率的變化規(guī)律及其隨充電機(jī)臺數(shù)增加的變化規(guī)律。以上研究均未涉及背景諧波的存在對電動汽車充電樁產(chǎn)生諧波的影響。背景諧波的存在可能致使充電機(jī)產(chǎn)生的各次諧波幅值發(fā)生變化。

本文結(jié)合配電網(wǎng)背景諧波的特點(diǎn)以及不同臺數(shù)充電站的諧波相互影響特性，分析電動汽車充電樁對配電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響。在此基礎(chǔ)上，利用PSCAD 軟件仿真平臺建立電動汽車充電樁的仿真模型以及簡易的配電網(wǎng)模型，并將電動汽車接入配電網(wǎng)用于定量分析電動汽車充電樁之間、電動汽車充電樁與配電網(wǎng)之間的諧波交互影響關(guān)系，從而為電動汽車充電站的運(yùn)行管理和規(guī)劃設(shè)計(jì)提供輔助決策支持[8]。

1 電動汽車充電樁模型分析

1.1 充電機(jī)等效模型

電動汽車充電樁主要由逆變器模塊、DC/DC功率變換器模塊、濾波模塊組成。接受來自配電網(wǎng)的交流電，經(jīng)一系列環(huán)節(jié)后為電動汽車提供電能[9-11]。目前市面上有兩類電動汽車充電樁：交流充電樁和直流充電樁。因交流充電樁本身并不具備充電功能，只是單純提供電力輸出，還需要連接電動汽車車載充電機(jī)，方可為電動汽車電池充電。且電動汽車車載充電機(jī)的功率一般都比較小[12]，所以交流充電樁無法實(shí)現(xiàn)快速充電（大電流、短時(shí)間）。而直流充電樁可直接為電動汽車的電池充電，一般采用三相四線制或三相三線制供電，輸出的電壓和電流可調(diào)范圍大[13]，因此可以實(shí)現(xiàn)電動汽車快速充電。由于慢速充電模式（小電流、長時(shí)間）給電動汽車使用造成了較大的不便利，本文選擇直流充電樁進(jìn)行模型的建立。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電動汽車充電樁結(jié)構(gòu)

為了便于仿真，可將圖1 中功率變換器部分進(jìn)行等效，等效結(jié)果如圖2 所示，其中voa，vob，voc為逆變器端口三相電壓；ifa，ifb，ifc為三相交流電流；Udc為直流母線電壓。電動汽車最常用的充電方法為恒流限壓/恒壓限流，在一定的工頻周期內(nèi)，都可以認(rèn)為充電機(jī)的輸出電流和輸出電壓是恒定的直流，即圖1 中Io，Uo均為常數(shù)[7]。由文獻(xiàn)[8]在低頻范圍內(nèi)，可以用一個(gè)非線性電阻Rc來近似模擬高頻功率變換環(huán)節(jié)的等效輸入電阻：

式中：Udc，Idc分別為DC/DC 功率變換電路輸入電壓和電流；Uo，Io分別為DC/DC 功率變換電路輸出電壓和電流；Po為DC/DC 功率變換電路輸出功率；η 為DC/DC 功率變換電路效率。

圖2 電動汽車充電樁仿真模型

1.2 非線性電阻建模

如式（1）所示，非線性電阻Rc在整個(gè)充電周期內(nèi)是變化的，根據(jù)蓄電池充電過程記錄數(shù)據(jù)，用曲線擬合充電機(jī)輸出功率的曲線[8-9，14]：

式中：P0max為最大輸出功率。

輸出功率曲線如圖3 所示，該結(jié)果與文獻(xiàn)基本相符[9，14-15]。利用PSCAD 軟件中的元件庫，根據(jù)式（1）和式（2）搭建Rc和P0的模型，如圖4 所示。其中，假設(shè)單臺充電機(jī)的最大功率為0.009 MW，效率η 為0.9。

1.3 控制電路建模

“PWM 整流＋高頻DC/DC 變換器”型充電機(jī)是目前市場上的新興產(chǎn)品，采用先進(jìn)的電力電子器件以及更加優(yōu)化合理的控制策略，具有功率因數(shù)高、變換效率高、諧波畸變小等優(yōu)勢，使用時(shí)無須增加濾波裝置，對電網(wǎng)電能質(zhì)量基本不產(chǎn)生不良影響[16-17]。本文選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI 的控制策略來生成PWM 控制信號?？刂瓶驁D如圖5所示。根據(jù)文獻(xiàn)[18]可得：

式中：LΣ為濾波器的等效電感；ifd，ifq分別為ifa，ifb，ifc經(jīng)過派克變換后的d 軸和q 軸分量；vd，vq分別為voa，vob，voc經(jīng)過派克變換后的d 軸和q 軸分量；v1d，v1q分別為va，vb，vc經(jīng)過派克變換后的d 軸和q 軸分量。

圖3 電動汽車充電功率變化曲線

圖4 非線性電阻控制框圖

圖5 dq 坐標(biāo)系下PWM 整流器的控制框圖

對三相瞬時(shí)值電流ifa，ifb，ifc與三相瞬時(shí)值電壓voa，vob，voc進(jìn)行派克變換后，得到dq軸分量ifd，ifq和vd，vq。將直流電壓Udc與所給定的參考信號進(jìn)行比較，并對誤差進(jìn)行PI 控制，得到內(nèi)環(huán)控制器的參考信號。當(dāng)直流輸入電壓與參考值不等時(shí)，誤差信號不為零，從而PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行無誤差跟蹤調(diào)節(jié)，直至誤差信號為零。

在內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)中，三相瞬時(shí)值電流ifa，ifb，ifc經(jīng)過派克變換后變成dq 分量，與外環(huán)控制器輸出的參考信號進(jìn)行比較，并對誤差進(jìn)行PI 控制，并根據(jù)式（3）進(jìn)行電壓前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償。

2 電動汽車公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量分析

2.1 仿真模型

為驗(yàn)證所提結(jié)論的正確性，本文搭建了接入多電動汽車充電樁以及其他分布式電源的配電網(wǎng)仿真模型。同時(shí)，為了更準(zhǔn)確地反映實(shí)際工況，模型除了光伏發(fā)電系統(tǒng)之外還加入了其他分布式電源，整體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。由于分布式電源一般都采用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電能變換并接入電網(wǎng)，其中最常見的就是三相電壓型SPWM（正弦脈寬調(diào)制）逆變器。故對除了光伏發(fā)電系統(tǒng)之外的分布式電源，均使用三相電壓型SPWM 逆變器進(jìn)行簡單等效。圖6 中共有4 個(gè)電動汽車充電樁接入點(diǎn)。并網(wǎng)點(diǎn)和接入點(diǎn)如圖6 所示，主要參數(shù)如表1 所示。

圖6 仿真結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

表1 仿真模型參數(shù)

2.2 多電動汽車充電樁接入系統(tǒng)的諧波影響

為探究電動汽車充電樁對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波影響隨電動汽車臺數(shù)增長的變化情況，本文分別仿真電動汽車充電樁接入配電網(wǎng)臺數(shù)為1，2，3，4臺時(shí)接入點(diǎn)和并網(wǎng)點(diǎn)處的諧波情況。仿真結(jié)果如圖7—8 所示。其中不同顏色代表不同接入臺數(shù)，接入電動汽車充電樁型號相同。

圖7 不同臺數(shù)電動汽車充電樁接入下并網(wǎng)點(diǎn)處諧波電流仿真結(jié)果

圖8 不同臺數(shù)電動汽車充電樁接入下接入點(diǎn)處諧波電流仿真結(jié)果

由圖7 可見，隨著電動汽車充電樁接入臺數(shù)的增加，單臺電動汽車充電樁（并網(wǎng)點(diǎn)）輸出的諧波電流幅值呈現(xiàn)減小的趨勢。造成該現(xiàn)象的原因是：諧波的疊加是矢量的疊加，疊加結(jié)果受相位影響。

由圖8 可見，隨著電動汽車充電樁接入臺數(shù)的增加，匯集母線（接入點(diǎn)）上的諧波電流幅值呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。造成該現(xiàn)象的原因是：當(dāng)電動汽車充電樁接入配電網(wǎng)之后，發(fā)射的諧波電流受接入點(diǎn)與系統(tǒng)之間阻抗的影響很大，由于接入點(diǎn)到系統(tǒng)的阻抗遠(yuǎn)小于接入點(diǎn)之間的阻抗，所以電動汽車充電樁工作產(chǎn)生的諧波電流大多流向系統(tǒng)。除此之外，還可發(fā)現(xiàn)1 臺充電機(jī)投入系統(tǒng)產(chǎn)生的5 次諧波電流大小為0.441 A，4 臺充電機(jī)投入相同系統(tǒng)產(chǎn)生的5 次諧波電流大小為0.938 A。由上述數(shù)據(jù)可知，4 臺電動汽車充電樁產(chǎn)生的諧波電流并不是1 臺電動汽車充電樁的4 倍，而是2.1 倍。這是因?yàn)榻尤胂到y(tǒng)的電動汽車充電樁之間存在諧波相互抵消的作用，導(dǎo)致諧波并不隨著設(shè)備數(shù)的增長而成倍增長。

2.3 考慮系統(tǒng)背景諧波對多充電樁接入的影響

圖9 給出了2 臺電動汽車充電樁接入時(shí)，有無背景諧波情況下單臺電動汽車充電樁輸出（并網(wǎng)點(diǎn)）諧波電流仿真對比結(jié)果。假定電網(wǎng)背景諧波電壓僅含有基波和低頻諧波（3，5，7 次），各次諧波電壓幅值分別為327 V，150 V，100 V，50 V，相位均為0?？梢?，在考慮背景諧波的情況下，單臺電動汽車充電樁諧波發(fā)射水平比不考慮背景諧波時(shí)要高。由文獻(xiàn)[19]可得：由電網(wǎng)背景諧波電壓所產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)變流器諧波電流，其頻率與電網(wǎng)背景諧波電壓的頻率相同，其幅值正比于電網(wǎng)背景諧波電壓的幅值，本文結(jié)合電動汽車的控制策略以及模型進(jìn)行推導(dǎo)，同理可得上述結(jié)論，即電動汽車充電樁額外產(chǎn)生的諧波電流頻率與背景諧波電壓相同，幅值與背景諧波電壓幅值成正比。除此之外，文獻(xiàn)[20]也指出：采用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制策略會使得在背景諧波電壓存在的情況下，逆變器的輸出電流無法準(zhǔn)確跟蹤參考電流。因此背景諧波電壓的存在會對電動汽車充電樁輸出的諧波電流產(chǎn)生明顯影響。

2.4 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

圖9 考慮背景諧波時(shí)電動汽車充電樁諧波電流輸出特性

出于安全考慮，未對電動汽車充電樁出口側(cè)進(jìn)行測量，僅對匯集母線處進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證[21-27]。為驗(yàn)證本文所提仿真模型的正確性，對廈門某電動汽車充電站的4 臺型號相同的電動汽車充電樁進(jìn)行為期一天的諧波連續(xù)測試。主要參數(shù)如表2 所示。本次實(shí)測所用數(shù)據(jù)采集裝置采樣頻率為409.6 kHz，可用來測試諧波電壓或電流。測試結(jié)果如圖10 所示。選取3 組不同工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（均為A 相數(shù)據(jù)）。由于文章篇幅有限且為清晰列出諧波變化情況，選取較為明顯的諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不展示諧波所有頻率范圍內(nèi)的實(shí)測圖。

表2 電動汽車充電樁主要參數(shù)

圖10 不同臺數(shù)充電樁接入?yún)R集母線下諧波電流結(jié)果

實(shí)測圖10 可看出，隨著電動汽車充電樁接入配電網(wǎng)的數(shù)量增多，匯集母線上諧波電流呈現(xiàn)不同程度的增大。除此之外，由上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，4 臺電動汽車充電樁產(chǎn)生的諧波電壓并不是1 臺電動汽車充電樁4 倍而是略低于4 倍，即匯集母線處諧波電壓的增長小于直接疊加的結(jié)果，這是因?yàn)榻尤胂到y(tǒng)的電動汽車充電樁之間存在諧波相互抵消的作用，導(dǎo)致諧波并不隨著設(shè)備數(shù)的增加而成倍增長。

3 結(jié)論

本文通過仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，對多接入點(diǎn)電動汽車充電樁與配電網(wǎng)電能質(zhì)量的交互影響進(jìn)行了分析。主要得到以下結(jié)論：

（1）電動汽車充電樁產(chǎn)生的諧波大多數(shù)都往系統(tǒng)側(cè)流動，而幾乎不往負(fù)荷處流動；設(shè)備間流動的諧波電流幅值會隨著并聯(lián)設(shè)備數(shù)量的增加而減小。

（2）配電網(wǎng)存在背景諧波的情況下將使得電動汽車充電樁產(chǎn)生的諧波發(fā)生更嚴(yán)重的畸變，應(yīng)予以密切關(guān)注。

（3）該模型可以為電動汽車充電站及配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)電動汽車充電樁并網(wǎng)位置、負(fù)荷位置以及超高次諧波治理問題提供理論依據(jù)。