電動(dòng)汽車充換電站技術(shù)研究及諧波治理

摘要：為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染形勢(shì)，我國(guó)近年來(lái)大力推行電動(dòng)汽車出行及充換電站建設(shè)?，F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車及其充換電站技術(shù)進(jìn)行探討和研究，提出了充換電站接入電網(wǎng)后帶來(lái)的諧波污染問(wèn)題，并對(duì)解決方案進(jìn)行闡述、比較和探索。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;充換電站系統(tǒng);諧波治理

0 ? ?引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，化石能源因其不可再生性及污染問(wèn)題受到越來(lái)越多的爭(zhēng)議，每年消耗大量化石能源的燃油汽車也急需替代品。在此背景下，水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源及“以電代油”的電動(dòng)汽車在世界各地被全力推廣，取得了飛速的發(fā)展。在電動(dòng)汽車使用過(guò)程中，如何建立完備可靠的充換電配套設(shè)施，是電動(dòng)汽車形成規(guī)?；闹匾A(chǔ)。隨著電動(dòng)汽車數(shù)量規(guī)模逐年增加，將對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)造成巨大的電能質(zhì)量沖擊。因此，對(duì)電動(dòng)汽車充換電站接入電網(wǎng)的諧波治理進(jìn)行研究和提前布局顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外已對(duì)電動(dòng)汽車的充換電站開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[4]基于政府“換電為主、插充為輔、集中充電、統(tǒng)一配送”的政策指向，研究了充電站的電能質(zhì)量問(wèn)題，提出了一種更為科學(xué)的充電站控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)某地區(qū)充電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取研究，研發(fā)了一個(gè)充電站電能質(zhì)量的MATLAB模型，在此仿真模型上建立模擬量和運(yùn)算，了解大型充電站三相不平衡電流引起的電能損耗問(wèn)題和無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題。

1 ? ?我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車及充換電站技術(shù)的背景

據(jù)中國(guó)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.6億輛，其中汽車2.7億輛，汽車保有量的增長(zhǎng)速度極其驚人。與之對(duì)應(yīng)的，是我國(guó)逐年飛增的原油進(jìn)口量，數(shù)據(jù)如圖1所示。發(fā)展新能源領(lǐng)域的電動(dòng)汽車，可以緩解我國(guó)石油資源緊缺的局面，減輕能源安全的壓力，穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有重大的戰(zhàn)略意義。

我國(guó)目前面臨的環(huán)境污染問(wèn)題同樣嚴(yán)峻。汽車尾氣的排放產(chǎn)生的多環(huán)芳烴，是大氣中的主要污染物之一。電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車，可以緩解溫室效應(yīng)、優(yōu)化空氣質(zhì)量，做到節(jié)能減排、環(huán)保出行。

電動(dòng)汽車還為我國(guó)復(fù)雜的電能現(xiàn)狀提供了新的優(yōu)化途徑。在電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，為保證供配電的可靠性，一般是按需求的最大負(fù)荷來(lái)進(jìn)行供電。這導(dǎo)致在大部分用電波谷時(shí)，電網(wǎng)線路中的電能不能得到很好的利用。電動(dòng)汽車作為一項(xiàng)新增的大負(fù)荷用電設(shè)備，接入電網(wǎng)后，若能與現(xiàn)有電網(wǎng)用電負(fù)荷形成互補(bǔ)，將極大地提高電網(wǎng)的效率。如將大型充換電站接入城市智能電網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行全網(wǎng)用電負(fù)荷的智能監(jiān)測(cè)和主動(dòng)調(diào)配，讓充換電站大負(fù)荷主動(dòng)避開(kāi)其他必要負(fù)荷高峰，集中在用電波谷時(shí)段對(duì)站內(nèi)電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電。目前，各類清潔能源（如風(fēng)電、水電等）普遍具有供能不穩(wěn)定、受環(huán)境影響因素較大的問(wèn)題，不適合作為供電可靠性要求較高的居民用電，但接入智能電網(wǎng)中的充換電站可以很好地利用這些能源。在這類清潔能源發(fā)電站附近設(shè)置大型充電站、換電站，根據(jù)發(fā)電站發(fā)電情況智能調(diào)配充電樁可用數(shù)量，可以做到合理利用清潔能源。

2 ? ?電動(dòng)汽車充換電站技術(shù)分析

電動(dòng)汽車根據(jù)儲(chǔ)能電池組的技術(shù)區(qū)別，其能源供給方式主要分為充電型和換電型。充電型分為交流充電樁和直流充電樁。交流充電樁主要設(shè)置在住宅、商業(yè)車庫(kù)中，充電功率一般小于7 kW，充電時(shí)間為6～8 h;直流充電樁一般設(shè)置在大型充電站中，充電功率較大，為50～170 kW，充電時(shí)間為2～4 h。換電型主要為單獨(dú)建設(shè)的換電站，由于其將儲(chǔ)能電池的充電過(guò)程獨(dú)立在充能機(jī)上進(jìn)行，汽車只需要完成更換電池的操作，可以使整個(gè)儲(chǔ)能時(shí)間控制在5 min以內(nèi)。

圖2所示為某大型充電站電氣結(jié)構(gòu)示意圖。

此充電站由兩路市電進(jìn)線引來(lái)，通過(guò)聯(lián)絡(luò)柜中的母聯(lián)開(kāi)關(guān)將兩路進(jìn)線對(duì)應(yīng)變壓器的一次側(cè)10 kV母線及變壓器二次側(cè)400 V母線聯(lián)絡(luò)，具有較高的供電可靠性和故障檢測(cè)能力。對(duì)于大型充電站存在的大負(fù)荷集中充電情況，利用靜止無(wú)功發(fā)生器STATCOM補(bǔ)償電網(wǎng)中消耗的無(wú)功功率，改善電能質(zhì)量，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖3所示為某換電站平面布置圖。

車輛進(jìn)入換電站內(nèi)后，先經(jīng)過(guò)預(yù)檢區(qū)，此處設(shè)置的監(jiān)控室可以進(jìn)行人工預(yù)檢，墻上安裝的攝像頭、紅外設(shè)備可以進(jìn)行智能預(yù)檢。經(jīng)檢測(cè)符合換電條件的情況下，車輛接入換電?？繀^(qū)，由機(jī)器人行道上的換電機(jī)器人將汽車內(nèi)部的虧電電池取下，再將滿電電池架上的滿電電池裝入車輛，車輛隨后即可發(fā)動(dòng)駛離換電站，完成換電操作，整個(gè)過(guò)程不超過(guò)5 min。堆垛機(jī)會(huì)將換下的虧電電池堆放在電池充電機(jī)的充電座上，換電站通過(guò)監(jiān)控室內(nèi)的中央控制器智能控制電池充電機(jī)的充電調(diào)度，以滿足智能電網(wǎng)的調(diào)配邏輯和換電高峰的電池儲(chǔ)備。

3 ? ?充換電站諧波解決方案

電動(dòng)汽車充換電站中的充電樁、充能機(jī)是一種非線性設(shè)備，成片設(shè)置后會(huì)產(chǎn)生大量諧波，如不加以處理，將對(duì)用電計(jì)量表、變壓器、配電電纜、無(wú)功電容補(bǔ)償器等電力設(shè)備造成不良影響，對(duì)電網(wǎng)中的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。大型住宅及商業(yè)綜合體的充電樁供配電系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)置專屬變壓器進(jìn)行諧波處理及無(wú)功補(bǔ)償后接入電網(wǎng);大型充換電站不宜直接接入380 V公共母線系統(tǒng)。本文就抑制接入電網(wǎng)的諧波電流提出以下兩種解決方案：

3.1 ? ?多脈動(dòng)整流技術(shù)

消除諧波的影響，最根本的辦法是從源頭上避免諧波的產(chǎn)生。多脈動(dòng)整流是一種在諧波源上進(jìn)行諧波治理的技術(shù)，主要包括PWM整流技術(shù)、有源無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)和多相整流技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)。圖4所示為多項(xiàng)整流技術(shù)中一種12脈動(dòng)橋式整流電路結(jié)構(gòu)圖。

圖4中兩個(gè)6脈動(dòng)整流橋并聯(lián)在三繞組變壓器上，三繞組變壓器中的兩個(gè)變壓器二次側(cè)分別為星型連接和三角形連接。其中，Yy0連接的變壓器電壓、電流波形一次側(cè)、二次側(cè)保持不變，Yd11連接的變壓器二次側(cè)線電流的基波和正序諧波分量超前一次側(cè)π/6，二次側(cè)線電流的負(fù)序諧波分量落后一次側(cè)π/6，從而得到了一個(gè)12脈動(dòng)整流電路。可求出變壓器一次側(cè)的總電流如式（1）所示：

ia=ia1+ia2

=Idsin ωt+

sin 11ωt+

sin 13ωt+… ?（1）

式中的5、7、17、19次諧波可以被抵消，只留下12k±1次的諧波分量，成功消除了大部分諧波，提高了電能質(zhì)量。

3.2 ? ?濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是指通過(guò)安裝在電氣裝置中的有源、無(wú)源濾波器來(lái)消除電網(wǎng)中的諧波。無(wú)源濾波器主要包括單挑諧濾波器、高通濾波器等。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)、性價(jià)比高，但濾波的可靠性較低，不能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的用電環(huán)境。相較而言，有源濾波器可以動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功功率，具有高可控性和快速響應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，更適合電動(dòng)汽車充換電站的復(fù)雜負(fù)荷環(huán)境。

圖5所示為APF有源濾波器內(nèi)部原理圖及接入充電站結(jié)構(gòu)圖。

圖5中，在電動(dòng)機(jī)充電樁的充電回路上并聯(lián)APF有源電力濾波器。如圖所示，APF有源濾波器的工作原理是：CT電流互感器將充電樁配電回路中的諧波電流析出，通過(guò)指令電流計(jì)算模塊檢測(cè)出其中的諧波電流分量，電流跟蹤調(diào)制模塊計(jì)算出消除諧波電流分量所需的相應(yīng)反方向電流分量，并將該信息傳遞給控制驅(qū)動(dòng)電流模塊，驅(qū)動(dòng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，抵消充電樁產(chǎn)生的諧波電流，完成整個(gè)濾波過(guò)程。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文探討了我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車和配套充電設(shè)施的背景及意義;對(duì)充電站和換電站的整體框架及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究，分析了充電站接入電網(wǎng)的系統(tǒng)及換電站設(shè)計(jì)內(nèi)容;最后，提出了充換電站接入電網(wǎng)后將產(chǎn)生諧波污染、影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析后提供了兩種諧波治理的辦法。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳恩.某商業(yè)綜合體地下車庫(kù)電動(dòng)汽車充電樁的電氣設(shè)計(jì)[J].江西建材，2017（4）：215-216.

[2] 20 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50053—2013[S].

[3] 電動(dòng)汽車充電站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50966—2014[S].

[4] 王夢(mèng)蔚，晏陽(yáng).主動(dòng)配電網(wǎng)中電動(dòng)汽車充電站智能管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2017（7）：62-66.

[5] 閆婧.電動(dòng)汽車充電站的無(wú)功補(bǔ)償控制策略研究[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2017，36（2）：91-94.

[6] 蘇大智.電動(dòng)汽車充電站諧波問(wèn)題研究[J].數(shù)碼世界，2020（6）：158.

收稿日期：2020-07-23

作者簡(jiǎn)介：張方怡（1992—），男，江西撫州人，助理工程師，主要從事工業(yè)與民用建筑電氣設(shè)計(jì)工作。