周敏+++雷晶晶+++袁語(yǔ)

摘 要：環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，使得電動(dòng)汽車(chē)成為新能源交通領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。電動(dòng)汽車(chē)事業(yè)發(fā)展必須以完備、大規(guī)模的電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施為基礎(chǔ)。而電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)屬于新型大功率、高度非線性的用電設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生諧波，將對(duì)電能質(zhì)量造成污染，導(dǎo)致電能計(jì)量誤差。電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性關(guān)系到電力公司、用戶和充電運(yùn)營(yíng)商的利益，因此電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電能計(jì)量的影響研究具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：充電機(jī)；諧波；電能表；電壓互感器；電流互感器；計(jì)量誤差

1 概述

隨著一次能源的枯竭和環(huán)境污染的日益加劇，進(jìn)行能源革命勢(shì)在必行。能源革命的實(shí)質(zhì)是清潔能源逐步替代化石能源[1]，最終淘汰化石能源，而電動(dòng)汽車(chē)可以很好的實(shí)現(xiàn)電能替代，因此在交通領(lǐng)域大力推廣使用電動(dòng)汽車(chē)是能源革命的一項(xiàng)重要舉措。電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量的激增能夠使清潔能源轉(zhuǎn)化來(lái)的電能得到有效利用，有助于解決環(huán)境問(wèn)題。但同時(shí)，充電機(jī)作為一種新型大功率、高度非線性的用電設(shè)備，接在城市電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)之間會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電能計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量準(zhǔn)確性，而電能計(jì)量問(wèn)題關(guān)乎電力公司、用戶和充電運(yùn)營(yíng)商利益，所以研究電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)的影響具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

作為一個(gè)諧波功率源，電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)及電網(wǎng)計(jì)量的影響備受關(guān)注。文獻(xiàn)[2]通過(guò)設(shè)計(jì)充電機(jī)仿真模型研究了三種不同類型充電機(jī)的諧波電流大小，結(jié)果表明不同類型的充電機(jī)對(duì)諧波的抑制作用各不相同，充電機(jī)投入的同時(shí)性對(duì)諧波電流也有影響，但沒(méi)有研究諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的影響。文獻(xiàn)[3]為能夠有效的解決電能計(jì)量的檢定及溯源等問(wèn)題研究了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充電站電能準(zhǔn)確計(jì)量的方法及裝置，研究成果具有良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，但沒(méi)有考慮互感器等的測(cè)量誤差。文獻(xiàn)[4]首先對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)進(jìn)行分類，分析了各類充電機(jī)產(chǎn)生的諧波特征，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中充電站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)充電站的配電變壓器安裝點(diǎn)、容量、充電站的監(jiān)測(cè)管理，諧波抑制等提出一些具體的建議。文獻(xiàn)[5]研究了影響電能表計(jì)量的因素，并在Matlab/Simulink環(huán)境下建立不同種類充電機(jī)的完整模型，對(duì)不同種類充電機(jī)在不同情況下對(duì)計(jì)量合理性和準(zhǔn)確性影響進(jìn)行分析。

針對(duì)電能計(jì)量，相關(guān)研究注重于諧波畸變下電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性和計(jì)量方式的改進(jìn)，往往忽略了電能計(jì)量裝置中與電能表配合使用的互感器所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[6]在仿真諧振型和速飽和型兩種類型的CVT的頻率特性曲線基礎(chǔ)上，通過(guò)電能質(zhì)量擾動(dòng)裝置，分析了CVT的諧波測(cè)量誤差。文獻(xiàn)[7]對(duì)在直流分量和諧波條件下電流互感器的傳變特性做了系統(tǒng)和全面的分析，但因電壓畸變率較小，在分析諧波電能計(jì)量的過(guò)程中沒(méi)有考慮電壓互感器在非正弦下的傳變特性所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[8]建立了考慮線路阻抗及配電變壓器在內(nèi)的完整充電機(jī)模型，分析了電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)對(duì)電能計(jì)量的影響，重點(diǎn)研究了充電機(jī)恒流大功率充電、脈沖充電對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響?？紤]了合理配置充電機(jī)充電功率，線路阻抗，諧波抑制裝置等確保計(jì)量的合理性，但未考慮對(duì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[9]提出了一種對(duì)普遍的電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)配電系統(tǒng)諧波電壓水平的影響的統(tǒng)計(jì)方法，該方法使用非線性負(fù)載電流的統(tǒng)計(jì)模型，以產(chǎn)生特定的諧波電壓水平的概率。通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)集中產(chǎn)生的諧波電流的統(tǒng)計(jì)模型的不確定性和不斷變化的充電器開(kāi)始時(shí)間和初始電池狀態(tài)的充電介紹了諧波的消除。

電力系統(tǒng)的電能計(jì)量裝置是由電壓互感器、電流互感器、電能表和計(jì)量的二次回路組成，每個(gè)組成單元雖在基波條件下的誤差能滿足其設(shè)計(jì)要求，但在諧波情況下，各部分的工作狀態(tài)將發(fā)生變化，導(dǎo)致計(jì)量誤差增加，從而使電能計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量誤差遞增。本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的影響進(jìn)行了理論分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了電動(dòng)汽車(chē)充電模型、計(jì)量裝置仿真模型，以固定負(fù)載下的充電諧波對(duì)計(jì)量合理性和準(zhǔn)確性影響進(jìn)行分析。

2 電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的諧波特性分析

采用了現(xiàn)代電力電子器件的電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)是高度非線性的用電設(shè)備，接入電網(wǎng)后會(huì)產(chǎn)生一定諧波污染，對(duì)電能計(jì)量造成影響[10-13]。

目前，主要使用和研究的電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，三相橋式不控整流電路對(duì)三相電進(jìn)行整流，濾波后為高頻DC-DC功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經(jīng)過(guò)輸出濾波電路后，為動(dòng)力蓄電池充電。

圖1中的高頻功率變換器建模比較復(fù)雜，且計(jì)算量大，不利于觀察整個(gè)充電過(guò)程電流的變化情況，因此設(shè)想將其近似等效。相對(duì)于工頻周期（0.02s）來(lái)說(shuō)，動(dòng)力蓄電池充電過(guò)程所需時(shí)間很長(zhǎng)（4-6h），則在一個(gè)至幾個(gè)工頻周期內(nèi)，都可以認(rèn)為充電機(jī)的輸出電流I0和輸出電壓U0是恒定的直流，即高頻功率變換電路工作于恒功率狀態(tài)，當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，輸入電流必須相應(yīng)的降低，可以用一個(gè)非線性電阻RC來(lái)近似模擬高頻功率變換電路的等效輸入阻抗，非線性電阻RC可近似表示為：

從式（2-15）可以看出，交流側(cè)諧波次數(shù)主要為6k±1次的諧波。則以二極管三相橋式整流電路作為高頻充電機(jī)的前級(jí)輸入，交流側(cè)輸入電流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次諧波組成。

3 電動(dòng)汽車(chē)充電諧波對(duì)電能計(jì)量影響的仿真分析

電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)接入電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生6k±1次諧波，將對(duì)充電站的計(jì)量系統(tǒng)造成一定的影響。為了得出這個(gè)影響量值，本文利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)該影響進(jìn)行仿真研究。利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，首先要在PSCAD圖形界面上選取元件庫(kù)中的適當(dāng)元件模塊搭建系統(tǒng)模型，并對(duì)照實(shí)際物理系統(tǒng)設(shè)置模型元件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)。在需要觀測(cè)變量處添加電表和輸出觀測(cè)點(diǎn)，以便于進(jìn)行仿真結(jié)果的查看、分析。檢查無(wú)誤并設(shè)置好仿真步長(zhǎng)、時(shí)間等參數(shù)后即可執(zhí)行仿真分析。執(zhí)行仿真時(shí)，PSCAD首先調(diào)用軟件自帶的編譯器將PSCAD中的模型電路編譯為主FORTRAN程序，此時(shí)可視化的模型元件轉(zhuǎn)換為ENI TDC的子函數(shù)，并根據(jù)電路連接關(guān)系自動(dòng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號(hào)和參數(shù)傳遞，然后利用設(shè)定的FORTRAN編譯器通過(guò)調(diào)用ENITDC引擎庫(kù)文件生成最終的執(zhí)行文件。在仿真進(jìn)行過(guò)程中，用戶可以通過(guò)輸入輸出元件庫(kù)的控制元件自由調(diào)整參數(shù)值，以便觀察系統(tǒng)某些動(dòng)態(tài)情況下的響應(yīng)特性。

3.1 電能計(jì)量裝置仿真模型搭建

電能計(jì)量裝置包括各種類型的電能表、計(jì)量用電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）及其二次回路，電能計(jì)量柜（箱）等。我們對(duì)其進(jìn)行了仿真模型搭建。

3.1.1 電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)電能計(jì)量裝置的接線形式

依據(jù)管理規(guī)程，對(duì)于接入非中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的電能計(jì)量裝置，應(yīng)采用三相四線接法的有功、無(wú)功電能表；對(duì)于計(jì)量用電壓互感器，接入非中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的三臺(tái)電壓互感器，宜采用Y0/y0接線方式，互感器一次側(cè)的接地方式與系統(tǒng)的接地方式相同。牽引供電系統(tǒng)一般接入110kV或者220kV高壓系統(tǒng)，而我國(guó)的110kV及以上電壓等級(jí)的都是中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，因此電動(dòng)汽車(chē)充電系計(jì)量裝置宜采用三相四線接法的有功、無(wú)功電能表，計(jì)量用電壓互感器接法應(yīng)采用Y0/y0接線方式，電壓互感器一次側(cè)與系統(tǒng)接地方式一致，即直接接地。計(jì)量裝置的具體接線形式如圖3所示。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)電能計(jì)量裝置作為I類電能計(jì)量裝置來(lái)管理，其電壓互感器、電流互感器、有功電能表、無(wú)功電能表的精確度等級(jí)應(yīng)分別不低于0.2、0.2s、0.5s、2.0級(jí)。

3.1.2 電能表模型搭建

為分析充電諧波對(duì)時(shí)分割乘法器（TDM）計(jì)量誤差的影響，根據(jù)TDM工作原理，在PSCAD環(huán)境中建立如圖4所示的三角波電壓比較型TDM的仿真模型，通過(guò)仿真來(lái)分析TDM的諧波測(cè)量誤差。具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

為了驗(yàn)證電子式電能表模型正確性，電能表仿真模型中，輸入有效值為1kV和1kA的基波電壓和電流信號(hào)（工頻50Hz），調(diào)制信號(hào)M幅值為2.8kV，頻率為10kHz的三角波。輸入信號(hào)理論有功功率為1W，仿真模型各部分的輸出波形如圖5所示。

圖5（f）顯示電能表輸出功率為1W，與理論值相符，可以驗(yàn)證電能表仿真模型的正確性。

3.1.3 電流互感器模型搭建

PSCAD中的CT模塊采用非線性時(shí)域等效電路模型，綜合考慮飽和、渦流和磁滯對(duì)CT的影響，該模型用幾個(gè)電路元件分別模擬造成CT非線性的因素。與實(shí)際情況比較接近PSCAD中的CT模塊如圖6，具體電路模型如圖7所示。

3.1.4 電壓互感器（PT）模型搭建

PSCAD元件庫(kù)中提供的CVT模塊及其具體模型如圖8，計(jì)量誤差仿真模型如圖9圖，該模型對(duì)中、高壓電容器，補(bǔ)償電抗器，中間變壓器，二次負(fù)載及阻尼器進(jìn)行了全面考慮。

CVT模型設(shè)置參數(shù)如表3所示。

3.2 電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)模型搭建

3.3 仿真分析

3.3.1 電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)諧波影響的仿真分析

本文建立的充電機(jī)模型包含配電變壓器以及10kV配電線路，而根據(jù)充電站電能計(jì)量裝置安裝方式，單臺(tái)充電機(jī)交流側(cè)電表表位于配電變壓器的低壓側(cè)，關(guān)口電能表安裝于變壓器的高壓側(cè)。本文的研究中，針對(duì)特定功率負(fù)載下單臺(tái)充電機(jī)的充電諧波對(duì)電網(wǎng)電壓波形的影響進(jìn)行研究。

測(cè)量圖11中a點(diǎn)電壓波形，并對(duì)其進(jìn)行FFT變換，得到各次諧波所占比例如圖12所示。

從圖12中可以看出，電動(dòng)汽車(chē)充電作用下，整流器交流側(cè)諧波次數(shù)主要為6k±1次的諧波，與前文分析結(jié)果一致。以二極管三相橋式整流電路作為高頻充電機(jī)的前級(jí)輸入，交流側(cè)輸入電流主要由基波和5次、7次、11次、13次、17次、19次等高次諧波組成，諧波電壓大小隨著諧波次數(shù)增加而減小。

3.3.2 電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)對(duì)計(jì)量裝置影響的仿真分析

充電機(jī)負(fù)載為恒流大功率充電模式下，輸出充電電流為10A，額定充電電壓為500V，輸出直流波形如圖13。

此時(shí)，利用FFT工具，仿真得到諧波對(duì)電流互感器、電壓互感器和最終的電能表計(jì)量的影響。

（1）電動(dòng)汽車(chē)充電諧波對(duì)電流互感器的影響

諧波對(duì)電流互感器的影響的誤差值見(jiàn)表5。

從仿真結(jié)果可以看出，在電動(dòng)汽車(chē)充電諧波作用下，CT僅對(duì)1、3、5、7、9次諧波電流幅值有一定的測(cè)量誤差，誤差值都小于0.2%，滿足電流互感器精確度等級(jí)要求；但是對(duì)3-13次諧波的相位影響值最高確達(dá)到-277.8′。當(dāng)諧波次數(shù)小于14時(shí)，諧波電流相角測(cè)量誤差教導(dǎo)；當(dāng)諧波次數(shù)大于等于14時(shí)，諧波電流幅值和相角測(cè)量誤差均為0。

（2）電動(dòng)汽車(chē)充電諧波對(duì)電能表的影響

諧波對(duì)電壓互感器的影響的誤差值見(jiàn)表6。

從仿真結(jié)果可以看出，在電動(dòng)汽車(chē)充電諧波的影響下，電壓互感器對(duì)3、5、7、9次諧波電壓幅值有一定的測(cè)量誤差，最大測(cè)量誤差為0.0948%，小于0.2%，滿足電壓互感器精確度要求；但是對(duì)3-31次諧波的相位影響值最高確達(dá)到-282.1′。

（3）電動(dòng)汽車(chē)充電諧波對(duì)電能表的影響

本文將互感器二次測(cè)的電壓和電流信號(hào)輸入三角波電壓比較型TDM電能表，得到電動(dòng)汽車(chē)充電諧波作用下的電能，并與變壓器高壓測(cè)交流電壓、電流信號(hào)作用下的理論電能值相比較，得到充電諧波作用下的高壓計(jì)量裝置測(cè)量誤差，如表7所示。

實(shí)際的電能計(jì)量中，總的電能為基波與各次諧波電能的和，因此實(shí)際電能表的計(jì)量誤差應(yīng)該為基波和諧波的總電能的計(jì)量值與理論值之差，同時(shí)需要考慮基波和諧波潮流方向有可能相同，也可能相反。因此，電動(dòng)汽車(chē)充電諧波次數(shù)對(duì)電能計(jì)量裝置的影響可能與其對(duì)電網(wǎng)諧波所占比例有差異。從仿真結(jié)果可以看出，電動(dòng)汽車(chē)充電諧波對(duì)計(jì)量裝置測(cè)量誤差的影響主要體現(xiàn)在2、4、6、8次諧波，而不是6k±1次諧波，推斷可能與諧波潮流方向有關(guān)。從表7可以看出，在諧波次數(shù)小于31時(shí)，電能幅值測(cè)量誤差均很小，最大幅值測(cè)量誤差為0.0806%，小于0.5%，滿足電能表精度要求；而最大相角測(cè)量誤差僅為6.281′。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了應(yīng)對(duì)日益發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)事業(yè)，針對(duì)充電站對(duì)電網(wǎng)影響以及對(duì)日常運(yùn)營(yíng)時(shí)的電能計(jì)量準(zhǔn)確性、合理性問(wèn)題研究的不足，本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的影響進(jìn)行了理論分析和仿真研究，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了電動(dòng)汽車(chē)充電模型、計(jì)量裝置仿真模型，以固定負(fù)載下的充電諧波對(duì)計(jì)量合理性和準(zhǔn)確性影響進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

（1）電動(dòng)汽車(chē)充電主要以6k±1次諧波為主，諧波含量隨諧波次數(shù)增加而呈減少趨勢(shì)。

（2）在電網(wǎng)沒(méi)有背景諧波情況下，諧波電壓由充電機(jī)產(chǎn)生諧波電流在線路阻抗和變壓器漏抗上的壓降引起，產(chǎn)生諧波功率。充電諧波對(duì)CT、PT的影響主要體現(xiàn)在3、5、7、9次諧波上，而對(duì)整個(gè)電能計(jì)量裝置的影響主要體現(xiàn)在2、4、6、8次諧波上，推斷其差異可能與諧波潮流方向有關(guān)。

（3）電動(dòng)汽車(chē)充電諧波作用下，電流互感器、電壓互感器幅值測(cè)量誤差最大值分別為0.0125%和0.0948%，均小于0.2%，滿足互感器準(zhǔn)確度要求，但其相位測(cè)量誤差超差，且無(wú)明顯規(guī)律性。

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