張 策，劉 莉，趙文靜，羅曉樂

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

?

電動(dòng)汽車交流充電樁對供電系統(tǒng)諧波的影響

張 策，劉 莉，趙文靜，羅曉樂

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

在電動(dòng)汽車快速發(fā)展的形勢下，電動(dòng)汽車的大量接入會直接影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量。針對此方面的影響，先介紹了兩種充電機(jī)的工作原理，然后利用PSCAD仿真軟件對六脈波整流充電機(jī)和PWM整流充電機(jī)的模型進(jìn)行搭建，根據(jù)模擬結(jié)果，分析比較兩種充電機(jī)的各次諧波含有率、電流的變化趨勢以及功率因數(shù)，進(jìn)而得出哪種交流充電樁對供電系統(tǒng)諧波的影響相對較小，同時(shí)還能增加電網(wǎng)的功率因數(shù)。仿真結(jié)果表明，PWM整流充電機(jī)能夠產(chǎn)生更小的諧波電流，并且能使電網(wǎng)的功率因數(shù)達(dá)到最大，可以更好地抑制諧波，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，該研究對提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量具有重要的實(shí)際意義。

電動(dòng)汽車；諧波；整流充電機(jī)；PSCAD

目前，能源衰竭和環(huán)境破壞的問題已經(jīng)逐漸成為我們迫切關(guān)心的話題之一，隨著人們對能源的濫用，我們的生存環(huán)境遭到了嚴(yán)重地破壞。電能相對于傳統(tǒng)石油燃料來說，具有清潔環(huán)保的特點(diǎn)，并且還能減少有害氣體和二氧化碳的排放[1-2]。我國為此提出了以電代煤和以電帶油的重要舉措，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。近幾年，我國在發(fā)展充換電設(shè)施方面取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。我國在2010年底共建成充換電站超過950萬個(gè)，交直流充電樁超過10.1萬個(gè)，超過25萬輛電動(dòng)汽車依靠這些基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行充換電服務(wù)。隨著大量的用戶將電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)中對其進(jìn)行充電，勢必會帶來諧波污染問題，因此，首要解決的問題就是如何減少充電樁諧波的產(chǎn)生。然而充電樁種類的多種多樣會給電網(wǎng)帶來不同程度的諧波污染，因此研究不同種類的充電樁具有重要的意義。

在供電系統(tǒng)中，為了使電網(wǎng)的運(yùn)行更合理、更經(jīng)濟(jì)，需要將電動(dòng)汽車有效地接入電網(wǎng)進(jìn)行充電。文獻(xiàn)[4]針對六脈波整流充電機(jī)，將高頻功率變換模塊進(jìn)行非線性電阻等效，提出了充電機(jī)的諧波分析方法。文獻(xiàn)[5]搭建了基于雙向直流-直流變換器和電壓型PWM整流器的充電模型，實(shí)現(xiàn)了一種新的充電控制策略，對該研究提供了幫助。利用PSCAD軟件對電動(dòng)汽車接入供電系統(tǒng)的新型模型進(jìn)行搭建，比較了六脈波整流機(jī)和PWM整流機(jī)接入電網(wǎng)后的諧波含量、電流畸變率和功率因數(shù)，通過對比提出了能有效減少供電系統(tǒng)諧波的交流充電樁，這對提高電能質(zhì)量意義重大。

1 充電機(jī)工作原理

1.1 六脈波整流充電機(jī)

六脈波整流電路稱為不可控整流電路也被稱為三相橋式不可控整流電路。它的結(jié)構(gòu)較為簡單，并且應(yīng)用非常廣泛。三相橋式不可控整流電路相對于單相橋式不可控整流電路來說，由于相數(shù)較多，會減少諧波含量，也會減少對供電系統(tǒng)的干擾。因此，在電路中采用三相橋式電路更合適[6-7]。

圖1中變壓器采用△/Y連接，這就為3次(包括3的倍數(shù))諧波電流提供流通路徑，以減少諧波對交流電源的影響。然而在整流電路應(yīng)用的許多方面，還需要可調(diào)節(jié)、可控制的直流電壓。當(dāng)二極管在電路中導(dǎo)通后，輸出直流電壓會向負(fù)荷供電，二極管如果在δ角導(dǎo)通，以VD6和VD1同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻作為初始時(shí)刻，線電壓uab為：

(1)

相電壓ua為：

(2)

圖1 三相橋式不可控整流電路

主要數(shù)量關(guān)系為：

2)輸出電流的平均值IR為

(3)

二極管電流的平均值Id為

(4)

1.2 PWM整流充電機(jī)

PWM整流電路有兩種類型：電壓型PWM整流電路和電流型PWM整流電路。前者用電容元件削減諧波，輸出的電壓波動(dòng)不大；后者用電感元件削減諧波，輸出的電流波動(dòng)不大[8]。在逆變電路中，由于正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)而產(chǎn)生了脈沖寬度調(diào)制整流電路，對其進(jìn)行合理控制，能使波形為正弦波。

圖2是三相橋式電壓型PWM整流電路，它的開關(guān)管由6個(gè)全控型器件IGBT組成；直流輸出側(cè)并聯(lián)電容C；三相輸入側(cè)串接三組進(jìn)線電抗器Ls；網(wǎng)側(cè)等效電阻由Ks組成，包括電源的內(nèi)阻和電抗器的電阻。

圖2 三相橋式電壓型PWM整流電路

2 六脈波整流充電機(jī)仿真建模分析

2.1 六脈波整流充電機(jī)模型的建立

對于六脈波整流充電機(jī)，用10 kV電源供電，變壓器等級為10 kV/0.4 kV，dy11接法，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，將DC/DC模塊與充電電池以非線性電阻代替。利用PSCAD軟件構(gòu)建的充電站仿真模型如圖3所示。

圖3 六脈波不可控整流充電機(jī)仿真模型

通過搭建仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖對諧波電流和功率因數(shù)進(jìn)行仿真，如圖4所示。

圖4 六脈波不可控整流充電機(jī)仿真拓?fù)?/p>

2.2 0.4 kV側(cè)諧波電流分析

利用諧波分析模塊和傅里葉變換模塊進(jìn)行仿真，變壓器低壓400 V側(cè)的基波至31次諧波電流的含有率如圖5所示。

圖5 六脈波整流充電機(jī)0.4 kV側(cè)各次諧波含有率

由仿真圖可知，六脈整流充電機(jī)只能產(chǎn)生奇次諧波，低次諧波的含量極其明顯。諧波含有率較高的是5次諧波，為26.42%；7次、11次、13次含有率分別為10.81%、8.06%和5.27%，總畸變率為30.69%。不難看出，波次越高，諧波含量越少，直至趨于0。

六脈整流橋交流側(cè)的電流波形如圖6所示，即使波形發(fā)生畸變，波形依然周期變化。

圖6 六脈波整流橋交流側(cè)電流波形

接入六脈波整流充電機(jī)的電動(dòng)汽車后，電網(wǎng)的各次諧波電流會隨時(shí)間發(fā)生改變，研究了5、7、11、13次諧波電流的變化曲線，其中5次諧波電流曲線如圖7所示，各次諧波電流值見表1。

圖7 5次諧波電流曲線

圖7表明充電時(shí)長的改變會使諧波電流的大小發(fā)生改變。初始時(shí)刻起，諧波電流會突然增大，在0.06 s時(shí)達(dá)到最大值13.33 A，隨后立即減小，并在0.15 s之后便保持不變，電流穩(wěn)定在6.89 A。

表1 各次諧波電流值

由表1數(shù)據(jù)可知，六脈波整流充電機(jī)在電網(wǎng)中進(jìn)行充電時(shí)產(chǎn)生的奇次諧波電流值和畸變率都超出國家標(biāo)準(zhǔn)，因此會給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的諧波污染問題。

2.3 功率因數(shù)測量模塊

利用PSCAD仿真軟件搭建了六脈波整流充電機(jī)位移因數(shù)測量模塊，在整流橋的交流側(cè)測取相電壓基波的位移因數(shù)，在變壓器的低壓側(cè)測取相電流基波的位移因數(shù)，將兩者做差取余弦，測得位移因數(shù)為0.999 9，如圖8所示。

圖8 位移因數(shù)測量模塊

通過仿真測取其基波因數(shù)為0.841 1，如圖9所示。

圖9 基波因數(shù)測量模塊

結(jié)合之前兩步，通過仿真測取六脈波整流充電機(jī)的功率因數(shù)為0.842 5，如圖10所示。

圖10 功率因數(shù)測量模塊

仿真結(jié)果表明，三相橋式不可控整流電路相對于單相橋式不可控整流電路來說，位移因數(shù)通常是滯后的，但優(yōu)點(diǎn)在于其值更接近1。基波因數(shù)則受到負(fù)荷和電感元件的制約。基波因數(shù)也決定著功率因數(shù)，功率因數(shù)會因負(fù)荷的增加而變大；當(dāng)抑制諧波的電感元件較大時(shí)，位移因數(shù)會因負(fù)荷的增加而減小。當(dāng)負(fù)荷保持不變時(shí)，位移因數(shù)也會因電感元件的增加而減小。

3 PWM整流充電機(jī)仿真建模分析

3.1 PWM整流充電機(jī)的模型建立

對于PWM整流充電機(jī)，仍然用10 kV電源供電，變壓器等級為10 kV/0.4 kV，dy11接法，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的內(nèi)容，為了使整流器能夠獲得良好的電流波形，利用PSCAD軟件構(gòu)建的充電站仿真模型如圖11所示。

圖11 三相電壓型PWM整流充電機(jī)仿真模型

搭建三相電壓型PWM整流充電機(jī)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖12所示。

對PWM整流充電機(jī)模型進(jìn)行仿真，交流側(cè)電流波形如圖13所示。

由仿真圖可知，PWM整流電路的交流側(cè)電流波形波動(dòng)范圍不大且畸變較小，可近似為正弦波。

3.2 0.4 kV側(cè)諧波電流分析

利用諧波分析模塊和傅里葉變換模塊進(jìn)行仿真，變壓器低壓400 V側(cè)的基波至31次諧波電流的含有率如圖14所示。

仿真結(jié)果表明，PWM整流充電機(jī)主要產(chǎn)生奇次諧波，相對于其他次諧波來說，5、7、11、13次諧波尤為明顯。5次諧波，為2.58%；7次、11次、13次含有率分別為0.89%、0.61%和0.24%，總畸變率為3.84%。由于高次諧波含有率非常小，由此可見，PWM整流充電機(jī)對電網(wǎng)的諧波影響比較小。

接入PWM整流充電機(jī)的電動(dòng)汽車后，研究了5、7、11、13次諧波電流的變化曲線，其中5次諧波電流曲線如圖15所示，各次諧波電流值見表2。

圖12 三相電壓型PWM整流充電機(jī)仿真拓?fù)?/p>

圖13 交流側(cè)電流波形

圖14 交流側(cè)電流波形

圖15 5次諧波電流曲線

圖15表明，隨著充電時(shí)間的改變，脈寬調(diào)制整流充電機(jī)的5次諧波電流也會發(fā)生不同程度的改變，最大時(shí)可達(dá)到8.67 A，小于六脈波整流充電機(jī)5次諧波電流最大值，其變化趨勢為衰減震蕩，在2.5 s后在電流值為4 A時(shí)等幅振蕩。

表2 各次諧波電流值

由表2可知，PWM整流充電機(jī)在網(wǎng)側(cè)只產(chǎn)生奇次諧波，5次諧波的電流值最大，即8.67 A。由于PWM整流充電機(jī)在電網(wǎng)中進(jìn)行充電時(shí)產(chǎn)生的5、7次主要諧波電流值和畸變率都未超出國家標(biāo)準(zhǔn)，因此會減少充電裝置給供電系統(tǒng)帶來的諧波污染問題。

3.3 功率因數(shù)測量模塊

利用PSCAD仿真軟件搭建了PWM整流充電機(jī)位移因數(shù)測量模塊，在整流橋的交流側(cè)測取相電壓基波的位移因數(shù)，在變壓器的低壓側(cè)測取相電流基波的位移因數(shù)，將兩者做差取余弦，測得位移因數(shù)為0.998 9，如圖16所示。

圖16 位移因數(shù)測量模塊

通過仿真測取其基波因數(shù)為0.989 2，如圖17所示。

圖17 基波因數(shù)測量模塊

在前兩步的基礎(chǔ)上，通過仿真測取PWM整流充電機(jī)的功率因數(shù)為0.988 1，如圖18所示。

圖18 功率因數(shù)測量模塊

由此可見，雖然PWM整流充電機(jī)和六脈波整流充電機(jī)的位移因數(shù)相近，但是PWM整流充電機(jī)的基波因數(shù)和功率因數(shù)都比六脈波整流充電機(jī)大的多，在數(shù)值上更接近1，這就說明PWM整流充電機(jī)比六脈波整流充電機(jī)的補(bǔ)償效果更好。

4 結(jié) 論

首先介紹了六脈波整流充電機(jī)和PWM整流充電機(jī)的工作原理，接著利用PSCAD仿真軟件搭建了兩種整流充電機(jī)的模型，對0.4 kV側(cè)整流充電機(jī)諧波電流變化進(jìn)行分析，得知兩種充電機(jī)整流橋交流側(cè)諧波電流變化趨勢相似，均為先陡增達(dá)到最大值再快速減小，最后趨于平穩(wěn)。但PWM充電裝置產(chǎn)生的諧波電流變化較小，在諧波含有率和功率因數(shù)層面上，PWM整流充電機(jī)相對于六脈波整流充電機(jī)來說也具有更大優(yōu)勢，符合國家的諧波標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行充電時(shí)，加裝PWM整流裝置能夠更加有效地抑制諧波產(chǎn)生進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

[1]M.DeNifris,I.Gianinoni,S.Grillo,et al. Impact Evalution of Plug-in ElectircVehicles(PEV) on Electirc Distribution Networks[C]//Harmonics and Quality of Power(ICHQP)’ 2010 14th International Conference,2010,Sept.,Bergamo.IEEE，2010:1-6.

[2]姜星莉.經(jīng)濟(jì)全球化背景下中國能源安全問題研究[D].武漢:武漢大學(xué),2010.

[3]曹 宇，許傲然，張 柳，等. 電動(dòng)汽車對電力系統(tǒng)潮流及設(shè)備影響的研究與分析 [J]. 沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,12(2):135-138.

[4]黃 梅,黃少芳,姜久春.電動(dòng)汽車充電機(jī)(站)接入電力系統(tǒng)的諧波分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,32(5):85-88.

[5]劉月賢,楊亞宇.電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(13): 70-76.

[6]趙 偉,姜 飛,肖 凡.電動(dòng)汽車充電站入網(wǎng)諧波分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2014,34(11):61-66.

[7]孫媛媛,王小宇.三相整流裝置諧波產(chǎn)生機(jī)理分析及簡化模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(7):51-56.

[8]盧艷霞,張秀敏,蒲孝文.電動(dòng)汽車充電站諧波分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2006,18(3):51-54.

[9]李 娜,黃 梅.不同類型電動(dòng)汽車充電機(jī)接入后電力系統(tǒng)的諧波分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011,35(1):170-174.

[10]王 達(dá),劉 莉,尹 博,等.接入電動(dòng)汽車的風(fēng)/光/儲微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,13(1):31-36.

(責(zé)任編輯魏靜敏校對張凱)

ImpactonHarmonicofPowerSupplySystemwithElectricVehicleACChargingPileAccesstoGrid

ZHANG Ce,LIU Li,ZHAO Wen-jing,LUO Xiao-le

(School of Electric Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang110136,Liaoning Province)

A large number of electric vehicles access to grid will directly affect the power quality of the power system. This paper firstly introduced the working principle of two chargers,and then built the six pulse rectifier charger and PWM rectifier charger models with PSCAD simulation software. According to the simulation results,this paper analyzed the harmonic contain trend rate,current and power factor of two chargers to find which AC charging pile has relatively smaller impact on the power system harmonics and can increase the power factor of the power grid. The simulation results showed that the PWM rectifier charger could generate smaller harmonic currents and maximize the power factor of the grid,and thereby it could suppress harmonics preferably and improve the operation economy of the power grid. There search of this paper has important practical significance to improve the power quality of power supply system.

Electric vehicle; Harmonic; Rectifier charger; PSCAD

2017-05-22

遼寧省電網(wǎng)節(jié)能與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)-風(fēng)光儲及電動(dòng)汽車一體化微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目( F16-091-1-00)

張 策(1993-)，男，遼寧沈陽人，碩士研究生。

劉 莉(1963-)，女，遼寧沈陽人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制、智能電網(wǎng)等方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.008

TM711

： A

： 1673-1603(2017)03-0234-06