電動汽車放電對配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響

趙傳立，劉 莉，孫 峰，趙法人，左 峰

（1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

電動汽車放電對配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響

趙傳立1，劉 莉1，孫 峰2，趙法人1，左 峰1

（1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

電動汽車與電網(wǎng)的互聯(lián)技術（V2G）作為提升電網(wǎng)效率，緩解可再生能源波動的重要手段，受到了廣泛的關注。而大規(guī)模電動汽車與電網(wǎng)進行交互，會對配電網(wǎng)造成沖擊。目前，電動汽車動力電池放電對配電網(wǎng)的諧波影響分析依然存在不足。利用Matlab軟件搭建電動汽車雙向充電機模型，并通過快速傅立葉變換法（FFT）對輸出電壓進行諧波分析，預測動力電池放電的諧波污染情況，采取合理諧波抑制措施。

電動汽車；PWM換流器；DC－DC變換器；諧波分析

節(jié)能減排及環(huán)境治理是我國近年來的重要任務。2015年，我國二氧化碳的排放下降超3.1%，二氧化硫的排放減少約3%，氮氧化物的排放減少約5%［1］。實施大氣污染防治行動計劃，大力對電動汽車進行推廣，對保障能源安全、促進節(jié)能減排、促使我國由汽車大國邁向汽車強國具有舉足輕重的意義［2］。

電動汽車與電網(wǎng)的互聯(lián)技術（Vehicle to Grid，V2G）是智能電網(wǎng)與充電基礎設施間相互交流、互動的重要技術。其核心思想就是將電動汽車儲存的電能提供給電網(wǎng)，以提高電網(wǎng)的效率；或?qū)⑵渥鳛榭稍偕茉吹木彌_，以解決可再生能源波動的問題，同時還可以為電動車用戶創(chuàng)造收益［3－4］。然而，當電動汽車充電機作為非線性負荷接入電網(wǎng)時，會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)勢必造成污染，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降［5］。由于充電機充電時所產(chǎn)生的各次諧波已進行了不少的分析［6－8］，因此，本文基于V2G技術，運用Matlab軟件搭建雙向充電機的仿真模型，并將雙向充電機接入380 V配電網(wǎng)中，著重對電動汽車雙向充電機放電過程產(chǎn)生的諧波對配電網(wǎng)的影響進行仿真，并對仿真結(jié)果進一步分析。

1 電動汽車放電系統(tǒng)拓撲結(jié)構

電動汽車雙向充電機主要包括PWM換流器、DC－DC變換器及動力電池。雙向充電機充放電的框架結(jié)構如圖1所示。充電時，電網(wǎng)通過三相PWM換流器對交流電進行整流，經(jīng)整流得到的直流電通過Buck－Boost DC－DC變換器降壓，給動力電池充電；放電時，動力電池經(jīng)上述DC－DC變換器升壓后，再通過換流器將直流電逆變成交流電，為電網(wǎng)提供電量。

圖1 雙向充電機充放電結(jié)構

1.1 三相PWM換流器拓撲結(jié)構

三相電壓型PWM具有拓撲結(jié)構簡單、實現(xiàn)能量雙向流動以及響應速度相對較快等優(yōu)點，同時也能更有效地抑制電力電子等器件產(chǎn)生的諧波［9］。三相PWM換流器的一般數(shù)學模型可分為低頻開關模型和高頻開關模型。低頻開關模型更適用于控制系統(tǒng)的分析；高頻開關模型更適合于三相PWM的波形仿真。因此，本文采用高頻開關模型對動力電池放電進行仿真與分析。三相PWM主電路拓撲結(jié)構如圖2所示。其中，平穩(wěn)的三相純正弦電動勢分別為ea、eb、ec，直流電動勢為eL。當eL＞vdc時，三相PWM可運行兩種模式：整流模式、有源逆變模式，當工作在有源逆變模式時，三相PWM將eL產(chǎn)生的電能輸送給電網(wǎng)。

圖2 三相PWM主電路拓撲結(jié)構

1.2 Buck－Boost變換器拓撲結(jié)構

Buck－Boost變換器的特點是輸出與輸入電壓的極性互異，并可方便地獲得升壓或降壓輸出［10］。當電動汽車充電時，觸發(fā)信號控制功率開關S7的通斷，而開關S8處于截止狀態(tài)。當電動汽車向電網(wǎng)放電時，DC－DC變換器在升壓模式運行，功率開關S7處于截止狀態(tài)，S8工作。功率開關的兩個驅(qū)動信號需保證在互異的工作狀態(tài)，以使變換器工作順利進行。Buck－Boost變換器的拓撲結(jié)構如圖3所示。

圖3 Buck－Boost變換器的拓撲結(jié)構

2 電動汽車放電控制策略

2.1 三相PWM換流器控制策略

本文選用電壓電流的雙閉環(huán)控制作為三相PWM換流器在逆變過程中控制策略。其中，輸出電壓的穩(wěn)定由電壓環(huán)來控制，輸出電流的控制由電流環(huán)來實現(xiàn)。由于三相PWM換流器d－q軸變量相互耦合，因此需要對電壓環(huán)和電流環(huán)進行解耦。解耦后可對d、q軸上的變量進行單獨控制，vd、vq的控制方程為

式中：kiP，kiI為PI調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益；為d軸和q軸的參考電流。

三相PWM換流器逆變時采用的雙閉環(huán)控制策略框圖如圖4所示。三相電壓ua、ub、uc和三相電流ia、ib、ic經(jīng)d－q變換得到vd、vq和id、iq。電壓控制器將參考電壓值與實際電壓值進行比較計算，經(jīng)閉環(huán)控制運算，得出內(nèi)環(huán)電流的參考值。電流控制器再將所得的參考值與實際電流進行比較計算，再經(jīng)閉環(huán)控制運算，得到一個用于PWM調(diào)制的參考電壓。PWM調(diào)制器再根據(jù)誤差補償器提供的參考電壓進行脈沖寬度的計算，最終實現(xiàn)利用電壓外環(huán)穩(wěn)定控制輸出電壓，利用電流內(nèi)環(huán)對輸出電流進行控制。

圖4 電壓電流雙閉環(huán)控制策略框圖

2.2 Buck－Boost變換器控制策略

Buck－Boost變換器在升壓和降壓兩種工作模式中選用不同的控制策略。本文主要研究電動汽車放電對配網(wǎng)諧波的分析，因此，選用單電壓環(huán)控制作為放電時的控制策略。恒壓放電控制策略如圖5所示。

圖5 恒壓放電控制策略框圖

放電參考電壓值設定為Vref，將電池放電實際測量的電壓值Vb與參考電壓值Vref進行比較，比較值經(jīng)PI調(diào)節(jié)做無差跟蹤，再將得到的信號通過PWM斬波，產(chǎn)生輸出信號。輸出信號控制開關S8的通斷，實現(xiàn)恒壓放電。

3 充電機諧波仿真分析

3.1 三相PWM換流器輸出電壓諧波分析

根據(jù)PWM的控制原理，控制功率開關器件的通斷時間定義為正弦波與三角波的交點時刻［11］。由于三相調(diào)制波是對稱三相正弦波，因此，先分析其中一相的輸出電壓。

設逆變后輸出電壓的正弦調(diào)制波表示為

頻率調(diào)制比為

幅值調(diào)制比為

式中：fc為三角載波頻率；fm為正弦調(diào)制波頻率；Mc為三角載波幅值；Mm為正弦調(diào)制波幅值。

將電壓u0（t）的數(shù)學模型用雙重傅里葉級數(shù)表示為

由式（5）可知：由于基波電壓的幅值與幅值調(diào)制比M成正比，因此，可以調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波的幅值以達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

三相PWM換流器的諧波分析基于單相之上。當N為偶數(shù)時，輸出電壓同時存在奇偶次諧波；當N為奇數(shù)時，輸出電壓僅存在奇次諧波。三角載波uc為u三相正弦調(diào)制波共用，由于其3個單相半橋共用1個直流源eL，因此各項輸出電壓均為單相逆變的波形。其A相電壓的傅里葉級數(shù)表達式如式（6）：

由于三相換流器的3個相電壓波形在相位上各差120°，即可得出B，C相電壓的傅里葉級數(shù)表達式。其線電壓等于兩相相電壓之差，即uAB＝uAO－uBO。

根據(jù)式（7）同理可以得到uBC、uCA的傅里葉級數(shù)表達式［12］。

逆變電路輸出相電壓的基波與調(diào)制波的相位相同，線電壓與相電壓差30°。為使三相之間的相位差保持不變，載波比應是3的整數(shù)倍，這樣，雙極性調(diào)制時每相波形在正負半波均保持對稱。

3.2 仿真結(jié)果分析

為了降低諧波損耗，應盡可能保障換流器輸出電壓的波形接近正弦波，本文使用Matlab／Simulink作為仿真工具，建立電動汽車充放電系統(tǒng)的仿真模型，通過諧波的頻譜對搭建的三相PWM逆變電路及DC－DC直流變換電路進行仿真。圖6為當幅值調(diào)制比M＝0.5，頻率調(diào)制比N＝21時各次諧波幅值占基波的百分比。圖7為當幅值調(diào)制比M＝0.9，頻率調(diào)制比N＝40時各次諧波幅值占基波的百分比。

圖6 M＝0.5、N＝21各次諧波幅值占基波的百分比

圖7 M＝0.9、N＝40各次諧波幅值占基波的百分比

從圖6、圖7中可知，電動汽車放電過程產(chǎn)生的諧波以高次諧波為主。圖6中，當N＝21時，存在第19，23，41，43，59，61，65，…次諧波，諧波畸變率為44.91%。圖7中，當N＝40時，存在第36，38，42，44，75，79，81，85，…次諧波，諧波畸變率為36.38%，諧波畸變率用來衡量波形畸變的程度。根據(jù)《電能質(zhì)量公用電諧波》的國家標準規(guī)定［13］，380 V配電網(wǎng)電壓總諧波畸變率不超過5.0%，因此，從仿真結(jié)果可以看出，其諧波的總畸變率遠大于規(guī)定可承受限值，對配電網(wǎng)的影響較為嚴重。需要采取必要的濾波措施，將諧波的總畸變率控制在5.0%以下。

同時，通過仿真可以驗證，當頻率調(diào)制比N為奇數(shù)時，諧波次數(shù)同樣也為奇數(shù)的特性。根據(jù)仿真圖可以得到，輸出電壓諧波集中在：

式中：m＝1，3，5，…時，n＝3（2l－1）±1，l＝1，2，3，…；m＝2，4，6，…時，n＝6l＋1，l＝0，1，2，…或k＝6l－1，l＝1，2，3，…。

將諧波分布的這種特性稱為“集簇”特性，即在載波頻率整數(shù)倍頻率的兩端集中分布。同時，當頻率調(diào)制比N較低時，隨著次數(shù)的增加，N的整數(shù)次諧波含量減少；當頻率調(diào)制比N較高時，較低次數(shù)的諧波畸變率較低。因此，根據(jù)上述的分析結(jié)論，選擇適當?shù)臑V波方式，可有效解決電動汽車放電對配電網(wǎng)的諧波污染問題。

4 結(jié)論

大規(guī)模電動汽車接入電網(wǎng)會對配電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，本文通過Matlab軟件搭建三相PWM換流器及Buck－Boost變換器模型，對電動汽車充電機接入380 V配電網(wǎng)，并向配電網(wǎng)放電時產(chǎn)生的諧波進行分析。其結(jié)果表明，動力電池放電經(jīng)升壓、逆變之后輸出電壓的諧波畸變率較大，對配電網(wǎng)影響較為嚴重，需采取必要的措施進行治理。同時，得出諧波的特性，為選擇適當?shù)臑V波方式進行濾波提供依據(jù)，以保證配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

［1］2015年政府工作報告［R］.2015.

［2］電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南（2015—2020年）［R］.中華人民共和國國家發(fā)展與改革委員會，2015.

［3］劉曉飛，張千帆，崔淑梅.電動汽車V2G技術綜述［J］.電工技術學報，2012，27（2）：121－127.

［4］孫 峰，張幼明，黃 旭.智能變電站與電動汽車充電站一體化設計關鍵技術研究［J］.東北電力技術，2012，33（8）：1－5.

［5］GOMEZ J C，MORCOS M M.Impact of EV battery chargers on the power quality of distribution systems［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，2003，18（3）：975－981.

［6］黃 梅，黃少芳，姜久春.電動汽車充電機（站）接入電力系統(tǒng)的諧波分析［J］.北京交通大學學報，2008，32（5）：85－88.

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

［8］馬玲玲，張潔瓊.基于PSCAD的電動汽車充電裝置建模研究及諧波分析［J］.陜西電力，2012，40（7）：28－32.

［9］裘 迅，方 宇，王 儒.三相高功率因數(shù)電壓型PWM整流器控制策略［J］.電工技術學報，2008，23（11）：96－102.

［10］鞏 冰，張敬南，王冠男.雙向buck－boost直流變換裝置仿真［J］.應用科技，2010，37（10）：6－8.

［11］佟為明.PWM逆變器特定消諧式諧波抑制技術的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，1999.

［12］沈 杰，孟曉芳，王英男.配電網(wǎng)諧波分析的傅里葉變換方法［J］.東北電力技術，2015，36（10）：21－23.

［13］電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波：GB／T 14549—93［S］.

Impacts of Electric Vehicle Discharge on Power Quality of Distribution Network

ZHAO Chuan?li1，LIU Li1，SUN Feng2，ZHAO Fa?ren1，ZUO Feng1
（1.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The interconnection technology of electric vehicle and power grid（V2G）which payed comprehensive attention is an impor?tant technical means to enhance the power grid efficiency and alleviate the fluctuation of renewable energy.Large?scale electric vehicle to interact with the grid，impacts the distribution network.At present，the harmonic effects on the distribution network of electric vehi?cle battery discharge analysis remains inadequate.In this paper，using the matlab software to build a bidirectional electric vehicle charger model and through the Fast Fourier Transform（FFT）method to analyze the harmonic of output voltage.The analysis provides help to predict the harmonic pollution of power battery and take reasonable harmonic suppression measures.

Electric vehicle；PWM inverter；DC－DC converter；Harmonic analysis

U469.72；TM910.6

A

1004－7913（2016）09－0041－04

趙傳立（1990—），男，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)分析與控制研究。

2016－06－08）