電動汽車接入電網對電網諧波的影響

陳男，孫曉東，馬志鵬

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

隨著全球能源危的不斷機加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國政府及汽車企業普遍認識到節能和減排是未來汽車技術發展的主攻方向，發展電動汽車將是解決這兩個技術難點的最佳途徑，其中純電動汽車被認為是汽車工業的未來。目前，國外的混合動力汽車已經開始大規模產業化，純電動汽車也已開始進入市場。我國電動汽車起步較發達國家晚，但是發展很快。各汽車生產商積極投入到研發電動汽車的行列。規模化電動汽車入網充電引起電網負荷激增而導致基礎負荷峰上加峰現象，會降低配電網的電能質量、影響配電系統的經濟性運行，甚至涉及到配電網的規劃建設。因此關于充電負荷對配電網的影響研究備受關注，國內外已有許多學者對其進行了分析。

充電負荷對電網電能質量的影響主要體現在：電壓偏移、三相不平衡度以及諧波污染等方面[1]。針對電動汽車入網時所引起的系統三相不平衡問題研究，結果表明若電動汽車充電負荷合理分配于三相之間則可以很大程度上避免三相不平衡問題的出現[2]。對小區充電站進行了建模仿真，研究了多輛電動汽車同時充電時電網的諧波大小，分析得出充電樁工作時主要產生6k±1次諧波，且5次和7次諧波含量最高，提出了一種改進的有源濾波器并驗證了其有效性[3-4]。

1 充電負荷對配電網的影響

在能源短缺與綠色發展的雙重壓力下，電動汽車代替傳統燃油汽車是當前汽車行業發展的主要方向；在未來的幾年中電動汽車將逐步占領家用汽車市場，電動汽車的無序充電負荷曲線與原配電網日負荷曲線的峰值時段相重疊，形成更高的負荷峰值，巨大的沖擊負荷將會影響到配電網的運行穩定性和原有配電網的升級與規劃等問題，并且這種影響會隨著電動汽車滲透率的增大將更加嚴重。由于家用電動汽車充電負荷主要集中在配電系統，因此充電負荷對電力系統的運行穩定性影響主要體現在對配電網的電能質量與經濟性方面。

配電系統中的負荷峰值、峰谷差、諧波、電壓偏移以及網絡損耗等是電網高效穩定運行的幾個重要指標。當負荷峰值超過了配電系統的額定容量后，將導致變壓器和線路過載運行，長時間的過載運行會嚴重影響設備的壽命和安全運行。過大的峰谷差則會導致配電系統的供電機組每天需要頻繁的啟停或者大規模增減出力，將影響到供電機組的使用效率，降低了電力系統的經濟性。充電機工作過程中產生的諧波會導致電力系統的電壓與電流發生畸變，不僅增加線路的損耗，還會影響到電氣設備的正常工作。本文將重點分析充電過程中諧波對配電網的影響。

2 充電樁對電網諧波的影響

2.1 電動汽車充電樁諧波理論

實際中常用的三相橋式整流型充電樁的等效模型模型如圖1所示。

圖1 三相橋式整流充電樁等效模型

利用傅里葉諧波分析理論對該模型產生的諧波進行理論分析，得出諧波的規律為：充電樁整流電路是半波對稱的，所以無偶次諧波，主要為奇次諧波，僅含 6k±1(k 為正整數)次諧波，即 5、 7、11、13、17、19 等次諧波；各次諧波有效值與諧波次數成反比， 且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

2.2 電動汽車充電樁諧波仿真

將配電網等效為一臺額定電壓為10kV的發電機和變比為10kV/0.4kV的變壓器相連的電網。為了便于研究和提高仿真速度將充電樁的高頻DC/DC功率變換器模塊和蓄電池用一非線性電阻來等效代替。最終建立了包括配電網、充電樁、負載電阻的系統仿真模型，如圖2所示。

圖2 單臺電動汽車充電樁接入配電網電網模型

運行單臺充電樁的模型得到配電網低壓側的電流和電壓波形及傅里葉分析結果如圖 3 所示。由圖3 可知，低壓側電流的總畸變率為 23.44%，電壓的總畸變率為20.41%。其6k±1 (k 為正整數)次諧波較為典型，與理論分析結果一致

圖3 低壓側電壓、電流波形及傅里葉分析圖

3 結束語

從電動汽車充電未來的發展趨勢來看，短期內主要考慮配電網規劃中電動汽車充電過程中諧波的出現，而從長期來看，隨著電動汽車走入家庭以及充電技術和計量技術的發展，大規模分布式的家庭充電將成為研究電動汽車充電對電網影響必須考慮的重要方面。