充电站对配电网电能质量的影响分析

童　伟，毛　弋，陈　萍，陈艳平，张毅磊

(湖南大学电气与信息工程学院，中国 长沙　410082)

充电站对配电网电能质量的影响分析

童伟*，毛弋，陈萍，陈艳平，张毅磊

(湖南大学电气与信息工程学院，中国 长沙410082)

摘要大量的充电站接入电网会对配电网电能质量产生影响，而电动汽车采用不同的充放电模式对电网的影响与谐波污染不同．本文设计了充电机等效充放电模型以及电路中各参数数值，根据V2G原理与充放电机等效模型，研究了充电机充放电过程对电网的谐波影响．通过simulink仿真分析了多辆电动汽车共用一个充电机和多个充电机同时放电时对电网的影响．分析结果表明当采用多台充电机同时充放电，并且每台充电机有多台电动汽车同时放电时，有利于减少充电站对电网的谐波污染．通过对仿真结果的分析提出了几种可行性对策，使谐波影响降到最小．

关键词电动汽车；谐波；充电机；V2G

Impact of Charging Stations on the Power Quality of Distribution Network

TONGWei*,MAOYi,CHENPing,CHENYan-ping,ZHANGYi-lei

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

AbstractDue to a great number of charging stations connected to the distribution network, there will be direct impact on the power supply quality，and different model of charging or discharging of electric vehicle usually results in different harmonic wave in the power grid. The model to simulate the charging and discharging process of EV is presented in the paper by simulink. According to the idea of V2G and the equivalent model for the charging device, the influence on the power quality caused by the charging and discharging of EVs was investigated. The results show that it will help to reduce the harmonic wave pollution on the power grid when a number of charger machines charging or discharging at the same time, and each machine has a few of electric vehicles discharging at the same time. Meanwhile, some measurements were proposed to minimize harmonic wave impact.

Key wordselectric vehicle; harmonic wave; charging device; V2G

石油资源匮乏的危机和环境保护的紧迫需求，促使着汽车工业势必朝着零排放、低噪声和综合利用能源的方向发展，积极地研发生产电动汽车是解决这个日益严重问题的最佳途径，其中纯电动汽车被普遍认为是未来汽车工业的发展方向[1]．

但是，大量的电动汽车接入电网会对电力系统的运行和规划产生一些负面影响[2]：(1)电负荷增加，尤其大量电动汽车在用电高峰期充电会增加峰谷差，造成电力系统不稳定，严重时还可能导致电网崩溃；(2)电动汽车蓄电池充放电设备充放电时具有非线性, 这将导致充放电时产生很大的谐波污染，供电系统的电能质量将受到影响；(3)负荷结构发生改变，增加了电网规划的难度[3]．

国内外学者对电动汽车充电时谐波污染情况进行了较多研究，而对电动汽车向电网放电时的谐波污染情况分析较少[4]．因此，本文重点研究多台充电机放电过程对电网的影响，通过仿真分析多台充电机共用一个充电桩和多个充电桩同时放电时对电网的影响，提出了几种可行性对策，使谐波影响降到最小[5-6]．

1V2G技术介绍

充电机放电主要是V2G技术的应用，V2G全称是Vehicle-to-grid，它描述的是这样一个系统：当混合电动车或者纯电动汽车没有运行的时候，可以通过链接到电网的电动马达将汽车中多余的能量卖给电网，反过来，当电动车的电池需要充电时，电网可以发送电流给蓄电池充电，实现在受控状态下电动汽车的能量与电网之间的双向互动和交换[7]．V2G技术可以应用于任何可网络化的车辆，也就是插电电动汽车(Plug-in Electric Vehicle, PEV)或者插电混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)．因为大部分的电动汽车平均有95%的时间都是停着的，这些没有工作的汽车电池可以将电能输给电网[8]．目前研究最多的还是利用车载电池来处理电网的高峰低谷负荷均衡问题，虽然研究表明电池组不适合对电网提供基本电力，但是V2G车辆对电网的调峰调频的作用还是非常有吸引力的[9]．理想中的V2G车辆是能在非高峰时段自动给蓄电池充电，在高峰时段对电网放电、售电，以替代效率较低的调峰电厂．因为火电厂在接到调峰信号后，需要较长的启动时间，然而高性能车载动力蓄电池对信号的反应速度能达到毫秒级别[10]．

显然，单台电动汽车的动力蓄电池远远无法满足电网调峰的要求．但是通过智能化的电网平台，分散的电力资源即可实现规模化．例如，假设我们将10，000辆平均存储容量为15 kWh的V2G电池车接入电网，可以获得30 MW容量，30 MW对于基本电网电力负荷可能并不能起多大作用，但对于调频来说作用还是不容小视，相当于PJM系统中5%的调节负荷[11]．

电动汽车既可以选择公共电网进行充电，也可以选择可再生能源(譬如风力或太阳能)发电作为电力来源．随着未来新能源技术的发展，有人认为使用这种方法后可以缓冲可再生能源发电对电网的冲击，例如，通过将大风期间生产的电能储存起来和在电网高负荷期间将电能返回到电网的方式，可以很好地稳定风力发电供能的间歇性和不稳定性[12]．

2充电机充放电对电网仿真分析

电动汽车除了能够有助于节能减排的完成，还可以帮助电力公司完成削峰填谷的作用．本文重点研究了电动汽车放电时对电网的影响．充电机放电原理图如图1所示，车载电源由控制系统控制后再经逆变系统把直流电压转化为交流电压，最后接入电网．

图1　充电机放电原理图Fig.1　The principle diagram of the charger discharging

充电机放电仿真时，采用三相SPWM逆变电路[13]．充电机等效为一个蓄电池，此仿真图中，等效蓄电池容量为120 Ah，输出电压为220 V．仿真电路中电网电压为10 kV．放电过程中，采取了谐波分析，根据国家标准GB/T14549-1993《电能质量 公用谐波》有关规定，测量电网侧电流谐波幅值最大的3，5，7，11，13，15，17，19次谐波的具体数值．

为了更真实地仿真充电机放电的情形，将电网电路等效为一个π型电路，变压器仿真实际额定容量为1 000 kVA的10 kV级有载调压配电变压器．根据实际的电网架空线路LGJ—400/50参数可得其电阻、电抗和电纳．其中r=0.08 Ω/km，xL=0.406 Ω/km,bC=2.81×10-6S/km，并设一段电网线路的长度为1.5 km,则可得:

R=rl=0.08×1.5=0.12 (Ω),

XL=xLl=0.406×1.5=0.609 (Ω),

由上式计算出π型等效电路的电感和电容值：

对于配电变压器采用文献[14]中的参数计算方法，根据国家标准GB/T10288-2008《干式电力变压器技术参数和要求》精确的仿真了额定容量为1 000 kVA的10 kV级有载调压配电变压器，由计算得出的各种参数运用到simulink中进行仿真，电路图如图2：

图2　充电机放电仿真图Fig.2　The simulation diagram of charger discharging

然后，得到的电网侧电流谐波含有率如图3所示．

图3　电网侧谐波含有率示意图Fig.3　The HRIn at the grid

仿真数据得出，放电过程在电网侧测量得到电流谐波总畸变率THD为11.29%，其余多次谐波的数值在仿真中会随着时间的变化而有微小波动．从谐波测量的数值可以看出，3次谐波含有量很小，这是由于变压器采用了Y-△连接，消除了3次谐波影响，5和7次谐波含有率分别达到9.27%和4.95%，影响较大，其余高次奇次谐波影响较小[15]．

当等效电池容量为20 Ah时，通过谐波测量模块，得到电网侧电流谐波总畸变率为11.30%，较120 Ah时略有增加．其中5次和7次谐波占有率分别为9.26%和4.95%，较120 Ah时变化很小．其他高次谐波变化也很小，可忽略不计．当电池容量增大到200 Ah时谐波情况变化也很小，可认为基本不变．

当把电池额定电压降到100 V时，电网侧电流总畸变率THD降到了11.08%，5次和7次谐波占有率分别降为9.01%和4.90%．当额定电压值设定为300 V时，电网侧电流总畸变率THD为11.54%，5次和7次谐波占有率分别为9.48%和5.01%，较额定电压为220 V时都有增加．

将3个120 Ah、220 V的电池并联放电(相当于3辆电动汽车同时放电)，得到电网侧电流总畸变率THD为6.83%，5次和7次谐波占有率分别为5.60%和3.22%．5个电池并联放电得到电网侧电流总畸变率THD为4.78%，5次和7次谐波占有率分别为3.90%和2.31%．较单个电池放电，谐波污染显著减少．

若将3台充电机并联放电，得到电网侧电流总畸变率THD为9.51%，5次和7次谐波占有率分别为7.77%和4.33%．五台充电机并联放电，得到电网侧电流总畸变率THD为8.33%，5次和7次谐波占有率分别为6.81%和3.86%．较单台充电机放电谐波污染有显著下降．

通过以上测量分析可知，采用多台充电机同时放电，并且每台充电机有多台电动汽车(电池)放电时有利于减少电网的谐波污染．

3充电机充充电对电网仿真分析

充电机充电仿真图如图4所示.

图4　充电机充电仿真图Fig.4　The simulation diagram of charger charging

为准确仿真电动汽车向电网放电的谐波污染情况，根据国家标准的规定，本文在仿真电路中精确地仿真了10 kV电网向充放电站引入的1.5 km进线的参数，并仿真了额定容量为1 000 kVA的10 kV级有载调压配电变压器，从而保证了仿真结果的准确性．

分别将6台、24台、48台充电机接入电网，其谐波大小和分布情况如图5所示.

图5　6台、24台、48台充电机接入时电网侧电流总畸变率Fig.5　The THD of 6, 24 and 48chargers connected to the grid

仿真数据得出电网侧电流总畸变率THD分别为45.68%,37.45%和31.79%．从以上仿真结果可以看出，随着充电机同时接入电网充电数量的增多，电网侧电流总畸变率THD逐渐下降．这是由于当大量的充电机所产生的各次谐波相互削弱和抵消所引起的．由此可见，多台充电机同时充电有利于减少充电机对电网的谐波污染．

4结论

本文分别仿真分析了一台充电机充电、多台充电机同时充电，一台充电机放电、多台充电机同时放电时对电网的电能质量的影响．研究结果表明：为了减少充电机放电对电网的谐波污染，应该采用多台充电机同时充放电，并且每台充电机有多台电动汽车(电池)放电，同时综合考虑电动汽车电池性能、价格等因素，应适当减小电池额定电压，以保证电动汽车放电时电网的电能质量．此外，为抑制谐波污染，还可以加装滤波器和无功补偿设备．

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(编辑陈笑梅)

*通讯作者,E-mail：tongwei3332007@163.com

基金项目：中国移动南方基地项目(900202393)

收稿日期：2014-12-17

中图分类号TM714

文献标识码A

文章编号1000-2537(2015)03-0058-05

DOI:10.7612/j.issn.1000-2537.2015.03.011