电动汽车充电对配电网络的影响研究

汤佩文　陈余寿　姜天翔

摘 要：由于人类过度使用石化燃料，温室气体的大量排放致使全球气候发生极端变化，其中汽车排放占据了相当大的比重。目前，纯电动汽车被认为是一种降低碳排放的行之有效的方式。随着电动汽车逐步大规模进入我们的生活，其对电网的影响不可忽视。文章将从电压、谐波这两个方面，模拟、分析电动汽车充电对电网的影响。

关键词：电动汽车；配电网络；电网电压；电能质量

1 研究背景介绍

随着汽车工业的发展，全球汽车保有量正与日俱增，针对燃油动力汽车产生的尾气造成的全球气候极端变化，电动汽车的发展已经成为一个全球性的共识。世界各国都正在大力开展电动汽车，充电系统等的计划和建设。我国已确定到2020年拥有电动汽车500万辆，约占世界电动汽车总量的35%。如此庞大数量的电动汽车，将会对我们的电网产生不容忽视的影响。

传统意义上的电网是由连接在高压侧的大型发电设备产生电能，经过变压，传输设备送达用户端。随着新能源的大规模利用，越来越多的嵌入式发电机将联入配电网（我国35KV以下）。文献[1]中指出，相当比例的嵌入式发电机会引发反向潮流、电压波动、电能质量下降、接地故障等级升高、二次保护系统故障、相-相间电压及电流不平衡等一系列问题。在配电网络运行中，电网电压控制显得尤为重要，这直接影响到了电网运行和用户用电的安全。本文对此将加以分析，为电网的安全运行，提出建议。

与此同时，由于电动汽车趋于大规模普及，大量充电设备（电力电子器件）也将大规模的并入未来电网。然而这些电力电子设备对电网所产生的谐波，更加成为影响电网电能质量所不可忽视的重要原因之一。文献[2]提出，多个电动汽车充电设备并入电网会导致电网的总谐波失真THD增加。而文献[3]却提出相反的观点，认为由于谐波相互抵消的作用，多个电动汽车充电器并网后的总谐波失真会小于单个充电器所引起的总谐波失真。所以，本文旨在调查研究当单个或多个相同种类的电动汽车充电设备并入电网后，对谐波幅值的影响，并且基于电网运行的角度，提出合理建议，意在提高电网电能质量。

2 配网模型建立

所建立的配电网络计算机模型如图1所示。

此模型是一个从35KV电压等级开始直至380V/220V 用户端的配网模型。35/10KV变电站（此变压器为：载调压变压器OLTC）有6个10KV的供电端口，每一个供电端口支持8个10KV/380V的变压器，每一台变压器又包含4个供电端口，通过其对用户供电。为了简化模型，各电压等级的供电端口只有一条被具体描述，其余全部等效成相应的负载。

3 电压分析

电动汽车充放电根据功率大小不同分为三类：快速充电（50 kW），三项充电设备（23kW） 和单项家庭充电（3kW）。本文选取3 kW单项家庭充电为对象，对不同电动汽车保有率下，在峰、谷时段联入电网情形下，模拟、分析电网上各节点的电压变化情况。本文应用了ERACS电力系统分析软件，对极端负载情况下的电网进行实验分析：电动汽车在峰电时刻充电，在用电低谷时刻放电至电网。

峰、谷电时刻电动汽车充电：

图2表示了在0%， 20%和30%电动汽车在峰电时刻充电的配网结点电压。可以看出，在20%电动汽车充电的情况下，由于载调压变压器工作，10KV等级的电压被控制在最小电压容限-5%以上。但是当30%的电动汽车充电时，在节点9，10上的电压超过了最小容限。

图3为谷电时刻，不同电动汽车保有率的情况下，向电网放电。假设未来电力电子设备将允许双向电流通过。在380V电压等级下，保有率20%的电动汽车向电网充电，此时远端结点电网电压已经接近最大容限+10%。而当30%的电动汽车向电网充电，380V电压等级的结点上的电压，根据IEC标准，超出了配网最大+10% 电压容限，将严重威胁电网运行安全。

4 电能质量

单相整流和三相整流技术分别被广泛应用于电动汽车家庭充电和公共场所三相充电，本文将在Matlab/Simulink中对这两种整流设备进行模拟，并通过FFT观察、分析输出总谐波失真（THD）。

4.1 基本整流电路的频谱分析

图4是基本的单相整流电路频谱分析结果，该电路由交流电源通过降压变压器降压，经单相桥整流后向电池充电，其总谐波失真达到了12.46%。

图5是三相桥式整流电路频谱分析结果，与单相桥式整流电路相比，失真度较低。

4.2 多个充电器并网的影响

为了验证多个充电器并网对电网的影响，这里选取离10KV/380V变压器最远的结点17作为研究对象。首先连接一个充电器模型在结点17，通过FFT测量电流失真率。随之将第二、三、四个相同充电器连接在同一结点，观察THD。

在单相桥式整流电路中，由于电池电压的改变，整流电路输出的电压包络占空比随之不断发生变化。而不同的占空比决定了THD 和所产生的各种谐波的相角。为了模拟、研究多种情况下的电网谐波效应，电池电压将不断被改变，以至于占空比不断变化。这里第一个充电器选取中间电压。接着，第二个充电器并联在同一结点，同时不断变化其电池电压，找出最小的THD。以此类推，连接第三、四个充电器，算出最小的THD。得出结果如图6。

三相桥式整流电路与单相整流电路同样的原理，由于电池电压的改變，整流电路的占空比不断发生变化。而不同的占空比决定了THD。应用同样的实验方法，得到的结果如图7。

由以上实验结果可以看出，在不同电压情况下，由于谐波之间的相互作用（抵消），THD的比率不断下降并趋于平缓。

基于以上实验，如果记录在最小THD情况下，各个电动汽车电池组电压，并依此作为统筹控制标准，进行实时中央统筹控制，电网的电能质量将有望被提高。该验证结果对以后电网的电能质量管理将具有一定的借鉴作用。

5 结束语

随着电动汽车应用规模的不断扩大，将会对电网电压、电能质量等造成潜在的不利影响。本文对电网在不同电动汽车保有率充电情况下影响电网的研究结果表明，随着充电设备大规模的接入电网，所产生的谐波会影响电能质量。通过分析软件模拟分析证明，必须有效的调配电动汽车的充电计划，才能对电网产生积极的影响，以确保电网安全、正常运行。

参考文献

[1]David Johnston， Edward Bentley， Mahinsasa Narayana， Tianxiang Jiang， Pasist Suwanapingkarl， Ghanim Putrus.“ Electric Vehicles as Storage Devices for Supply-Demand Management” VPPC2010 Conference Sept 1-3 France，2010.

[2]Bass，R.， Harley，R.， Lambert，F.， Rajasekeran，V.， Pierce，J. “Residential Harmonic Loads and EV charging” IEEE Power Engineering Society Winter Meeting 2001 vol.2 pp 803-8

[3]Yanxia， L.， and Jiuchun，J.“Harmonic Study of Electric Vehicle Chargers”： ICEMS 2005， Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems， Sept. 2005 vol.3 pp2404-2407.

*通讯作者：陈余寿（1962-），男，江苏南京人，本科，讲师，研究方向：电子应用技术。