电动汽车直流充电桩接入对电网谐波的影响分析

管永高，牛 涛，倪盼盼

（中国能源建设集团 江苏省电力设计院有限公司，南京 211102）

电动汽车直流充电桩接入对电网谐波的影响分析

管永高，牛 涛，倪盼盼

（中国能源建设集团 江苏省电力设计院有限公司，南京 211102）

1 研究背景

随着电动汽车的推广与使用，电动汽车充电基础设施建设的需求也日益迫切［1］。电动汽车充电设施采用了大量非线性的电力电子设备，将会对电网电能质量造成不利影响，谐波问题则是比较突出的电能质量问题之一［2］。

现有研究中对于电动汽车充电桩对电网谐波的影响分析主要是通过在数字仿真平台上搭建充电桩仿真模型，利用模型分析充电桩谐波电流的特点和变化规律［3—4］，在此基础上提出了电动汽车充电谐波的工程计算方法［5］。

在电动汽车充电桩接入电网分析中，需要根据电动汽车充电桩谐波实际测试数据，结合相关标准进行相关谐波计算分析。本文根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 145949—1993）中对电网谐波的要求和计算方法，结合某厂家电动汽车直流充电桩谐波监测数据，对电动汽车直流充电桩接入后对电网的谐波影响进行了分析。

2 公网谐波的要求与计算方法

国家标准《电能质量 公用电网谐波》［6］（GB/T 145949—1993）规定了接入不同电压等级公共连接点的全部用户向该节点注入谐波电流分量的允许值。以10 kV为例，对10 kV公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量允许值见表1。

表1 注入10 kV公共连接点的谐波电流允许值

当电网公共连接点的最小短路容量不同于表1中基准短路容量时，需按式（1）修正表1中的谐波电流允许值

式中：Sh1为公共连接点的最小短路容量，MVA；Sh2为基准短路容量，MVA；Ihp为表1中第h次谐波电流允许值，A；Ih为短路容量为Sh1时的第h次谐波电流允许值。

在公共连接点处，第i个用户的第h次谐波电流的允许值（Ihi）需按式（2）计算

式中：Si为第i个用户的用电协议容量，MVA；St为公共连接点的供电设备容量，MVA；α为相位迭加系数，取值见表2。

表2 谐波电流计算相位迭加系数α

另外，2个同次谐波电流在同一条线路的同一相上迭加，当相位角已知是可按式（3）计算

式中：Ih1为谐波源1的第h次谐波电流，A；Ih2为谐波源2的第h次谐波电流，A；θh为谐波源1和谐波源2的第h次谐波电流之间的相位角。

当相位角不确定时，可采用近似计算公式进行计算

式中：Kh系数的取值如表3所示。

表3 谐波电流计算相位系数Kh

3 谐波电流影响因素分析

3.1 谐波电流允许值影响因素分析

在实际计算中，需要根据相关容量计算各次谐波的允许值，结合各谐波源产生的各次谐波的实际值，判断各次谐波是否满足国家标准中的要求。

由式（1）和式（2）可知，第i个用户的谐波允许值主要受到电网公共连接点最小短路容量、公共连接点的供电设备容量以及用户的协议容量有关。

以5次谐波为例，在用户协议容量一定的情况下，5次谐波允许值随电网公共连接点最小短路容量和供电设备容量变化曲面如图1所示。

由图1可知，在用户协议容量一定的情况下，5次谐波允许值会随着公共连接点最小短路容量增大而增大，随着供电设备容量的增大而减小。

以5次谐波为例，在公共连接点最小短路容量和供电设备容量一定的情况下，谐波电流允许值随用户协议容量的变化曲线如图2所示。

图1 谐波允许值变化曲面图

图2 谐波允许值变化曲线

由图2可知，用户的协议容量越大，相应的谐波电流允许值也会增大。

3.2 谐波电流实际值影响因素分析

在实际系统中，某一公共连接点下往往存在多个谐波源，需根据式（4）或式（5）进行谐波电流的迭加计算。

同样以5次谐波为例，假设某一公共连接点下单个谐波源的5次谐波电流为2.8 A。考虑多个谐波源迭加后，相应的谐波电流实际值的变化曲线如图3所示。

图3 谐波电流随谐波源数量的变化曲线

由图3可知，随着谐波源数量的增加，5次谐波电流迭加值也随之增大。

根据上述分析，一方面公共连接点的最小短路容量、供电设备容量以及用户协议容量会影响公共连接点的谐波电流允许值的大小；另一方面谐波源的增加也会改变注入公共连接点的谐波电流的大小。

电动汽车直流充电桩作为一类谐波源，其接入系统将会对电网谐波带来影响，需要根据国家标准中的要求合理配置其规模。本文将进一步分析电动汽车直流充电桩接入后对电网谐波带来的影响，根据国家标准中对谐波电流的要求，结合电网不同的外部条件分析允许接入的最大直流充电桩的数量。

4 直流充电桩接入对电网谐波的影响

4.1 充电桩接入系统方式

图4 充电桩接入电网示意图

直流充电桩的接入方式如图4所示。由图4可知，在满足变压器容量的前提下，各直流充电桩通过线路汇聚至10 kV变压器低压侧母线，多台10 kV变压器通过线路接入110 kV变压器的低压侧母线，该母线即为电动汽车接入系统的公共连接点。需要说明的是，图4中10 kV侧只显示了直流充电桩，实际上10 kV母线侧仍接有一部分用户负荷，图中未予显示。

4.2 直流充电桩接入后谐波及其允许值计算

针对图4所示的系统，计算分析电动汽车直流充电桩接入后谐波及其允许值。考虑直流充电桩接入系统后的协议容量为充电桩额定充电容量之和；公共连接点的总供电容量，即上一级110 kV主变容量，取50 MVA。经过对江苏某电网10 kV侧进行短路计算，电动汽车充电桩接入的公共连接点最小短路容量取为89.6 MVA。根据式（1），考虑公共连接点的最小短路容量后允许用户注入的各次谐波电流的允许值如表4所示。

表4 折算后公共连接点各次谐波允许值

一方面接入系统的电动汽车充电桩数量的增加，将会带来充电桩总的用户协议容量的增大，根据3.1节的分析，用户协议容量的增大将会是谐波电流的允许值增大；另一方面，随着接入系统的电动汽车充电桩数量的增加，将会导致接入系统谐波源数量的增加，根据3.2节的分析，谐波源的增加将会导致注入系统的各次谐波电流增大。故需对电动汽车直流充电桩接入系统后产生的各次谐波以及各次谐波的允许值进行计算。

表5为某厂家生产的直流充电桩谐波监测报告数据，表中列出了单座直流充电桩的各次谐波发生量，各次谐波发生量均未考虑滤波补偿装置的作用，各次谐波电流百分数均为该次谐波电流比例最高时数值。该直流充电桩额定充电功率为120 kW。

表5 某厂家单座直流充电桩最大谐波电流百分数

根据表5中直流充电桩谐波检测实际值，结合式（4）计算得到不同数量的直流充电桩接入后注入公共连接点的谐波电流，并根据式（2）计算得到充电桩接入后谐波电流允许值。计算结果如表6所示。

由表6可知，当接入9台直流充电桩时，充电桩产生的总的谐波电流各次谐波电流值均未超过用户允许注入谐波的限额；而当接入10台直流充电桩时，充电桩产生的总的谐波电流中5次谐波超过了用户允许的注入谐波电流限值。故在上述外部电网条件下考虑谐波约束，最大允许接入的直流充电桩数量为9座。

由表6还可知，对于文中所提及的这类直流充电桩，最大允许接入充电桩的数量主要受到5次谐波的约束。进一步将5次谐波电流值及其允许值随接入电网的直流充电桩数量的变化曲线绘制于同一张图中，如图5所示。图中谐波电流实际值和允许值均已归算至公共连接点侧。

表6 电动汽车充电桩接入后谐波电流及其允许值计算结果

图5 5次谐波电流实际值和允许值

由图5可知，当接入9座直流充电桩时，5次谐波电流实际值小于允许值；当接入10座直流充电装时，5次谐波电流实际值大于允许值。这与表6中反映的5次谐波计算结果一致。

需要说明的是，由于3次谐波电流以及3次倍频谐波不能通过变压器流通［7］，故表6中公共连接点处直流充电桩产生的3次谐波以及3次倍频谐波均为0。

4.3 直流充电桩最大接入数量分析

进一步分析对应于不同供电设备容量以及节点最小短路容量下，在满足谐波要求的条件下，能够接入的最大充电桩数量。计算结果如表7所示。

表7 最大允许接入充电桩数量计算结果

由表7可知，当供电设备容量为50 MVA时，最小短路容量为88~96 MVA时，系统中允许接入的最大充电桩数量约7—21座；当供电设备容量为63 MVA时，最小短路容量为108~116 MVA时，系统中允许接入的最大充电桩数量约5—20座；当供电设备容量为80 MVA时，最小短路容量为130~138 MVA时，系统中允许接入的最大充电桩数量约7—15座。以上分析均考虑充电桩接入380 V电网并通过升压变集中接入10 kV电网。

由表7还可知，在供电设备容量一定的情况下，最小短路容量越大，则允许接入的最大直流充电桩数量越大；同等短路水平下，供电设备容量越大，则允许接入的最大直流充电桩数量越小。这与第3节中分析的结论一致。

需要说明的是，上述计算结果只是针对某厂家生产的特定直流充电桩谐波测试数据进行分析得到的结果，对于其他类型的特定直流充电桩接入系统后对电网谐波的影响可根据文中所提的方法另作分析。

5 结束语

本文依据国家标准分析了电动汽车直流充电桩接入系统后对电网谐波的影响，分析了谐波允许值随公共连接点最小短路容量、供电设备容量以及用户协议容量的变化规律。针对某一特定的电动汽车直流充电桩分析了充电桩接入后对电网谐波带来的影响，针对不同影响因素测算了允许接入的最大直流充电桩数量。文中提出的计算思路和计算方法对考虑谐波约束下电动汽车充电桩的合理配置具有指导意义。D

［1］ 康继光，卫振林，程丹明，等．电动汽车充电模式与充电站建设研究［J］.电力需求侧管理，2009，11（5）：64-66．

［2］ 黄少芳.电动汽车充电机（站）谐波问题的研究［D］．北京：北京交通大学，2008．

［3］ 王建.电动汽车充电对电网的影响及有序充电研究［D］.济南：山东大学，2013．

［4］ 张谦，韩维健，俞集辉，等.电动汽车充电站仿真模型及其对电网谐波影响［J］.电工技术学报，2012，27（2）：159-164．

［5］ 黄梅，黄少芳.电动汽车充电机谐波的工程计算方法［J］.电网技术，2008，32（20）:20-23.

［6］ GB/T 14549—1993，电能质量 公用电网谐波［S］．

［7］ 胡虔生，胡敏强.电机学［M］.第二版.北京：中国电力出版社，2009．

Study on the impact of electric vehicle DC chargers on power grid harmonics

GUAN Yong⁃gao,NIU Tao,NI Pan⁃pan

（Jiangsu Power Design Institute CO.,Ltd.China Energy Engineering Group,Nanjing 211102,China）

介绍国家相关标准中对于电网谐波的要求和计算方法，对电网谐波的影响因素进行说明。结合某厂家生产的电动汽车直流充电桩谐波监测数据，对直流充电桩接入电网后产生的谐波进行了分析。针对不同的公共连接点最小短路容量和供电容量，研究了允许接入电网的最大直流充电桩数量，为电动汽车充电桩规模的合理配置提供了相应的理论依据。

电动汽车；直流充电桩；谐波；供电容量；最小短路容量；协议容量

To study the impact of electric vehicle DC chargers on the power grid harmonics,the influence factors of grid harmonics are discussed,according to the national standard.With the observed data of a specific DC charger,the harmonic current is analyzed when the DC chargers were integrated into the power grid.The maxi⁃mum number of DC chargers is studied,taking the different mini⁃mum short circuit capacity and power supply capacity of points of common coupling into account.This work provides theoretical basis for the configuration of electric vehicle DC chargers.

electric vehicle;DC charger;harmonic;power supply capacity;minimum short circuit capacity;protocol capacity

TM712.3

B

1009-1831（2017）03-0010-05

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.003

2016-11-07；

2017-01-06