电动汽车充电站对电力系统的影响

李红

摘 要：目前，随着电动汽车渗透率的不断提高，不加管理的自由充放电给电网带来了威胁。如变压器过载、网损增加、谐波危害等，可以采用相应的控制和调度策略来消除和抑制，本文重点阐述各次谐波对电力系统造成的危害。

关键字：谐波；电力系统；电压频率

传统化石能源的大量使用造成严重的环境污染，各国出台相应政策鼓励使用无污染的新能源，电动车在我国内获得了突飞猛进的发展。纯电动汽车由于自身不排放任何气体，并且具有调峰填谷的特性，提高了能源的利用率，受到了高度的重视。纯电动汽车近几年在政府的政策鼓励下推广的非常快，各大省市都相应推出了电动汽车推广的鼓励方案。电动汽车数量的暴增，随之而来电动汽车充电就成为一个首要解决的关键问题，国家对此也出台相关政策支持建设大量的充电站。充电站进行充电会对电力系统产生谐波影响，与之而来的就是如何抑制谐波影响。

公用电网中通常会接入各种电力电子装置等非线性负载，这些负载产生了周期性的非正弦波电量，将这些电量进行傅里叶分析，可得到与其电网电压频率相同的基波分量、以及整数倍电网电压频率的分量，后者被称为谐波。各次谐波会对电力系统造成一定的危害，这些主要表现在：

1.大量包含谐波的尖峰脉冲电流进入市电，将污染市电电网，干扰接在电网上的其它电器设备的正常使用，例如影响晶闸管设备的稳定运行。另外，谐波会加速电容器的绝缘老化和介质损失，也容易使电网和用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振，从而造成过电压或过电流的现象，轻则使电容器绝缘老化、损坏电容器，重则可能发生爆炸，引起严重事故；

2.对邻近并行的用电系统产生干扰，增大信号误差和计算机误码率，直接影响系统的质量和可靠性，严重时会导致无法正常工作。特别是谐波会对临近的一些通信系统产生干扰，轻则会产生噪声，从而使通信的质量降低，重则可能会导致信息丢失，影响正常通信。而对电能计量的影响，由于传统的测量表计都是以固定频率50～60Hz为标准标定的，对频率的变化反应不灵敏，但谐波电流会影响电能计量，增大计量的负误差，当电网中存在较多的5次谐波时，电能表负误差为6%～8%，11次谐波时电能表负误差在10%左右；

3.市电电网对电源采用三相四线制供电时，中线流过的3次谐波电流很大，极易使中线过热，严重时会引起火灾，造成巨大危害，同时，中线和相线之间的电压也在发生变化，这样既增大了电力系统的电能损耗，也使整个系统存在安全隐患；

4.由于输入的尖峰脉冲电流的有效值大，增大了交流供电的视在功率，增加了滤波器等前级设备的功率容量，迫使用户必须选取更大的配电线截面积、以及保护装置和滤波器容量，从而增加了设备成本，这将增加设备基建投资；

5.使电源输入功率因数下降。如果电流总的谐波畸变率（THD）为80%～100%，则输入功率因数将只有0.5～0.6；

6.增大了电力系统的功率损耗，易使电网中的一些元件产生附加的谐波损耗，例如使电动机的附加损耗和发热量增加，而过载能力、使用寿命和效率却降低，也会导致脉动转矩。除此之外，谐波还会降低发电、输电环节和各用电设备的效率。若谐波电流流过三角形连接的配电变压器，会在三角形内部进行循环流动，可能会导致导线过热，导致安全隐患；

7.由于存在谐波电流和谐波电压，电力系统中过电流、过电压和欠电压等保护装置可能会产生错误的报警、甚至跳闸；

8.谐波电流在输电线路上的电压降会使用户端的电压波形发生严重的畸变，可能影响电气设备的正常工作。

因此，为了限制入网的各种电力电子装置的谐波含量及无功功率损耗、并保护公共电网不受谐波“污染”，自20世纪70年代开始，世界各国和有关国际组织相继制订了行业的谐波标准，禁止或限制谐波和无功污染大的电力电子设备投入使用。如1975年欧洲制定了EN50006标准，并在1982年由德国进一步发展为IEC555-2标准，美国于1981年发表了IEEE519手册，我国国家技术监督局也在1994年颁布了《电能质量公用电网谐波标准》（GB/T14549-93）。近年来，这些标准不断被补充和修订，对电力电子装置的谐波和功率因数问题提出了越来越高的要求，限定日益严格，如欧洲制定的IEC1000-3-2标准等。1996年，国际电工委员会专门修订了IEC555-2，以便对中小功率等级的直流高频开关变换器谐波含量和功率因数等指标严格加以限制，对其波形失真度作了具体的规定，例如，其中对于三相线电压为380伏、功率在1KW以上的开关变换器，其交流输入端的谐波电流限制为：5次谐波电流为1.14A，7次谐波电流为0.77A，11次谐波电流为0.33A，13次谐波电流为0.21A，对不满足谐波和功率因数指标的高频开关变换器，将不允许进入一些国家和地区。

国内很多研究人员通过建模和仿真研究充电站对电网造成谐波污染的问题 [15-18，24-25] 。在 Matlab/Simulink 平台上搭建充电机 （ 站 ） 的仿真模型，通过实测和理论验证研究影响充电机 （ 站 ） 谐波大小的因素。文献 [18] 利用商用电动汽车充电机收集的数据对谐波电流进行计算，再利用概率统计学大数定律和中心极限定理，建立多谐波源谐波分析数学模型，研究多个电动汽车充电机产生的谐波电流及其概率特性。产生諧波污染的原因，并指出谐波污染会使测量仪表不准确、易损坏大容量电容器、使电力导线过热以及使保护装置误报警等，该文同时提出使用新式充电设备，并在电力系统中使用滤波器，协调每个充电站充电器数量，解决谐波污染问题。

针对充电设备带来的谐波污染等问题，可以总结出以下对策： 1 ）贯彻执行与谐波相关的国家标准，从总体上控制供电系统谐波水平。 2 ）增加换流装置的相数，换流装置是主要的谐波源之一，当脉动数由 6 增加到 12 时，可以大大降低谐波电流有效值。 3 ）增装无功补偿装置，提高系统承受谐波的能力。 4 ）加装滤波装置。对谐波污染可采用就地治理的办法，在充电站 （ 机 ） 就地完成谐波治理工作，未来的充电站建设可能越来越多地应用绿色充电机 （ 充电过程中能够有效抑制谐波且功率因数较高的充电机 ） 治理谐波。武汉电动汽车示范运营公司建成的绿色充电系统采用集中充电方式，充电模块主要由功率因素校正、直流转直流 （DC/DC）2 大功能电路组成，该系统采用电流平均值控制法，采用较高功率因数的Boost 单相功率因数校正电路，使功率更大，使功率因数大于 0.92 ，使谐波畸变率小于 5% 。

目前，我国电动汽车产业步入快速发展期，大量电动汽车的充电行为将给电网带来较大影响，而电动汽车的储能特性也将为电力系统的安全经济运行提供新的机遇。电动汽车充电对电网的影响受电动汽车商业发展模式的影响巨大，当前仍存在较大的不确定性；从负荷平衡的角度来看，电动汽车使用和充电的时间特性具有削峰填谷的功能，因此对输电网影响不大，而电动汽车充电的群聚效应对配网局部将产生较大的影响，这方面仍有待深入研究。

参考文献

[1]吴竟昌，孙树勤，宋文男，曲涛等编.电力系统谐波.北京：水利电力出版社，1988

[2]唐统一，吴震春，孙树勤译.电力系统谐波.徐州：中国矿业大学出版社，1991

[3]陆廷信编.供电系统中的谐波分析测量及抑制.北京：机械工业出版社，1990endprint