光伏充电站模型与谐波研究

罗为,姚希(1.南京理工大学 紫金学院，江苏 南京　210046; 2.上海电气集团，上海　200245)

0　引　言

光伏充电站指含有太阳能光伏电源与充电站负荷的微电网系统。太阳能光伏发电作为一种前沿的电能生产技术，以其特有的污染小、噪音低、维护简单等优点日益得到人们的关注[1]。由于电动汽车对环境影响相对传统汽车较小，其前景也被广泛看好。由于光伏电源以及充电桩都是非线性设备，所以当它们各自进行或组合运转时，都可能会产生大量的谐波从而影响电能质量。

目前，国内外的研究已经关注光伏发电与电动汽车充电桩对电能质量产生的影响[2-4]，而对光伏电源与充电桩组合系统的电能质量分析与综合治理的研究较少。本文除了研究二者各自影响，还通过建模对二者的组合系统即光伏充电站的电能质量问题及谐波治理措施进行探讨。

1　光伏发电系统模型与仿真

光伏发电系统是指利用半导体的光生伏特效应进行光电转换的过程。光伏发电系统包括将太阳能转化为电能的光伏阵列模块、含最大功率跟踪(MPPT)功能的DC/DC升压模块、逆变器模块[5-6]。根据各个模块的结构建立MATLAB仿真模型分别如图1～图3所示。

将光伏发电系统接入负载，模型如图4所示，电网电压仿真结果如图5所示。

从图5可以看出，此时谐波率较高，波形有比较明显的失真。

2　充电站模型与仿真

根据充电桩等效电路图[7-8]建立MATLAB模型如图6所示，将五台相同的充电桩组成充电站，接入电网模型如图7所示。对图7所示的模型进行仿真分析，得到交流电流波形如图8所示。

从图8可以看出，充电站波形也发生了畸变，不符合国家标准，仍然需要改善。

3　交流充电方式下光伏充电站系统模型与仿真

光伏发电系统发出的直流电逆变为交流电之后再对充电站进行充电为交流光伏充电站，模型如图9所示。

对图9所示的模型进行仿真，交流电流波形如图10所示。可以看出三相波形畸变得非常严重。由此可见，不同非线性设备组合而成的系统所产生的谐波污染会比它们各自单独运行时所产生的污染严重得多，这样的系统一旦并入外部的主体电网必然会产生严重的电能质量问题。

图1　光伏阵列仿真模型

图3　三相SPWM逆变电路仿真模型

图4　并网光伏发电系统仿真模型

图5　电网侧输出电压波形图

图6　单台充电桩模型

图7　充电站接入电网模型

图8　充电站交流电流波形及谐波

图9　交流光伏充电站模型

图10　 交流充电站电流波形

4　谐波改善

4.1　加装滤波器

系统谐波过大，加装滤波器是一种首先想到的措施。分别对充电桩未加滤波器和加装滤波器的模型进行仿真(加装滤波器后的模型如图11所示)。

图11　接入滤波器的单台充电桩仿真模型

滤波前后的三相电流和电压波形，如图12～图13所示。通过对比发现，滤波器可以有效地滤除交流电中的谐波电流，大大降低了电流的畸变率，使得电流和电压的波形均恢复至较为完美的正弦波。

图12　未加滤波器的电压和电流波形

图13　加入滤波器之后电压和电流波形

4.2　直流充电方式下光伏充电站模型与仿真

图14　直流光伏充电站模型

除了出现谐波后的补救措施，是否能从源头上减少对电网的谐波污染呢？可以尝试利用光伏发电系统发出稳定的直流电直接给充电桩、站充电的方式，此种方式的模型如图14所示。

此时的光伏发电系统发出稳定的直流电直接对充电站进行充电，单独组成了一个一体化的稳定的微电网系统。因为这种微电网系统可以实现自发电、充电，独立于大电网之外，所以尽管作为电源的PV阵列和作为负载的充电桩都会产生谐波，但是不会对外部的大电网产生影响。从源头上减少了对电网的冲击，从而减少了电网谐波源。因此应该优先选用直流光伏发电站，当光伏发电不足再考虑从电网对充电站进行充电。

5　结束语

无论是光伏发电系统还是充电站负荷，接入电网都会产生一定的谐波，而交流充电方式的光伏充电站接入电力系统对电网产生的谐波影响更为严重，因此需要考虑光伏充电系统的谐波改善问题。加装滤波器是一种改善谐波的有效方式，但是相对于后期改善，采用直流充电方式的光伏充电站，则能从源头上减少了对电网的冲击，应该作为优先之选。本文研究给大力发展的光伏与充电桩行业的发展方向探索提供广阔的思路与有益的技术支撑。

参考文献：

[1] 邵翠平．太阳能光伏发电发展现状及前景 [J].农业与技术，2015，35(23)：168-170.

[2] 陈炜，艾欣，吴涛，等． 光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J]．电力自动化设备，2013，33(2) : 26-32．

[3] 朱小燕，王群京.电动汽车充电站的谐波分析与抑制[J].现代电子技术，2012，35 (18):179-181.

[4] 杜学龙，刘志珍．电动汽车充电站谐波抑制方法的对比分析[J].电力系统保护与控制，2012，40(19)：139-143.

[5] 赵争鸣，雷一，贺凡波，等．大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化，2011，35(12) : 101-107．

[6] 蒋拯．基于MATLAB/Simulink的三相光伏发电并网系统的仿真[J]．电网与清洁能源,2013，29(10)：59-62．

[7] 袁洁，王耀南．电动汽车充放电系统的单相三电平整流器研究[J]. 电气自动化，2014，36(1)：33-35.

[8] YANG SHICHUN, ZHAO QIAN, TANG TIEQIAO. Modeling electric vehicle’s following behavior and numerical tests[J]. J.Cent.South Univ,2014(21):4378-4385.