电动汽车充电站电能质量采集与分析

赵凌霄，未倩倩，李 津

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质［1，2］。而供用电系统中存在发电机、变压器和线路等非线性或不对称设备，负荷性质复杂多变［3-5］，导致了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，从而产生了电能质量的概念。

随着电动汽车的不断普及与发展，充电桩与充电站的数量也与日俱增，引入了更多的大功率充电设备，大量集中的电动汽车充电可能引起电网电能波动，造成电能质量问题，这不但影响公用电网的安全运行，还对各种电力用户的用电过程造成直接与间接的危害［6，7］，同时，恶劣的电能质量也会对电动汽车充电造成一定影响。本文通过采集国内主要城市充电站电能质量，总结分析存在的电能质量问题，探讨电能质量对电动汽车充电过程的影响。

本次电能质量的采集与分析，以电动汽车、充电桩总量多，地域分布广为考虑因素，主要对东北地区、北京地区、上海地区、南方地区等四大地区中的9个城市：北京、长春、大连、天津、上海、常州、合肥、长沙、深圳进行电能质量调查与数据采集，具有一定代表性。

1 电能质量采集分析

衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变 （谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

中国从20世纪90年代初至今， 国家技术监督局先后组织制定并颁布了6项电能质量国家标准，对电能质量的相关技术指标进行了标准化要求，详见表1。

表1 电能质量国家标准

这些标准是中国公用电网正常运行应满足的条件，给电能质量治理工作提供了参考与依据，也为电能质量调查采集数据提供了标准支撑。

电能质量测试方法如下。

基于现有的国家标准对电能质量的要求，以及对产品抗干扰性的要求，主要采集研究网侧电压、频率、电流等。此外，对单个充电桩的控制导引信号［8］（以下简称CP信号）进行了数据采样。

测试原理图如图1所示。其中，V1、I1为充电回路电压电流，V2、I2为漏电压与漏电流值，V3为检测点1的电压值，V4是检测点2的电压值。

图1 电能质量测试原理图

依据图1，搭建电能质量采集分析平台如图2所示，供电端由交流充电桩输入，经模拟充电连接回路，使充电桩能够识别车辆，建立通信，正常输出，在输出侧接800 W电阻负载，构成测试回路，用CPL波形测量仪来测量充电桩CP信号，电源波形测量仪来测量分析电能质量。

图2 电能质量采集分析平台示意图

电能质量现场测试照片如图3所示，通过采集分析平台，能够在充电过程中实时监控电能质量相关数据，并采集记录充电过程中的电能质量问题。

图3 电能质量采集分析平台

2 电能质量调研结果分析

在选定的9个测试城市中，分别依据工业区、商业区、生活区来进行分类，采集不同区域的电能质量相关数据，覆盖多种工况下的电能质量情况。通过对采集数据的分析研究，电能质量问题主要存在供电电压有效值超限、供电电压波形畸变率超限、供电电压暂降和供电电压短时中断等，以下是其中各典型电能质量问题分析。

2.1 供电电压有效值超限

如图4所示，多个充电站存在供电电压超限的问题。图4a所示充电站电压有效值始终超出标准要求，保持在237 V以上；图4b所示充电站供电电压缓慢上升，并最终上升至236 V以上；图4c所示充电站在充电桩启动时，供电电压存在骤变工况。

图4 供电电压有效值超限分析图

2.2 供电电压谐波畸变率超限

图5所示，大连某充电站供电电压谐波畸变率在5.7%～6.9%，相应的电流谐波畸变率在5.8%～7%，超出标准规定范围。

图5 供电电压谐波超限分析图

2.3 供电电压暂降

图6所示，在充电过程中，供电电压幅值突然下降至60 V，造成供电频率在49～51 Hz之间瞬间变化，并且引起电压谐波含量激增，谐波总畸变率数倍增加，如图7所示。

图6 供电电压暂降分析图

图7 供电电压谐波含量突增分析图

2.4 供电电压中断

图8所示某充电站，在充电过程中，供电电压突然中断，而后又重新启动，导致充电过程中断，谐波畸变率增加。

图8 供电电压中断分析图

2.5 CP信号波形

在各充电站电能质量测试过程中，发现充电桩CP信号也存在不符合国家标准的情况，可能与电能质量情况相关，如图9所示的CP波形中，CP信号无负电压或上升下降时间过长等，均有可能造成无法充电或充电中断等问题。

图9 CP信号波形

3 结论

通过对9个城市电能质量的调研，以及对典型数据与波形的分析，反映了存在的电能质量问题，这些电能质量问题均有可能对电动汽车充电过程造成一定影响，现简要分析如下。

1）供电电压有效值超限，可能导致充电设备误动作，出现过压保护，终止充电，严重时可能损坏充电设备。

2）供电电压谐波畸变率超限会导致充电系统功率因数降低，降低电网电能使用率；此外，可能降低充电效率，并增加连接器热损耗，带来安全隐患；电压谐波还会引起充电桩CP信号出现电压波动，甚至超出标准限值，导致车辆无法充电。

3）供电电压暂降、中断可能引起电动汽车充电部件，如车载充电机等，判断过压或欠压保护，导致误动作，继而终止充电，将导致充电过程中断，并且会对其他的设备如控制器、继电器、接触器等敏感器件造成损害。

下一步，将会基于采集分析得出的电能质量问题，在实验室进行模拟再现，进一步研究分析电能质量问题对电动汽车充电造成的影响。