电动汽车充电站电能质量采集与分析研究

尹卿，石立民，刘树军，温学峰，王坤

(内蒙古电力(集团)有限责任公司， 锡林郭勒电业局， 内蒙古， 锡林浩特 026000)

0 引言

目前电动汽车充电站和充电桩之间的电能质量存在一定差异，影响电动汽车的使用寿命[1-2]。在国外，电能质量问题最早提出于电网的运行，将电能质量的评估分为电压、电流、供电、用电等4个方面，即电力运作时所产生的发电、输电、供电三个过程，并对比实际电压与理想电压的偏差，判断电能质量。

随着对电能质量研究的不断深入，目前该领域已经广泛应用电动汽车充电站电能质量检测设备，如Fluke430系列、1760系列。采用3G和VNP技术采集电量，加快电能质量数据采集和传输[3-6]。在国内，对于电能质量数据采集和分析研究虽然晚于国外，但是目前已经取得了一定的研究成果，如PITE3561便携式三相电能质量分析仪、GKDN800型电能质量在线监测装置；采用GPRS终端与PC机相结合方式采集电能质量数据，缩短接入时间、提高传输速度和增加网络覆盖范围[7-10]。

在上述研究成果的应用中，电能采集的准确性不够理想，为此提出电动汽车充电站电能质量采集的优化方法。

1 电动汽车充电站电能质量采集与分析

1.1 确定电能质量采集标准准则

(1) 供电电压

充电站为电动汽车充电时，会产生电力负荷变化，此时，充电站的有功功率和无功功率处于动态平衡状态，电压存在一定范围的波动，即充电站给电动汽车充电时，所产生的供电电压允许偏差。

因此，设电压偏差为ΔU；充电站给电动汽车充电时所产生的实际电压为U实；电源的输出电压上限，即标称电压为U标称，则有：

(1)

此时，即可根据式(1)，确定电压偏差限值，如表1所示。

表1 电压偏差限值表

(2) 频率

设频率偏差为Δf；充电站给电动汽车充电时，所产生的实际频率为f实；电源的输出频率上限，即标称频率为f标称，则有：

Δf=f实-f标称

(2)

(3) 三相电压

设三相不平衡度为ε;负序分量有效值(V)为U2;正序分量有效值(V)为U1;零序分量有效值(V)为U0，则有：

(3)

此时，式(3)得到的是电压不平衡度，即三相电压限值。将负序分量有效值(V)U2、正序分量有效值(V)U1、零序分量有效值(V)U0，替换成电流负序分量有效值(A)I2、正序分量有效值(A)I1、零序分量有效值(A)I0，并将I2、I1和I0代入式(3)，则可得电流不平衡度如式(4)：

(4)

(4) 电压波动

由于目前充电站在为电动汽车充电时，会产生一种冲击性负荷，增加电压波动程度，导致充电过程不稳定，需确定电压波动限值。设电压波动限值为d，电压变化中的相邻最大值为Umax，最小值为Umin，变电站的标准电压为U标准，则有：

(5)

(5) 充电站供电时产生的谐波

充电站所安装的换流、变频等装置设备，会导致电压发生畸变，产生谐波，降低充电站电能质量[13]。因此设周期性电压为u；谐波次数为h，即h=1,2,3,4…；h次谐波的分量电压有效值为Uh；基波角频率为ω1；周期性电流为i，则有：

(6)

式中，t表示时间周期,Ih表示h次谐波的分量电流有效值,αh和βh表示h次谐波的初相和终相。此时，根据式(6)的计算结果，计算第h次电压谐波含有率Ph、谐波电压含量Hh和谐波电压总畸变率Dh：

(7)

1.2 电动汽车充电站电能质量采集与分析

根据上述式(1)～式(7)得到，如表1～表4所示的电能质量采集分析标准准则，采集分析电能质量，即采集分析电能中各基础信号，与电能质量采集分析标准准则进行对比，进而判断电能质量[14-15]。因此,采集分析电能质量，即采集分析电能质量信号数据。

假设电能质量信号数据，在[0，T]区间上，可以采用傅里叶级数表示电能质量信号数据条件函数x(t)，则有：

(8)

(9)

xn(t)=a0+a1(t-tn)+a2(t-tn)2

(10)

式中，a0、a1、a2分别为各项的泰勒系数。

此时，将式(10)代入式(9)，则有：

(11)

式(11)为电能质量信号数据最终采集分析公式。根据式(11)采集分析的电能质量数据，将其信号数据代入相适应的电压、频率、三相电压、电压波动、充电站供电时产生的谐波等5个方面中，即可进行电动汽车充电站电能质量采集分析。此次采集分析电动汽车充电站电能质量，从电能质量采集分析标准准则入手，采集分析电能质量。

2 实验结果与分析

选择某区域的电动汽车充电站作为此次电动汽车充电站电能质量采集分析方法验证的实验对象，设计实验并分析实验结果。将此次研究的电动汽车充电站电能质量采集分析方法作为实验A组，文献[3]和文献[4]方法作为实验B组和实验C组。

为了验证所提方法的有效性，需要比较不同方法在不同扰动信号下的电能采集定位时间，具体的比较结果如表2所示。

表2 不同方法在不同扰动时刻下的采集耗时结果

分析表2可知，所提方法的采集时间明显低于其他2种方法，并且针对不同的扰动类型，所提方法的电能质量采集效率明显较高。

根据电动汽车充电站电能质量采集分析方法的特点，在同一电流点分析电动汽车充电站电能质量电流有效值，比较3种电动汽车充电站电能质量采集分析方法与对照组存在的相对误差。

实验过程中，电流标准源输出额定电压为220 V，额定频率为50 Hz，选取0.15 A、1.50 A、6.00 A三个电流点进行分析，其电流有效值分析结果，如表3所示。

表3 电流有效值分析结果

从表3中可以看出，此次研究的电动汽车充电站电能质量采集分析方法，可准确分析电动汽车充电站，电能质量电流有效值，且分析结果更精准。

3 总结

综上所述，此次提出的电动汽车充电站电能质量采集与分析方法具有有效性。但是此次的电动汽车充电站电能质量采集与分析研究，未考虑电压波动过程中产生的闪变值，采集分析电能质量时，可能存在的电能信号干扰等问题。

因此在今后的研究中，需计算电压波动的闪变值，分析充电站为电动汽车充电时，可能对电能质量采集分析，存在的信号干扰，提高电动汽车充电站电能质量采集分析的精度。