电动汽车接入电网对电能质量的影响综述

电动汽车接入电网对电能质量的影响综述对比传统燃油汽车，电动汽车具有高效、无污染、节能和环保等一系列优点。

且随着电动汽车的示范运行，电动汽车正在飞速发展。

然而大规模电动汽车的出现将引起电力负荷的增加，影响电力系统的平衡，进一步影响电能质量。

文章对电动汽车的研究现状做了分析，总结了目前电动汽车接入电网时，对其产生电压不稳定、谐波、功率损耗增加以及电力设备过载等一些电能质量问题。

更进一步地，提出了电动汽车目前存在的问题，以及该技术的研究方向。

标签：电动汽车；电能质量问题；电压不稳定性；谐波；功率损耗近年来全球资源危机在不断加深，石油资源在日益枯竭，大气污染也在加重，不仅如此，全球气温也渐渐在日趋上升。

采用电能代替传统的石油，能够减弱温室气体的排放量[1]。

各国政府对于电动汽车的发展也越来越重视，美国的能源部也已经设立20亿美元资金对下一代纯电动汽车需要的技术和部件进行支持。

目前，纯电动汽车也已正式进入中国市场。

本文根据国内外对电动汽车产业发展以来产生的影响，进行了一系列的研究，总结了现在电动汽车充电会对电能质量造成的影响，比如：电压不稳定性、谐波、功率损耗增加以及变压器过载等。

进一步地，提出了电动汽车目前存在的问题，以及该技术的研究方向。

1.电能质量的影响因素电动汽车充电对电能质量的影响因素主要包括电动汽车的电池技术及电动汽车的充电设施。

这些因素都在一定程度上增大电网的负荷，影响电能质量。

1.1 电池技术目前的快速充电技术解决了充电效率问题，使得电动汽车的充电变得越来越快。

但是对于传统锂电池来说，实现快速充电的时候会产生大量热量，这是目前存在的一个最大困难，这对电池寿命有着较大影响。

StoreDot公司为了让电池的电阻变小，进而改变电池的内部结构和材料属性。

这样就能保证在充电的时候电池产生非常少的热量，这就在很大程度上提高了充电速度，同时也进一步提高了电池的寿命。

太阳能充电技术在电动汽车上也得到了应用，为汽车的电气设备进行充电。

这些电池技術的提高将会加大电动汽车的发展，对电网的影响也比较大。

再有就是采用固态电池，它利用了固体电极和固体电解液这两种。

由于固态电池的功率重量比较高，使用固态电池，电量可以提升超过30%。

此外固态电池还有安全性更高和使用寿命更长的特点。

一旦固态电池技术发展成熟，纯电动汽车将会发展将更为迅猛。

1.2 充电设施电动汽车行业处于产业爆发的前夜，充电便利程度是关键所在。

中国已经是充电基础设施发展最快的国家。

据充电联盟和公开数据整理统计，2016年底，我国公共类充电桩建设、运营数量超过15万个，保有量全球第一。

12月11日，中国充电联盟官方发布，截至2017年11月，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩204729个，其中交流充电桩81734个、直流充电桩56936个、交直流一体充电桩66059个。

并且根据《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》规划的要求，截止到2020年，中国将会重新增加集中式充换电站，其数量将会超过1.2万座，分散式充电桩将会超过480万个。

充电设施数量的快速增长，使得电动汽车接人电网的数量增大，将会加重电网的负担，影响电能质量。

2.电动汽车接入电网对电能质量的影响电动汽车在电网中的大量渗透会影响电网供应质量。

本小节介绍了电动车对现有电能质量的不利影响，如电压不稳定性、功率损耗增加、电力设备过载等。

2.1 电压不稳定性高赐威等[13]发现影响电动汽车产业发展的因素有很多，其中影响比较大的因素是电动汽车技术的发展水平。

当电动汽车的技术非常成熟并且价格不高时，电动汽车的销售量较高。

当某一刻大规电动汽车接入电网时，由于电力系统电力需求过大而接近稳定极限，导致电压不稳定，从而发生停电故障。

在电压不稳定性方面，不同的负载特性也在其中起着至关重要的作用。

稳定运行的电网是确保用户得到可靠供电的关键。

电动汽车的负载特性与传统家庭或工业负载有所不同[14-16]。

特别地，电动汽车的负载特性本质上是非线性的，并且在短时间内需要大量的电力来对电动汽车电池进行完全充电。

Dharmakeerthi等[17]研究了电动汽车负载对电力系统电压稳定性的影响。

Xiong等[18]利用时空旅行模式，在openDSS软件中对电力系统进行建模处理，并在IEEE 39节点测试馈线系统上进行仿真。

研究表明，电动汽车大量渗透的高充电水平会导致电网电压不稳定。

电压骤降也是电压不稳定的一个方面。

所述的电压骤降不是电源的完全中断，是在0.5循环至1分钟时将功率频率下的电池管理系统（battery management system，RMS）电压降低。

配电网中的电压骤降通常是由于电动机的短路、过载或者起动。

Lee等[19]使用电磁暂态程序对电动汽车充电器和功率转换器进行建模。

研究表明，电压下降幅度超过了电动汽车渗透率极限的20%。

Tie等[20]通过考虑不同的充电情况和穿透水平来研究电压骤降。

研究结果表明，现有的配电网络可以在不受控制和控制充电的IO%和60%的电动汽车渗透率水平下安全运行，且对配电系统电压没有任何不利影响。

2.2 功率损耗用户行为是影响电动汽车功率损耗的关键因素，具有随机性。

用户充电时间越集中，电网需提供的充电功率越大，当充电功率达到一定程度将会加重电网负担，进而会增加电力损失。

电动汽车的大量渗透可能影响配电网络，增加电力损失。

分配系统馈线中的功率损耗如公式（3）：（3）其中，Ri是馈线i的电阻，NB是配电系统的馈线数量。

Papadopoulos等[31]基于电动汽车用户的数据，利用概率方法，得出电动汽车的高渗透性将增加电力损失的结论。

Pieltain等[32]认为无论电动汽车的到达时间和充电模式如何，试验模拟了非高峰时段的85%电动汽车充电模式，其余电动车在高峰时段充电。

研究结果表明，当60%的电动汽车处于充电式时，非高峰时段的能量损失可以高达40%。

Deilami等[33]研究表明大量电动汽车接人电网会增加了电力系统的功率损耗。

不协调的充电可能导致更大的功率损耗和不可预料的电压偏差。

Nyns等[34]提出了一种基于协调充电的目标函数来降低系统功率损耗，引入随机规划以获得最佳解决方案。

协调一致的收费策略能大大减少电力系统的损失，均匀分布的充电也可减少功率损耗。

2.3 电力设备过载当大量电动汽车接人电网进行充电时，现有的电能容量和输电设施明显不能提供足够的需求，大电流使得输电线路难以输送所需的能量，从而使得其他电力设备受到一定程度的影响。

其中影响最大的是变压器，会出现变压器过载现象。

电动汽车在配电网络中的广泛渗透对配电变压器造成了额外的压力。

Qian 等[35]对英国的通用低压配电模型和实际负载需求进行了测试。

结果表明，变压器寿命预期主要取决于环境温度、电动汽车渗透水平和充电开始时间，而10%以下电动汽车渗透率对变压器寿命没有不利影响。

Razeghi等pq研究表明，1级慢速充电对变压器寿命的影响可以忽略不计。

而由于温度过高，电动汽车的二次充电的高渗透性会导致变压器故障。

Comez等[37]提出了一种电动汽车模型来测量谐波对配电变压器寿命的影响。

研究表明，在大负载和高温这两个因素方面，直接连接的充电方案对于变压器的寿命可能是有害的。

作者建议将THD限制在25-30%，以改善变压器的运行。

电动汽车集成到配电网络可能会增加变压器负載。

因此，适当选择变压器、网络规划和负载管理对降低电动汽车的不利影响至关重要。

智能计量方法能够保持更好的电源质量，降低配电网中的THD，提高变压器寿命。

且采用K因子降额法来减小变压器的工作功率，从而提高变压器寿命[38]。

3.总结综上所述，电动汽车在其充电的过程中，会对电能质量产生一些影响，而我们在这方面已经有了较为成熟的研究。

但是电动汽车在某些方面仍然存在着一些问题。

1）电动汽车充电时，其作为负载接入电网，当电动汽车的数量越来越多，对节点电压来说，它的稳定性就会发生较大改变，甚至也会生电压崩溃的现象。

因此，要采取适当的控制措施使电动汽车接入电网时的节点电压不再逐渐降低，保持在一个合适的范围内，使得系统损耗减少，以此来增加节点电压的稳定性和提高电网运行的稳定程度。

2）电动汽车充电机含有大量的电力电子元件，当电动汽车进行充电时，非线性元件就会产生谐波电流，从而产生电能质量问题，不但产生了谐波污染，而且会造成电网功率因数的下降。

在装设谐波抑制装置时，要考虑谐波电流相互抵消的现象，从而来减少装置的容量。

有源滤波器能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，但是目前仅应用到低压有源滤波技术，随着容量的不断增加，该技术需要进一步提高。

3）在充电设施建设方面，电力接入周期长和成本高，充电桩工作谐波很大，对电网冲击很强，也就是说，充电桩在使用时会产生高负荷需求，在闲置时则没有任何负荷，这对传统电网提出了极大的挑战；另外，随着充电基础设施的发展，其在运营服务这方面也出现了一些问题，比如说：主体不确定性，收费模式较为不合理，没有建立完善的商业营销方式等。

从长远来看，这些问题都需要进步一讨论和解决。

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