电动汽车充电站建模与谐波分析

[技术应用]电动汽车充电机(站)建模与谐波分析 (1)

2009-03-02 14:37:40 作者：黄少芳黄梅万航羽来源：赛尔电气应用总第78期

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电动汽车（EV）充电机为非线性负荷，会产生谐波，对电网是一种污染。在建设充电站前，有必要对充电站接入电力系统的谐波进行仿真预测，以决定是否配置谐波抑制和无功补偿设备。本文利用某一型号充电机参数建立充电机（站）的MATLAB仿真模型，然后采用快速傅立叶变换（FFT）对仿真数据进行谐波分析，结果表明所建充电机（站）接入系统运行能够满足国家谐波标准。该研究方法同样适用于其他类型、规模的充电机（站）接入电力系统的谐波分析。

关键字：电动汽车充电机[1篇] 充电站[5篇] 谐波分析[2篇]

2006年至今，国际油价跌宕起伏，整体走势向上，不可预测的政治因素对国际油价影响越来越大，导致各国政府都非常重视其能源政策和战略，纷纷采取措施寻求和开发各种新能源和可再生能源，同时注重提高能源效率和节约能源，以保障本国的能源安全。节能、环保、缓解能源危机、改善人类生存环境是汽车工业可持续发展面临的首要问题，也是其发展的方向。传统汽车消耗了大量优质紧缺的石油天然气，这使电动汽车成为解决我国石油能源短缺的根本出路。以电动汽车为代表，大力促进其发展，有助于实现交通能源的多元化并维护国家的能源安全。

电动汽车需要通过充电机补充电能。采用电力电子技术的充电机是一种非线性设备，会产生谐波电流，对公用电网是一种污染。因此，在建设充电站前，有必要对充电站注入电力系统的谐波进行仿真预测，判断是否满足国家标准

GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的要求，决定是否配置相应的谐波抑制和无功功率补偿设备。

本文直接针对“电动汽车充电机（站）规范研究”科研课题，根据某一型号充电机参数及北京西黄庄电动汽车示范站的运行数据，利用Matlab搭建充电机（站）的仿真模型，对充电机（站）接入电力系统的谐波进行了仿真分析，为充电机（站）的建设提供参考。

1 充电机（站）仿真模型

首先根据某一型号充电机搭建单台充电机的仿真模型，在此基础上搭建充电机（站）的MATLAB仿真模型。

1.1 充电机仿真模型

电动汽车充电机（站）采用的大功率高频充电机的一般结构框图如图1所示，由三相桥式不可控整流电路对输入三相交流电进行整流，滤波后为高频DC-DC 功率变换电路提供直流输入，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为车用动力蓄电池充电。

图1 高频充电机的一般结构框图

相对于工频周期来说，动力蓄电池充电过程所需时间很长，则在一个至几个工频周期内，都可以认为充电机的输出电流和输出电压是恒定的直流，即认为图1中的I

、U0均为常数。这样，高频功率变换电路工作于恒功率状态，当输入电

压升高时，输入电流必须相应的降低。因此在工频范围内，可以用一个非线性电阻RC来近似模拟高频功率变换电路的等效输入阻抗，并且可以取得较好的近似效果。电阻可以近似表示为

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式中η——充电机效率

U B——功率变换电路的输入电压，单位V；

I I——功率变换电路的输入电流，单位A；

U O——功率变换电路的输出电压，单位V；

I O——功率变换电路的输出电流，单位A。

从而，高频充电机的等效模型如图2中所示。其中，R f为线路及电感L f等的等效电阻，电阻值一般较小，可忽略不计。仿真采用15kW的某型号充电机，它的输出功率P0随动力蓄电池充电过程而变化（见图3），根据公式（1）可知，R C 也随着动力蓄电池充电过程而发生变化，如图4所示。

图2 充电机等效模型

图3 充电机输出功率P0曲线

图4 充电过程中RC变化曲线1.2 充电站仿真模型

在本文仿真算例中，充电（机）站公共连接点（PCC）处电压等级为10kV，通过10/0.4kV变压器降为0.4kV，给充电机提供电能。其中变压器采用Dyn11接线组别的配电变压器。假设充电机（站）多台充电机处于相同工作状态，在Matlab/Simulink环境下建立充电机（站）的仿真模型，如图5所示。

图5 充电机（站）的仿真模型

仿真采用某城市拟建充电站的设计数据如下：

（1）充电机功率。考虑到充电机成本，充电站配置15kW的充电机。

（2）充电机台数。拟建充电站充电车辆有8台大型车辆、24台中型车辆、15台小型车辆。每辆大型车需要2台充电机并联充电，共需16台；每辆中型车需要2台充电机并联充电，共需48台；每辆小型车需要1台充电机充电，共需15台。如果48辆车都需要充电，并且要充分利用低电价时段，则充电站可采取先充满所有中型车（48台充电机同时工作）、再充小型车和大型车（31台充电机同时工作）的充电顺序。这样，整个充电站只需配置48台充电机。

（3）变压器容量。充电机（站）配电系统容量应包括动力用电、监控和办公等用电。变压器容量SN应考虑单台运行时，能满足全部用电设备的计算负荷SC，并且留有一定的容量裕度。最终单台变压器容量选定为1000kW，参数见表1。

表1 配电变压器的主要技术数据

2 谐波分析

根据我国公用电网谐波标准，主要对PCC处的电压电流进行谐波分析。正弦电压施加到采用三相桥式不控整流电路的充电机这样的非线性电路上时，电流变为非正弦波。非正弦电流在电网阻抗上产生压降，也会使正弦电压发生畸变，这里为了简化分析而忽略电压的畸变，认为电网电压始终为正弦波。因此主要对PCC处的电流进行谐波分析。

2.1单台充电机的谐波

通过对拟配置的15kW单台充电机的仿真分析，得出充电机其交流侧谐波组成有如下规律：

(1)谐波次数主要为6k±1次，k=1，2，3，…，即5，7，11，13，…，如图6所示；

(2)谐波次数越高，谐波幅值越小，见图6；

(3)单相电流i(t)的基波和各次谐波的有效值与输入单相电压有效值U、滤波电感L f、滤波电容C f和高频功率变换电路等效输入阻抗R C都有关；

(4)谐波与基波的关系是不固定的，负载越轻（ωR C C f越大），则谐波越大，基波越小；滤波电感越大（越大，n次谐波阻抗Zn的绝对值越大），则谐波越小，而基波越大；其中谐波阻抗为；

(5)当U、L f、C f一定时，输出功率越大，R C越小，则谐波电流有效值越大；由于在一个充电周期内电阻R C是变化的，所以电流的基波和各次谐波有效值也是变化的；

(6)整个充电过程中，单台充电机在变压器高压侧产生的电流总谐波畸变率THD i在27.13%～48.24%。