电动汽车充放电对配电网造成的影响分析

电动汽车充放电对配电网造成的影响分析

发表时间：2018-06-04T10:58:35.887Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：安郁滨[导读] 摘要：现如今，能源紧缺现象在不断加剧，新型电力能源作为我国汽车行业的必备能源，在电动汽车广泛的应用过程中，并网将对电力系统规划与运转带来巨大的影响。

（国网青岛供电公司 266002）

摘要：现如今，能源紧缺现象在不断加剧，新型电力能源作为我国汽车行业的必备能源，在电动汽车广泛的应用过程中，并网将对电力系统规划与运转带来巨大的影响。本文首先对电动汽车充放电系统接入电网分析；然后从电网谐波、电网电压暂降、三相不平衡三个方面出发，论述电动汽车充放电系统并网对配电网的影响并提出相应对策。

关键词：电动汽车；电力系统；充放电模型；V2G

1 电动汽车充放电系统接入电网分析

电动汽车充电站是通过整车充电模式为电动汽车提供电能补给的站点，站内通常装备多台直流充电机和交流充电桩。根据建设地点的不同，充电站可分为平面充电站和立体充电站。平面充电站由于占地面积较大，一般建于地势相对开阔的场所；而立体充电站由于占地面积小、空间利用率高，通常建在人口密集的住宅区、商业区或立体停车库。充电站主要由充电设备、配网自动化设备、计费装置、视频及环境装置组成。其中整车直流充电机主要由计量单元、功率单元、充电插座、控制单元、读卡装置及人机交互界面等组成。一个完备的充电站包括充电系统、供电系统、监控系统及相应的配套设施。电动汽车充电设施可通过两种形式接入电网，分别为分散式充电站和集中式充电桩。若为分散式充电站，在允许接入的情况下，可就近接入电网获得电源。充电站可以分专变接入和专线接入，专变接入指的是将来自电网的高压电降压后直接供给充电站，专线接入则专门架设一条供电线路给电动汽车充电站使用，充电站内需提供一定规格的配电变压器作为充电站工作源。

电动汽车的迅速发展和批量接入电网，会给电网的安全经济运行和电能质量保障带来新的挑战，主要体现在线路过载、变压器过载、电压暂降、谐波污染、三相不平衡等方面。具体而言，首先会给充电设施附近用户的电能质量造成不利影响，导致部分家用电器不可用，影响当地居民日常生活。其次，大型充电站的建立，必须考虑到区域内配电网现有容量是否能够满足新建充电站的要求，如不能则要提前对配电网的容量进行升级。

2 电动汽车充放电系统对电网谐波的影响

2.1 产生原因及危害

谐波的含义可以理解为频率为基波整数倍的正弦波电压或电流。V2G充电站谐波产生的原因在于充电系统内部的非线性电力电子设备，产生谐波的主要环节是PWM整流环节。充放电系统产生的谐波对电网的主要危害体现在以下几个方面：（1）使电网中的器件增加了不必要的损耗，降低了输配电设备的效率。同时，会导致电流、电压波形畸变，降低功率因数。（2）影响电气设备的正常运行。如使电机零件之间摩擦产生过电压，机械振动严重，电机使用寿命大大缩短；使变压器局部温升过高，电缆消耗加速。

（3）影响自动保护装置的正常工作，造成电气测量仪表不准确。充电设施规模越大，所产生的谐波也就越多，最终将导致电网电能质量严重下降，影响电网中电气设备的正常运行。

2.2 充放电系统的谐波检测与控制方法

可采用基于广义瞬时无功功率理论的p-q检测法，检测产生无功功率的谐波电流分量。该方法适用于非正弦、非对称三相电路各种电流的检测，包括广义的三相瞬时无功电流、三相基波不对称及高次谐波瞬时电流等。针对充放电系统带来的谐波污染等问题，可以总结出以下解决方法：

（1）严格按照与谐波相关的国家标准，加强对谐波的管理，从总体上平衡供电系统谐波水平。（2）增加换流装置的相数。分析表明，充放电系统的大部分谐波来自于换流装置，增大换流装置的相数，可以大幅减小谐波电流的有效值。

（3）增设无功补偿装置，加强系统承受谐波的能力。

3 电动汽车充放电系统对电网电压暂降的影响

3.1 产生原因及危害

电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象，在电网中这种现象的持续时间大多为0.5～1.5 s。电压暂降的时间过长，会导致设备非正常停机，可能带来巨额损失。目前市面上已经有治理电压暂降的相关设备保护产品。充放电系统造成的电压暂降所产生的危害主要体现在以下几个方面：

（1）影响电子类设备的正常工作。不完全相同的两种电子设备对电压降落区间的敏感程度不同，电压暂降所造成的危害与设备自身的特征以及用户的要求都有关。

（2）工业和居住建筑中常用的电气器件，如DDC控制器、继电器等设备对电压暂降都极其敏感。此外，电压暂降对大型机场行李分拣系统、大型物流集散中心货物分拣系统等设备的影响也不可小觑。（3）当电压下降到额定值的70%及以下且持续时间大于1个周波时，用户侧就会由于接触器脱扣发生大面积停电，而对于普通居民用户和企事业单位，突然停电造成的损失难以估量。

3.2 充放电系统造成的电压暂降问题的检测与控制方法

对于电压暂降的检测，关键在于对电压包络的实时检测和提取要避开电流不对称及谐波含量对检测的影响，从而准确计算出暂降的幅值、起始时刻、相角跳变等参数。电压暂降可采用改进的ud-uq法进行检测，在提取直流分量时，用数学形态滤波器代替传统的低通滤波器效果更佳，在检测暂降信号的同时提取出电压包络信号。对充放电系统造成的电网电压波动的控制对策如下：（1）利用EVCS并联补偿电压暂降，改善全网电压分布。（2）采用串联电压补偿法，以提高电压暂降时的电能利用率。（3）只使用小容量的DVR补偿内部电压暂降。

4 电动汽车充放电系统对三相不平衡的影响

4.1 产生原因及危害

大量EV接入电网后，由于三相负载变得更加复杂，且有大量单相负荷存在，三相电路是不平衡运行的，因此导致了用电系统三相不平衡严重。

三相负载不平衡对电网的安全有效运行是极其不利的，会使得电能利用率下降，并导致三相电压、电流极度不平衡，情况恶劣时会危及整个电力系统。电动汽车充放电系统对电网所造成的三相不平衡危害主要体现在以下几点：

（1）对异步电动机的影响：当电网存在三相电源电压不平衡情况时，异步电动机会较正常时产生高达数倍的不平衡电流，导致逆扭矩增加，造成异步电动机温度上升、振动加剧、元件加速老化等，最终使用寿命缩短。

（2）对线损的影响：线路在采用三相四线制接线的情况下，三相负载平衡时线损最小。当三相电流不平衡时，损耗将随电流的增加以平方次幂增加。因此，当负荷分配不均衡引起三相不平衡时，负荷越不平衡，电流不平衡度越大，线损增量也越大。

（3）对变压器的危害：当三相负载不对称造成三相不平衡时，变压器运行处于不对称状态，各种损耗均增大，同时，变压器零序电流大大增加，中性点偏移现象严重，局部温度急剧升高，严重时变压器会烧毁。

4.2 充放电系统对电网不平衡影响的检测与控制方法

三相不平衡的检测方法和谐波检测类似，都是在三相对称电压的作用下，不对称负载所消耗的功率中，二倍频的波动比较明显，在系统控制中，可以采用低通滤波的方法得到平均值，计算负载电压q轴分量参考值的负载功率。针对三相不平衡可采用以下控制对策：（1）应用静止无功补偿器（SVC）进行无功补偿，能做到连续调节。但是SVC消除谐波能力较差，响应速度也较慢，多台安装之后将会出现谐振的问题。

（2）应用PWM功率变换器，采用三相四桥臂逆变的方式也可以很好地解决三相不平衡所造成的电能质量问题。

5 结语

如今，我们国家的电动汽车行业正处于鼎盛发展的时段，大规模的充电需求给电网带来了一定的压力。但是，电动汽车存储能量的性能同时又为电力的安全经济运作挖掘出了新的发展可能。电动汽车行业的发现模式大大影响了充电时对电网的压力，但是这目前来说还是不确定的。一方面，从负荷平衡来考虑，对输电网的伤害很轻，因为电动汽车充电和工作的时间呈现出一种削峰填谷的趋势；但是大规模电动汽车集中充电的行为还是损伤了部分的配电网，该问题仍然需要研讨并解决。另外，我国正在积极建设和完善各大充电设施，然而却没有这方面的完善理论结构以及方法。

从未来前景来考虑，长期发展应该将分散的家庭充电模式放在发展重心，毕竟电动汽车正在逐渐走进各家各户，并且各种充电和计量技术正在快速发展完善；短期发展应该主要完善充电设备的容量配置和分布地点。

参考文献：

[1] 高赐威，张亮.电动汽车充电对电网影响的综述[J].电网技术，2011，35（2）：128-131.

[2] 任百峰.基于V2G技术的电动汽车充电站与电网接入技术研究[D].秦皇岛：燕山大学，2014：23-25.

[3] 戴咏夏，刘敏.电动汽车充电设施接入对配套电网建设的影响[J].电力建设，2015，36（7）：89-93.

[4] 张乐平，许燕灏，胡红，等.电动汽车对电网影响的评价指标与评估方法[J].电力建设，2013，34（8）：47-51.

[5] 杜学龙，刘志珍，王建，等.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.