降低电动汽车充电设施增长对电网质量影响的措施.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期117文章编号：2095-6835（2023）19-0117-03降低电动汽车充电设施增长对电网质量影响的措施陈志刚（苏州高等职业技术学校，江苏 苏州 215000）摘要：近年来，随着中国政策支持和动力电池技术的快速发展，结合使用过程中零排放、无噪声、低成本、保养方便等优点，电动汽车受到越来越多人的青睐，其市场保有量正在逐年递增。但是目前市场上还缺乏与之匹配的充电设施，随着电动汽车行业的持续发展，充电设施的增加是必然趋势。而伴随着电动汽车充电设施的增加会带来电网负荷量的增加，充电过程中会产生谐波量，对供配电网电能质量产生不利影响。因此，在兼顾电动汽车发展的同时需要合理地管理充电设施的安装和运维，并且采取有效的谐波抑制措施来改善电网电能的质量。关键词：电动汽车；充电设施；谐波抑制；电能质量改善中图分类号：U491.8文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.036随着电动汽车日益增多，大量充电设施被接入电网后，对电网产生了较大的影响。在进行充电负荷接入过程中，应注意规避常规电网的负荷高峰期，有效、合理地分散电动汽车的充电负荷，最大限度地降低对供电网的冲击。为了实现充电设施和电网两者间的协调发展，应对电动汽车的充电进行控制或引导操作，确保电网、电动汽车两者供需平衡，降低对电网的不利影响。在设备端，应采取有效的抑制电网谐波，保障电网电能质量。1电动汽车充电设施增长对电网的影响在政策支持、技术发展、市场需求的推进下，中国电动汽车的普及度呈现良好的增长趋势。随着电动汽车的普及，社会对电动汽车充电设施的需求也越来越大1，电动汽车充电设施的飞速发展对电网的影响主要体现在以下几方面。1.1电网负荷量增加随着动力电池技术的长足发展，电动汽车的价格也越来越低。截至 2023 年 6 月底，全国新能源汽车保有量达 1 620 万辆，占汽车总量的 4.9%。其中，纯电动汽车保有量 1 259.4 万辆。充电设施的数量也同步增加，仅 2022 年度新增充电桩数量就达 191.5 万个。电动汽车充电设备的大量接入使得配电网的负荷增加，这会导致配电网中的线路和变压器等设备的负荷增加，有可能使变配电设备超负荷运行，严重时甚至可能会损坏设备2。为了避免这种情况的发生，需对电网进行扩容。电动汽车的大量投入对电网负荷的运行管理带来了新的挑战。城市用电的特点是峰时和谷时用电相差较大，如果对电动汽车充电负荷不加以统筹管理，任由大量电动汽车在白天进行充电，则将进一步增加电网的峰时负荷，从而增大电网峰谷调节压力3。如果采取一定调节措施，使大部分电动汽车选择白天行驶、夜间充电的运行方式，可使用电负荷相对平衡，对电网负荷特性的改善起到积极作用。为电动汽车进行集中式充电时，因其充电输出功率大、数量多、时间集中等情况会对电网形成较大的用电负荷，使整个电力系统用电失去平衡。因此为电动汽车进行大规模充电时，应该考虑电力的用电平衡问题，需加大对电动汽车充电的协调控制，避免出现供电线路和区域配电变压器过负荷的情况，保障配电网的经济性、安全性及可靠性。1.2电网运维难度凸显为电动汽车充电由用户的意愿决定，具有空间上的分散性和时间上的随机性特点，这就导致了充电负荷的不可预测性。如果用户在局部区域特定时间同时进行充电则会导致该供配电网络段的负荷显著增加，电网存在超负荷运行的风险。特别是一些大规模的集中充电站，由于运营需要，经常会在电网负荷高峰期进行集中充电，这将降低电网运行效率、增加运行成本，严重的还会引起电能供应不足，对供配电设备产生过大的负荷压力。在电网不增容的情况下增加充电设施将导致变压器过负荷，这在很大程度上限制了电动汽车充电设备的集中使用。为电动汽车充电是车主的主观意愿，用户有自由使用的权限，使用常规的调度手段使它按照电网侧的安排进行充电是不现实的。监管部门可以尝试采用需求侧响应的调控方式，具体做法就是利用价格杠杆的手段，增加用电高峰的电费，减少用电低谷科技与创新Science and Technology&Innovation1182023 年 第 19 期的电费。运用得当可以激励电动汽车用户主动选择用电低谷期进行充电，实现对充电负荷的有效管理。实施基于需求侧响应的调控方式，可以在一定程度上有效整合规模庞大却时空地域分散的电动汽车进行有序充电，减小它对电力系统的影响，节约车主充电成本，达到提高电网利用率的目标。1.3电网发展需要新的规划为电动汽车充电造成电网负荷增加，这对电网的规划提出了新的挑战。大量充电设施的建设将改变传统电网用电结构，原有的电网的配置无法满足集中化电动汽车充电负荷接入的需求。电动汽车的发展推动了充电设施和充电网络的建设，随着电动汽车保有量的逐步增加，势必对电网的供电容量和管理能力提出更高的要求。电动汽车进入人们的生活，势必需要在广大居民区域建设与之匹配的充电设备，意味着充电设备的集中度会比较高。特别是一些老城区或者老小区，由于建造时间比较早，没有配备足够大的供电容量，任由充电设施增加会导致原有供电网络不堪重负。在这样的区域增加充电设备无疑也会遇到很多问题，比如供电设施老化、供电线路布置不足、小区居民不接受等。需对这些区域的配电网进行重新规划设计、改造扩容。可将电动汽车充电设施的建设有效融入到智能电网的规划和管理中。通过智能电网的调控，为电动汽车在系统负荷较低的时段充电，而在高负荷时段暂停充电，甚至在供电不足的紧急情况下可以把汽车电池作为后备电源使用，抑制电网电压、频率等的波动。在智能电网环境下，通过电动汽车充电负荷的预测及计算，可以实现对电动汽车的有序充电，作为紧急情况下的储能设备，对电网进行实时反馈等，这对于扩大电力终端用电市场、促进电动汽车产业发展、降低需求侧峰谷差、提高电力供需平衡和电力设备负荷效率都具有重要的意义。2电动汽车充电负荷增加影响电网电能质量电动汽车充电设施的无序接入会给电网带来谐波污染。电动汽车充电设备是一种非线性设备，在整流环节中会产生大量谐波（夹杂在正常电压中的杂波信号）。谐波会使电能在传输过程中出现无用的损耗，尤其在电压高的场合，这种消耗会很大。谐波会使系统功率因素降低，影响电网电能质量，缩短变压器的寿命，严重的还会影响用电安全。谐波会导致通信线路出现电磁干扰及静电感应现象。谐波从侧面反映了用电端对于电网的污染情况，充电设施的动态污染直接影响着配电网的稳定、安全运行。电动汽车充电负荷接入产生的谐波影响已经引起人们的高度重视，通过做好数据监测，加大监管力度确保电网电能质量。分析电动汽车充电负荷接入对电网谐波的影响，可以更好地进行变量调控，采取有效的治理措施，让电动汽车行业实现良性发展，促进中国经济发展。3改善电能质量的措施3.1谐波抑制措施谐波问题是充电站建设技术方面的研究重点，谐波主要来自充电机的整流模块，电动汽车充电设备的主回路主要由 4 部分组成，即整流模块、DC-DC 功率变换模块、输出滤波模块和功率因数校正模块4。对于谐波污染的治理，主要参考以下 2 种途径：优化充电机的电路原理，降低谐波分量的产生和输出；对充电站整体采取谐波抑制措施，避免谐波污染传导到电网上。3.2基于充电设施的谐波治理设计电动汽车充电设施时需要重点考虑非线性用电设备对电网电能质量产生的影响，并采取积极有效的防范方法减小或消除谐波分量。如不能达到国家有关标准规定的谐波控制要求，则应采取有效的谐波治理措施5。电动汽车充电机产生的谐波分量应满足GB 17625.12012 和 GB/Z 17625.62003 中的规定。在对电动汽车充电设施进行设计时，首先预测设施在使用过程中所在供配电网络可能产生的问题，从电网接入点的选择、滤波器的使用、充电设施管理方式等方面进行思考。3.2.1电网接入点的选择充电设施一般是从公用变压器接入的，需要考虑区域内现有电力设施和电力负荷情况。电动汽车充电设施使用时会产生谐波电流，这些谐波电流会导致母线电压产生畸变，给供电网络中的其他用户产生影响。在接入公用电网时必须采取必要的措施消除谐波对电网的负面作用，确保电力供应安全可靠。对于大规模集中充电站，则需要采取独立供电的方式，使用充电站专用变压器。在变压器高压侧检测电能质量，采取有效消除谐波的技术措施保证电能质量。3.2.2采用无源消谐滤波器充电设施产生的谐波量可以通过由 R、L、C 组成的无源滤波器进行消除。滤波的频率与 R、L、C 的数值及连接方式有关。对某个特性的频率配备滤波器，如需抑制多个谐波量可以使用多级滤波器。为了使特定频率的谐波电流具有最小的阻抗，采用无源滤波器Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期119和系统电路并联、LC 串联的方式，通过这种方式使谐波电流在设定的频率处被分流掉。在谐波源附近安装无源滤波器就近吸收谐波电流，是一种比较常用的谐波抑制方法，用户可以根据各种电压等级、谐波源大小灵活采用各谐波源。滤波器一般分为低通（单调谐）滤波器和高通滤波器，高次谐波在 13 次及以下的选用多次低通滤波器，13 次以上谐波可选用共同的高通滤波器。无源滤波器存在很多不足，由于大多采用分立元件，故体积大、质量大，只能滤除某频率范围内的谐波。无源滤波器抑制谐波的能力有限，无法全面治理充电设施产生的谐波等问题。无源滤波器在使用时还需要注意 LC 谐振。3.2.3采用有源滤波器有源滤波器能够进行动态跟踪补偿，既可以抑制谐波量又能够进行无功补偿。相比于无源滤波器的单调谐，它能同时滤除多次谐波和高次谐波量，滤波效果更明显，而且还不会产生谐振。有源滤波器结合高速数字信号处理器技术，利用智能芯片生成 PWM 脉冲信号驱动成对的绝缘栅双极型晶体管，得到与谐波量大小相等、方向相反的补偿电流。有源滤波器系统拓扑结构如图 1 所示。通过向电网主动注入的方式来消除充电过程中产生的电力谐波，属于主动型消谐装置。有源滤波器凭借自身的多重优势，成为目前解决电动汽车充电设施电能质量问题的最佳方案。图 1有源滤波器系统拓扑结构3.2.4智能管理充电方式在充电设备运行过程中，不同设备产生的谐波会出现相互叠加或者抵消的情况。可对充电设备的状态进行统筹规划来达到理想的充电状态。在实际使用过程中，大部分电动汽车是在夜间充电，充电时间较为充裕，可以采取智能管理。电动汽车充电大多采用恒流恒压充电方式，在充电初期采用恒流充电方式，充电电流会比较大；在充电后期采用恒压充电方式，充电电流会明显减小。在充电过程中谐波电流的大小和其充电电流有关，充电电流越大则产生的谐波量越大。通过分时控制，使整个供电网络充电负荷趋于平衡。4结束语从电动汽车的市场保有量来看，目前电动汽车及充电设施的建设尚处于发展阶段。充电设施产品技术目前已经相对成熟，成本也在逐步下降，但是受限于安装环境和供配电网络的容量，在一些老旧社区及场所实施比较困难。在设计过程中需从多种场合适应性进行考虑，针对不同情况采取差异化解决方式。在大型充电站的设计中要结合实际情况，考虑电网运维的高效性、电站布局的合理性、用户使用的安全及便捷性，为电动汽车产业健全发展贡献力量。参考文献：1胡小艳.考虑电动汽车接入智能电网的充放电经济调度策略D.秦皇岛：燕山大学，2021.2阳经伟.电动汽车充电负荷预测方法与充电控制策略研究D.长沙：湖南大学，2015.3王鑫.电动汽车充换电服务网络项目风险管理研究D.济南：山东大学，2013.4陈鼎，仇群辉，杨晓东，等.不同类型电动汽车充电站的谐波抑制方法研究J.机电工程，2017，34（8）：922-926.5邓秀梅.民用建筑电动汽车充电设施电气设计J.智能建筑电气技术，2016，10（3）：64-66.作者简介：陈志刚（1986），男，江苏常熟人，本科，讲师，研究方向为电子信息工程。（编辑：严丽琴）