黎瑞明

（廣東電網(wǎng)公司湛江供電局，廣東 湛江 524000）

隨著能源日益緊張以及低碳時(shí)代的到來，各國都在尋求新能源，同時(shí)為擺脫對(duì)不可再生資源的依賴而不斷做出努力。這時(shí)候，電動(dòng)汽車應(yīng)時(shí)代要求而出現(xiàn)。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，可以降低對(duì)石油的依賴程度，并且大大降低了碳的排放量，應(yīng)該說是順應(yīng)時(shí)代潮流的。但是，它的出現(xiàn)也給當(dāng)今電力系統(tǒng)帶來了一系列影響。比如，在低谷時(shí)期充電，可以提高對(duì)電網(wǎng)的利用率；但是在用電高峰期充電，尤其是大量汽車同時(shí)充電，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊，需要靠增加電能儲(chǔ)備來滿足其需求。電動(dòng)汽車充電站是非線性負(fù)載，在充電過程會(huì)產(chǎn)生很大諧波，對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因此我們必須清楚充電站對(duì)系統(tǒng)的種種影響，發(fā)現(xiàn)問題所在，這樣才能更好地解決問題，為電動(dòng)汽車的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的短期和長期影響

根據(jù)電網(wǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展特點(diǎn)，可將電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響分為短期影響和長期影響。電動(dòng)汽車是負(fù)載，小規(guī)模的電動(dòng)汽車出現(xiàn)不會(huì)影響目前電網(wǎng)的裝機(jī)容量，而且會(huì)為售電單位帶來利潤，在一定程度上帶動(dòng)了電力的發(fā)展。但是隨著電動(dòng)汽車的大規(guī)模出現(xiàn)，當(dāng)今的裝機(jī)容量已經(jīng)不能滿足充電負(fù)荷的要求，需要新增發(fā)電裝機(jī)來滿足。這不僅僅是簡單的增加裝機(jī)量得問題，因?yàn)榇罅侩妱?dòng)汽車的出現(xiàn)，注定了其充電隨機(jī)性，相對(duì)電網(wǎng)而言，即為負(fù)荷的隨機(jī)性，因此增加裝機(jī)的容量就不好確定。因此，從長期來看，充電汽車會(huì)對(duì)電網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生很大影響，而且，該種影響具有很大不確定性。因此，筆者建議將電網(wǎng)的規(guī)劃與電動(dòng)汽車的發(fā)展相結(jié)合，只有這樣才能制定出合理的電網(wǎng)規(guī)劃方案，減少資源的浪費(fèi)。

2 電動(dòng)汽車充電對(duì)電力系統(tǒng)造成的諧波污染分析

2.1 電動(dòng)汽車的電池類型以及充電模塊圖

電動(dòng)汽車可以采用的電池種類有∶ 鎳金屬電池，鉛蓄電池，鋅空氣電池，高溫鈉電池，鋰離子蓄電池等，這些電池充電需要直流電源，而我們系統(tǒng)中大電網(wǎng)為交流電源，因此充電時(shí)需要先將交流電整流成直流電，即整流過程。充電模型圖見圖1。而整流過程會(huì)給電力系統(tǒng)帶來諧波污染，諧波的出現(xiàn)又會(huì)帶來一系列問題：使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀等等。

圖1 電動(dòng)汽車電池充電模塊圖

2.2 諧波污染的分析

電動(dòng)汽車充電時(shí)，充電機(jī)的諧波主要來自整流裝置部分，根據(jù)整流裝置的不同可以分為三種，分別為12脈波整流充電機(jī)，不控整流充電機(jī)和PWM整流充電機(jī)?，F(xiàn)分析如下：

1）不控整流式充電機(jī)所帶來的諧波分析

由不控整流充電機(jī)的整流部分由不控整流橋組成，其仿真電路圖如圖2。

圖2 不控整流橋式充電機(jī)仿真電路圖

圖2中非線性電阻R是電動(dòng)汽車充電電池的等效模型。該種整流類型電路充電機(jī)的脈動(dòng)數(shù) p=6，因此對(duì)交流側(cè)造成的諧波次數(shù)主要為 6k±1次，（k=1，2，……），諧波電流總畸變率達(dá)23.4%，尤其是5、7、11、13次這類奇次諧波電流很大。這種充電機(jī)的電壓電流波形如圖3所示。

圖3 電壓電流波形圖

2）12脈波整流式充電機(jī)所帶來的諧波分析

12脈波整流電路有兩種類型：串聯(lián)型和并聯(lián)型。這種整流類型的充電機(jī)一般采用并聯(lián)電路，因?yàn)槌潆姍C(jī)的功率變換單元的輸入電壓要求不能過高。圖4為12脈波整流充電機(jī)電路圖。

圖4 12脈波整流充電機(jī)電路圖

12脈波整流電路主要含有12k±1（k=1，2……）次諧波，由仿真結(jié)果可知在最大值時(shí)11次諧波的諧波含有率為 5.9%，13次諧波的含有率 3.5%，而 7次和5次諧波分別為1.4%和3.2%。隨著R值的增加，諧波電流先增大后減小，并在145min處達(dá)到最大值。

3）PWM整流式充電機(jī)

由IGBT組成的三相電壓型PWM整流器,其電路圖如圖5所示。

圖5 三相電壓型PWM整流器電路圖

圖6為PWM 整流電路任意時(shí)間段的交流側(cè)電流和電壓，交流側(cè)電流與電壓之間相角為0。

圖6 整流電路任意時(shí)間段的交流側(cè)電流和電壓

PWM 整流充電機(jī)變壓器高壓側(cè)各次諧波含量為：13次諧波為1.04%，11次諧波為1.28%，7次諧波為 1.57%，5次諧波的最大含有率為 2.98%。PWM 整流充電機(jī)的諧波隨著R變化而變化的趨勢較不明顯，總體趨勢與上述兩種充電機(jī)相同。

綜上所述，第一種和第二種整流方式的諧波污染相對(duì)比較多，而第三種整流方式的諧波污染會(huì)少點(diǎn)。但是電動(dòng)汽車發(fā)展越來越快，隨著其規(guī)模的不斷增大，諧波污染將會(huì)很大，因此對(duì)電力系統(tǒng)造成影響也會(huì)越來越大。

2.3 諧波污染的影響

1）使保護(hù)裝置誤動(dòng)

繼電保護(hù)裝置對(duì)電力系統(tǒng)至關(guān)重要，由于諧波的大量存在，容易使各類保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)，還可能因此引起電網(wǎng)瓦解，造成大面積失電。

2）易損壞大容量電容器

超標(biāo)的諧波電流會(huì)損壞電力系統(tǒng)中為了補(bǔ)償無功功率而安裝的電容器。

3）使測量儀表失去準(zhǔn)確性

常規(guī)的測量類器具都是按照固定頻率（50Hz）的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的，如電壓表、能耗表、電流表和功率表等,這些儀器也只能靈敏地反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)頻率的變化，而諧波電壓和諧波電流的存在就會(huì)干擾這些儀器的測量結(jié)果，使結(jié)果失去準(zhǔn)確性。

4）負(fù)荷增大使電力導(dǎo)線過熱

當(dāng)大量的諧波電流流過三相四線式供電系統(tǒng)的零線時(shí), 導(dǎo)線會(huì)過載而發(fā)熱。大量諧波電壓電流在電網(wǎng)中游蕩并積累疊加導(dǎo)致線路損耗增加、電力設(shè)備過熱，從而加大了電力運(yùn)行成本，增加了電費(fèi)的支出。

2.4 充電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電流的影響

1）影響其他電力設(shè)施

當(dāng)大量電動(dòng)汽車在用電高峰期充電時(shí)，現(xiàn)有的電能容量和輸電設(shè)施就會(huì)顯得不足，額外電流會(huì)使得輸電線路難以順利傳遞能量，使得其他用電設(shè)備受到影響。

2）增加基礎(chǔ)投入

大量電動(dòng)汽車充電站的出現(xiàn)，會(huì)額外增加負(fù)荷儲(chǔ)備量，使得電網(wǎng)不得不預(yù)備一定的儲(chǔ)備量為其時(shí)刻做好準(zhǔn)備，這就要求在高峰期固定負(fù)荷電力需求的基礎(chǔ)上額外增加部分裝機(jī)容量和線路傳遞容量，使得電網(wǎng)的基礎(chǔ)投入增加，投資也相應(yīng)增加，資源的有效利用率相對(duì)降低。

3）增加電網(wǎng)運(yùn)行成本

當(dāng)負(fù)荷需求超過預(yù)訂計(jì)劃時(shí),有兩種方案可以解決：其一是增加旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備電量；其二就是起動(dòng)冷備用發(fā)電機(jī)來分擔(dān)過量的負(fù)荷。這兩種方案都可以滿足最大電量的需求。但是冷備用發(fā)電機(jī)的起動(dòng)和并網(wǎng)運(yùn)行需要一定的時(shí)間，所以應(yīng)該提前起動(dòng)以滿足該要求，這也對(duì)預(yù)判斷能力提出了要求；當(dāng)高峰負(fù)荷過去后，它們也不可能立即退出運(yùn)行。這種投入與退出運(yùn)行不僅會(huì)造成能量浪費(fèi)，增加電網(wǎng)運(yùn)行成本，而且對(duì)電網(wǎng)也產(chǎn)生一定的沖擊，增加了設(shè)備出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

3 充電站給電力系統(tǒng)帶來風(fēng)險(xiǎn)的解決方案

解決充電站給電力系統(tǒng)帶來的沖擊方案有以下兩種。一是盡力抑制電動(dòng)汽車充電站的諧波污染，提高電能質(zhì)量；二是另辟蹊徑，找到新的充電方案?，F(xiàn)就這兩種方案進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 提高充電站電能質(zhì)量

1）諧波抑制法

經(jīng)過上面分析，充電站對(duì)系統(tǒng)造成的影響最主要因素之一就是諧波污染，因此電動(dòng)汽車充電站中一定要有諧波處理環(huán)節(jié)，盡量降低諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響，提高電能質(zhì)量。因此，如何有效的抑制甚至消除諧波污染成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的主要瓶頸問題。常見的諧波抑制方法有以下幾種。

（1）有效抑制諧波源處的諧波

為了從根本上消除諧波，可以在諧波源上采取措施。這種方法不僅能有效提高電能質(zhì)量，還可以很大程度上降低消除諧波所消耗的費(fèi)用。具體方法有以下幾種：

其一，增加整流器的脈動(dòng)數(shù)。電網(wǎng)中的主要諧波源之一是整流器，整流器的特征頻譜為：n=K×p±1，由此可見脈沖數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，而諧波電流In≈I1/n，因此諧波電流將減少。這樣我們可以通過增加整流脈動(dòng)數(shù)，提高波形平滑度，也就相應(yīng)降低了諧波。這種方法也有缺陷，比如p的增加，會(huì)使得設(shè)備成本也相應(yīng)增加，而且換流器接線比較復(fù)雜，利用率也不是很高。

其二，脈沖寬度調(diào)制法。這種方法是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬系列的交流輸出電壓脈沖。

其三，三相整流電路采用Y/△或△/Y的接線。這種接線可以消除3或者3的倍數(shù)次諧波，是抑制高次諧波的一種最基本的方法。

（2）在諧波源處吸收諧波電流

如果采用以上幾種方法不能有效地抑制諧波對(duì)系統(tǒng)的污染，那么可以采用在諧波源處處理已經(jīng)出現(xiàn)的諧波污染問題，主要方法有：

其一，無源濾波器。無源濾波器又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對(duì)主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是應(yīng)用廣泛的被動(dòng)諧波治理方法。

其二，有源濾波器。所謂有源濾波器是指利用可關(guān)斷電力電子器件，產(chǎn)生與負(fù)荷電流中諧波分量大小相等、相位相反的電流來抵消諧波的濾波裝置。

其三，避免并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大作用。并聯(lián)電容器可以調(diào)節(jié)電壓和改善功率因數(shù)。但由于它的存在也可能會(huì)放大諧波的危害，增加附近電氣設(shè)備的安全隱患。為了解決此問題有兩種方案：一是限制電容器組的投入容量；二是采取串聯(lián)電抗器，盡量降低電容器對(duì)諧波的放大。

其四，裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置。

（3）提高供電質(zhì)量

提高供電質(zhì)量也有兩種方案：其一是選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡；其二是用專門的線路為諧波源負(fù)荷供電。

2）加入人為控制因素

（1）在允許范圍內(nèi)盡量增加充電站充電點(diǎn)的數(shù)量

由于每個(gè)電動(dòng)汽車充電器時(shí)產(chǎn)生的諧波電流的相位角一般不同, 所以電動(dòng)汽車在充電時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)諧波補(bǔ)償甚至諧波抵消。如果多輛電動(dòng)汽車同時(shí)在一個(gè)充電站充電，如圖7多對(duì)一充電圖,那么同時(shí)流過該充電站的諧波電流出現(xiàn)諧波補(bǔ)償。

圖7 多對(duì)一充電圖

（2）充電協(xié)調(diào)法

這種方法可以減小由電動(dòng)汽車充電引起的電流過載。同一充電站同時(shí)給一組電動(dòng)汽車充電時(shí),應(yīng)該協(xié)調(diào)好充電時(shí)間和充電電流,減少電力系統(tǒng)過載電流的出現(xiàn)，盡可能保持負(fù)荷曲線平坦。充電協(xié)調(diào)的方法可以分為分布協(xié)調(diào)和集中協(xié)調(diào)。

其一，分布協(xié)調(diào)。在每輛充電汽車或者充電器上安裝分布式協(xié)調(diào)控制器，它的作用就是在電動(dòng)汽車充電站的總電流需求量在規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，使得電動(dòng)汽車充電電流盡量增大，以縮短充電時(shí)間。當(dāng)該輛汽車充電完畢時(shí)，分布式協(xié)調(diào)控制器可自動(dòng)將剩余電流分布到其他某幾輛電動(dòng)汽車中進(jìn)行充電。但是用這種方法進(jìn)行充電時(shí)只能將剩余電流最大程度地分配到某幾輛充電汽車上，而不能平均分配到待充電的汽車上，因此待充電汽車的充電時(shí)間將不同，會(huì)引發(fā)一些后續(xù)問題。而且只知道個(gè)別充電汽車的充電電流大小而不知道所有同時(shí)充電的汽車的充電電流大小，不能進(jìn)行全局控制，限制了一些復(fù)雜控制算法的應(yīng)用。

其二，集中協(xié)調(diào)。如圖8所示的集中協(xié)調(diào)充電站充電示意圖。該種方法需要一個(gè)通過通信線路與各個(gè)充電器相連的中央計(jì)算機(jī)，通過通信線路實(shí)時(shí)收集各個(gè)充電器的充電信息，如充電時(shí)間長短，充電電流大小以及電池容量等。通過信息整理以及智能系統(tǒng)的判斷，最終制定合理的充電方案，給每輛待充電汽車合理分配充電電流等，這樣可以有效地控制供電系統(tǒng)中總需求電流不過載。但是這種方法成本比較高，而且系統(tǒng)比較復(fù)雜，還有很大發(fā)展空間。

圖8 集中協(xié)調(diào)充電站充電示意圖

3.2 拓展思路，另辟蹊徑

當(dāng)我們專注于如何減輕充電站的接入對(duì)電力系統(tǒng)所造成干擾的同時(shí)，可以把思維轉(zhuǎn)換到使用新能源，改用新方式為電動(dòng)汽車提供充電電源。

（1）智能充電系統(tǒng)

電力系統(tǒng)電能在經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種諧波，這種諧波只能弱化，不能消除，也就是說，只要電動(dòng)汽車充電站的電能來自整流器端，那務(wù)必會(huì)給系統(tǒng)帶來諧波污染。

太陽能是一種清潔能源，而且太陽能發(fā)電電池發(fā)出的電是直流電，如果在電動(dòng)汽車充電站旁建一座微型太陽能發(fā)電廠，直接利用太陽能發(fā)出的直流電為充電站提供電能，省去了AC/DC環(huán)節(jié)，不僅消除了充電站對(duì)電力系統(tǒng)的諧波沖擊，還避免了對(duì)電力系統(tǒng)造成大的擾動(dòng)。

這種方案已經(jīng)在浙江和上海等地實(shí)施。但是這種方案也存在著發(fā)展的瓶頸：①儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)能能力不足。太陽能發(fā)電受自然因素影響比較大，發(fā)電具有隨機(jī)性，如果儲(chǔ)存能力不足，在晚上或者陰雨天充電站的能源供給將不足，這樣將影響充電站的工作；②太陽能發(fā)電技術(shù)還不是很成熟，光電轉(zhuǎn)換效率還不是很高，成本也比較高；③晶體硅也是一種潛在的污染，如果大力發(fā)展太陽能發(fā)電，則若干年后，廢舊的太陽能電池也即將成為令人頭痛的問題。

（2）無線電充電技術(shù)

利用感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)可以通過無線電為電動(dòng)汽車充電。該技術(shù)是利用感應(yīng)電荷的原理，將電源板埋在道路的瀝青下（這樣電源板既可以得到有效保護(hù)，又不會(huì)受到惡劣天氣影響），將電能接收墊安裝于電動(dòng)汽車車身下側(cè)，這樣電池就可以通過無線電系統(tǒng)進(jìn)行無線電充電。當(dāng)汽車行駛到供電線圈裝置上，受電線圈即可接受到供電線圈的電流，從而對(duì)電池充電。目前，這套裝置的額定輸出功率為10kW，一般的電動(dòng)汽車可在6～8h內(nèi)完成充電。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著能源的日益緊缺，電動(dòng)汽車必然會(huì)迅速地發(fā)展，與此同時(shí)，充電站將會(huì)給電力系統(tǒng)帶來很大的干擾。因此，要求我們應(yīng)同時(shí)從多方面采取措施。比如采用先進(jìn)技術(shù)降低設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波電流注入，考慮多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí)諧波電流的疊加影響；為了保證充電站長期安全運(yùn)行，可以考慮電動(dòng)汽車充電站安裝電能質(zhì)量在線監(jiān)測設(shè)備和諧波報(bào)警以及諧波保護(hù)設(shè)備；我們也應(yīng)該創(chuàng)新思維，發(fā)展智能充電技術(shù)以及各種離網(wǎng)充電技術(shù)。

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