石會(huì)燕

【摘 要】隨著電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用和數(shù)量的急劇增長，其隨機(jī)充放電行為將為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和電能質(zhì)量帶來挑戰(zhàn)。本文從涉及減小電動(dòng)汽車對電能質(zhì)量影響的專利申請出發(fā)，統(tǒng)計(jì)了近幾年相關(guān)專利申請的概況，探討了近年專利申請的技術(shù)重點(diǎn)和熱點(diǎn)，展望了大規(guī)模電動(dòng)汽車的城市電網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)制和可開展的進(jìn)一步的研究工作。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車 充放電 電網(wǎng) 電能質(zhì)量 專利

1 引言

電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，在環(huán)保、清潔和節(jié)能等方面具有明顯的優(yōu)勢。國家電網(wǎng)公司在其智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃中也指出要大力開展電動(dòng)汽車充放電關(guān)鍵技術(shù)的研究并全面推廣應(yīng)用。因此，隨著電動(dòng)汽車和充電站數(shù)量的不斷增加，電動(dòng)汽車將成為電網(wǎng)中的一種新型的重要負(fù)荷。由于大量的電動(dòng)汽車的隨機(jī)性的充電行為，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電對電網(wǎng)的影響問題逐步凸顯，如可能導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)局部的負(fù)荷變大，甚至導(dǎo)致配電網(wǎng)過負(fù)荷。因此，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)必須考慮對配電網(wǎng)負(fù)荷平衡的影響。另外，由于充電設(shè)備中包含大量的電力電子裝置，當(dāng)電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電時(shí)，所產(chǎn)生的諧波對配電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量將產(chǎn)生影響。本文試圖從專利申請的角度，在對國內(nèi)相關(guān)專利申請數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和分析的基礎(chǔ)上，研究國內(nèi)相關(guān)專利申請的技術(shù)重點(diǎn)和熱點(diǎn)，為相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究提供參考。

2 近年國內(nèi)相關(guān)專利申請概況

利用國內(nèi)專利數(shù)據(jù)庫，對減小電動(dòng)汽車對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的相關(guān)的發(fā)明專利申請進(jìn)行了充分檢索，得到了近年（2010-2014）相關(guān)的國內(nèi)發(fā)明專利申請數(shù)據(jù)（共43件）。從圖1中所示的發(fā)明專利申請量變化趨勢可以看出，從2011年開始，相關(guān)的專利申請量有較大的增長，由于專利申請一般是自申請日起滿18個(gè)月才公開，所以圖1中的曲線下拐點(diǎn)并不表明相關(guān)的專利申請量的下滑。另外，通過統(tǒng)計(jì)申請人可以得知，專利申請量主要集中在國家電網(wǎng)（14件）和華北電力大學(xué)（6件），其它大學(xué)和公司也有相關(guān)的專利申請，例如上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、廣西電網(wǎng)公司等等，但是并沒有明顯的數(shù)量集中。

圖1 近年發(fā)明專利申請量變化

圖2 主要專利申請人分布

3 相關(guān)專利申請的主要技術(shù)分析

通過對這些發(fā)明專利申請中的主要的發(fā)明專利申請所公開內(nèi)容的分析，從技術(shù)角度可以將它們分為以下幾類：針對充電裝置電路的改進(jìn)、針對充電裝置主電路控制方法的改進(jìn)、有源濾波器的使用、電動(dòng)汽車與新能源發(fā)電的結(jié)合以及電動(dòng)汽車的充放電的調(diào)度。下面，將對它們進(jìn)行詳細(xì)說明。

（一）針對電動(dòng)汽車充電裝置電路的改進(jìn)

通常，電動(dòng)汽車的充電裝置即充電樁的電路一般是由整流電路和DC/DC變化電路兩級(jí)電路組成。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，只有少量的專利申請涉及充電電路的改進(jìn)。例如，在專利申請CN103078388A中公開了一種新型電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電機(jī)電路，該充電機(jī)電路包括依次連接的Z源網(wǎng)絡(luò)（AC/AC變換器）、π形濾波電路和不可控整流橋。該充電機(jī)電路不同于傳統(tǒng)的充電機(jī)電路，采用的電力電子器件大大減少，允許橋臂直通或者開路，電壓調(diào)節(jié)范圍大，能夠緩解沖擊并抑制諧波。而在另一專利申請CN103107583A中，公開了一種電動(dòng)汽車充電站主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該專利申請主要針對的是充電站中的主電路的改進(jìn)，將一般的分布于每輛電動(dòng)汽車上的整流結(jié)構(gòu)整合為一個(gè)高壓PWM整流器，每輛電動(dòng)汽車上只是存在非隔離型DC/DC變換器，能夠提高了整體效能，減小諧波的產(chǎn)生。涉及充電電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)的專利申請相對較少，這可能與已經(jīng)比較成熟的電力變換技術(shù)有關(guān)。

（二）針對充電裝置主電路控制方法的改進(jìn)

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，涉及充電裝置的主電路控制方法的改進(jìn)的專利申請的數(shù)量相對較多，占據(jù)了全部申請量的近17%。例如，專利申請CN103023117A公開了一種高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的PWM整流器的控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和無差拍控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，能夠減少電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)對電網(wǎng)諸如的諧波電流，改善電能質(zhì)量。專利申請CN103647281A以由電壓型PWM變流器和對稱半橋LLC諧振式雙向DC/DC變換器構(gòu)成的主電路為基礎(chǔ)，也是通過采用PWM控制方式使得一級(jí)功率變換器電網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波，減小諧波含量。專利申請CN102570566A將高頻整流器和基于高頻變壓器的DC/DC變換器進(jìn)行組合，對高頻整流器的控制采用內(nèi)環(huán)為交流母線電流、外環(huán)為DC/DC變換器的輸出電壓或電流的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)無功電流的控制，從而提高功率因數(shù)。專利申請CN103647281A和CN103187729A實(shí)質(zhì)上都是基于由雙向PWM變換器和DC/DC變換器構(gòu)成的兩級(jí)電路的控制方法的改進(jìn)，將有源濾波諧波補(bǔ)償方法應(yīng)用于雙向功率變換器的控制，在電動(dòng)汽車的充電電池與電網(wǎng)的能量能夠雙向流動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波的就地補(bǔ)償。專利申請CN103545899A提出了一種針對電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化電站的無損增值效益控制方法，其利用儲(chǔ)能電池的增值控制或者變流裝置電容的增值控制或者將二者進(jìn)行比例融合的增值控制，即利用，從而降低非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波和無功。由此可見，由于充電裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)的成熟，更多地關(guān)注主電路的控制方法的改進(jìn)也是必然。而且，其中相當(dāng)多的專利申請是借用了無差拍控制、電流電壓雙閉環(huán)控制、有源濾波諧波補(bǔ)償控制等經(jīng)典控制算法。專利申請CN103545899A提出的利用變流裝置的富余容量對電網(wǎng)諧波和無功功率進(jìn)行無損增值控制的方法較為獨(dú)特。而且，綜合這些專利申請的技術(shù)內(nèi)容，其中的變換器電路都能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車電池與電網(wǎng)之間的能量的雙向流動(dòng)，即V2G模式。

（三）有源濾波器（APF）的使用

有源濾波器雖然能夠較好地實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償從而提升電能質(zhì)量，但是其制造和使用成本較高。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，采用有源濾波器的相關(guān)的專利申請主要是關(guān)注如何降低APF的使用成本。例如，CN103872684A公開了一種消除電動(dòng)汽車諧波的裝置及方法，雖然其采用的主要的裝置仍然是APF，但是其關(guān)注點(diǎn)在于如何減少所使用的APF的數(shù)量。該專利申請將每個(gè)充電樁看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)間引起的諧波相互疊加，則判定節(jié)點(diǎn)間存在一條邊。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有任意兩點(diǎn)之間的最短路徑，所有最短路徑路過每條邊的次數(shù)為每條邊的介數(shù)，啟動(dòng)安裝在最大的邊上的有源電力濾波器。這樣，只是采用少量的APF便能消除大量分散的電動(dòng)汽車充電樁充電時(shí)產(chǎn)生的諧波，提高供電質(zhì)量。CN103928930A公開了一種減少電動(dòng)汽車充放電過程中電網(wǎng)諧波的方法，將有源濾波和無源濾波相結(jié)合并安裝在電網(wǎng)側(cè)，通過采用雙階段間諧波檢測方法，第一階段基于加窗插值FFT方法提取諧波分量，并將其濾除，第二階段再次進(jìn)行加窗插值FFT方法提取諧波分量，從而去除該間諧波分量，最終將加入電網(wǎng)側(cè)的諧波減小到最小。另外，CN103812109A公開了一種電動(dòng)汽車充電站并聯(lián)有源濾波器的容量配置方法，其主要是針對充電站并聯(lián)有源濾波器之后的諧波放大效應(yīng)的問題所作出的改進(jìn)，通過計(jì)算描述該放大效應(yīng)的系數(shù)來指導(dǎo)有源濾波器的容量選型。

（四）電動(dòng)汽車與新能源發(fā)電的結(jié)合

由于新能源發(fā)電的快速發(fā)展，利用能量存儲(chǔ)技術(shù)、并通過合理的調(diào)度電動(dòng)汽車的充放電，可以使得新能源發(fā)電效率的提升并增強(qiáng)配電網(wǎng)絡(luò)的電壓穩(wěn)定性。例如，CN102361334A公開了光伏儲(chǔ)能電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)切換方法。利用該系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)、電網(wǎng)以及充電系統(tǒng)的能量互動(dòng)，既提高了充電站對太能能的利用率，還可以保證供電穩(wěn)定性。CN102324752A公開了風(fēng)力發(fā)電的純電動(dòng)汽車有序充放電協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將每個(gè)充電站的信息傳送至電網(wǎng)調(diào)度中心，由調(diào)度中心判斷當(dāng)前電力系統(tǒng)的狀態(tài)，生成相應(yīng)的充電控制模式。調(diào)度中心通過充電站集中協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)將調(diào)峰指令發(fā)送給各個(gè)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，動(dòng)力電池接收命令實(shí)現(xiàn)調(diào)峰同時(shí)向電網(wǎng)反饋剩余電量。

（五）合理調(diào)度電動(dòng)汽車的充放電

除了對充電裝置的電路結(jié)構(gòu)及控制方法進(jìn)行改進(jìn)之外，通過合理地調(diào)度電動(dòng)汽車的充放電也是提高電能質(zhì)量的措施之一。例如，電子科技大學(xué)在CN103855767A中提出一種電動(dòng)汽車充電的調(diào)度方法，相比于通常的就近調(diào)度策略，其考慮各條道路的交通狀況（非機(jī)動(dòng)車輛的影響、邊摩阻的影響、大型車流量的影響），選擇出更合乎實(shí)際情況、更精確的電動(dòng)汽車駕駛路徑。同時(shí)考慮充電站的氣象因素和充電情況，選擇出諧波最小的充電站調(diào)度方案提供給電動(dòng)汽車，從而優(yōu)化電動(dòng)汽車充電站的調(diào)度，減小電動(dòng)汽車充電產(chǎn)生的危害電網(wǎng)的諧波。

4 總結(jié)與展望

由此可見，隨著電動(dòng)汽車的逐漸普及，其對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響越來越受到相關(guān)企業(yè)的關(guān)注，這也體現(xiàn)在相關(guān)的發(fā)明專利申請的數(shù)量變換上。從專利申請的數(shù)量上看，國家電網(wǎng)公司是申請量最為集中的申請人，這也與其作為電動(dòng)汽車入網(wǎng)應(yīng)用的主要建設(shè)者和推動(dòng)者的身份是吻合的。另外，從國內(nèi)的相關(guān)專利申請的技術(shù)信息可以看出，為了降低電動(dòng)汽車充放電對電網(wǎng)的影響，雖然有少量的關(guān)于充電機(jī)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，但是近期較多的關(guān)注點(diǎn)仍在于針對充電電路中電力變換器的優(yōu)化控制，而且這些控制方式都是在V2G模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，可見，V2G模式相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的開發(fā)。APF已經(jīng)比較成熟，專利申請主要是針對如何減少APF的應(yīng)用成本或者提高其應(yīng)用效率。除此之外，有人提出了通過優(yōu)化電動(dòng)汽車充電的調(diào)度方法來降低諧波污染的專利申請，在充電裝置的電路結(jié)構(gòu)和控制方法日趨成熟和完善的情況下，進(jìn)一步開發(fā)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可能是今后的一個(gè)研究方向。

針對涉及減小電動(dòng)汽車對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響的發(fā)明專利申請，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，總結(jié)了近期專利申請的技術(shù)熱點(diǎn)和方向，供技術(shù)人員參考，可以在專利申請公開的技術(shù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)，節(jié)約研究成本。另外，將來可進(jìn)一步開展的工作是針對國外的專利申請的挖掘和分析，以進(jìn)一步了解國外的技術(shù)動(dòng)態(tài)并加以利用。

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