劉亞麗，李國(guó)棟，滕文，胡波，車延博

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072）

1 引言

近年來(lái)二氧化碳排放量持續(xù)增長(zhǎng)，全球氣候變化成為當(dāng)今世界及以后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)人類所面臨的最嚴(yán)峻的發(fā)展挑戰(zhàn)，因此解決環(huán)境污染問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排成為國(guó)家發(fā)展的重要規(guī)劃，電動(dòng)汽車作為節(jié)能減排的有效措施，其必然成為汽車工業(yè)發(fā)展的新方向。近年來(lái)，電動(dòng)汽車發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)作為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，同樣快速發(fā)展，2010年2月國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《國(guó)家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報(bào)告》中提出，到2015年國(guó)家電網(wǎng)公司將累計(jì)建設(shè)4 000 座電動(dòng)汽車充電站，到2020年國(guó)家電網(wǎng)公司將累計(jì)建設(shè)10 000座電動(dòng)汽車充電站［1］。充電機(jī)作為電動(dòng)汽車充電設(shè)施的核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣關(guān)系到電動(dòng)汽車充放電安全，同時(shí)作為終端配用電設(shè)備，其性能好壞也會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此隨著電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)的日益擴(kuò)大，充電機(jī)的入網(wǎng)檢測(cè)工作日趨重要。

目前國(guó)內(nèi)專門針對(duì)充電機(jī)入網(wǎng)檢測(cè)而建立的測(cè)試平臺(tái)還較少，文獻(xiàn)［2］介紹了云南電力試驗(yàn)研究院所開(kāi)展的非車載充電機(jī)試驗(yàn)研究情況，文獻(xiàn)［3］也對(duì)電動(dòng)汽車充電機(jī)電氣性能測(cè)試開(kāi)展了相關(guān)研究，目前各學(xué)者和專家所研究的內(nèi)容主要集中在充電機(jī)模型的設(shè)計(jì)及仿真［1-4］、充電機(jī)接入對(duì)電力系統(tǒng)影響的仿真研究［5-6］及電動(dòng)汽車充換電運(yùn)營(yíng)管理方式的探討等方向，目前有關(guān)充電機(jī)的各種檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，各檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中某些具體的測(cè)試項(xiàng)目不夠明確，因此本文建立了電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)的檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可以滿足不同類型電動(dòng)汽車充電機(jī)入網(wǎng)檢測(cè)電氣性能的測(cè)試。

逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能檢測(cè)亦非常重要，本文詳細(xì)分析了充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)與逆變器檢測(cè)平臺(tái)的異同點(diǎn)，在原有工作的基礎(chǔ)上，充分節(jié)約設(shè)備資源，研究節(jié)能措施，詳細(xì)論證兩者檢測(cè)平臺(tái)的一致性，建設(shè)了多功能并網(wǎng)逆變器—充電機(jī)聯(lián)合檢測(cè)平臺(tái)。

2 充電機(jī)檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

目前充電機(jī)檢測(cè)方向還沒(méi)有形成專門的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)所建立的該類型檢測(cè)平臺(tái)中常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 19826—2005 電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求；NB/T 33001—2010 電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件；另外還有各地方和企業(yè)所制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 233—2009 電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)通用要求、Q/GDW 591—2011 電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范、Q/GDW 592—2011 電動(dòng)汽車交流充電樁檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范；中國(guó)電力科學(xué)研究院企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/PT 203—2011 電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件；中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CSG 11516.3—2010 電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)技術(shù)規(guī)范及北京市、深圳市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局所發(fā)布的非車載和車載充電機(jī)技術(shù)規(guī)范要求，此類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中都規(guī)定了充電機(jī)的技術(shù)規(guī)范要求或型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目，各標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)項(xiàng)目大同小異，但試驗(yàn)方法和試驗(yàn)實(shí)施均較為簡(jiǎn)略，本文也基于此目的提出了充電機(jī)的檢測(cè)方案。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

2.2.1 輸出特性試驗(yàn)

輸出特性試驗(yàn)一般包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度試驗(yàn)、穩(wěn)流精度試驗(yàn)、紋波系數(shù)試驗(yàn)、低壓輔助電源紋波系數(shù)試驗(yàn)、效率試驗(yàn)、功率因數(shù)試驗(yàn)。

輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)均反映了充電機(jī)在電源輸入側(cè)和負(fù)載側(cè)運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，充電機(jī)在設(shè)定運(yùn)行方式下的工作穩(wěn)定度及輸出功率的質(zhì)量。

2.2.2 功率類試驗(yàn)

功率類試驗(yàn)包含效率及功率因數(shù)試驗(yàn)，反映了待測(cè)試充電機(jī)電能的利用效率，各標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定當(dāng)輸出功率為額定功率的50%～100%時(shí)，效率應(yīng)不小于90%，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.9。

2.2.3 保護(hù)類試驗(yàn)

保護(hù)類試驗(yàn)包括限壓功能試驗(yàn)、限流功能試驗(yàn)、連接狀態(tài)異常試驗(yàn)、急停功能試驗(yàn)、電池反接試驗(yàn)、輸出電路保護(hù)試驗(yàn)、輸入過(guò)壓保護(hù)試驗(yàn)、輸入欠壓保護(hù)試驗(yàn)、輸出過(guò)壓保護(hù)試驗(yàn)、輸出過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)等，此類型試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)試充電機(jī)的保護(hù)配置是否得當(dāng)。

2.2.4 其他

此外還包括環(huán)境試驗(yàn)、電氣絕緣性能試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)等，此類試驗(yàn)需借助專用試驗(yàn)設(shè)備，如環(huán)境試驗(yàn)需要采用環(huán)境試驗(yàn)箱來(lái)模擬低溫、高溫和交變溫度，電磁兼容試驗(yàn)則需采用相對(duì)應(yīng)的電氣儀器來(lái)模擬各種電磁環(huán)境，電氣絕緣性能試驗(yàn)則采用安規(guī)測(cè)試儀進(jìn)行試驗(yàn)；機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)則采用錘子進(jìn)行錘擊試驗(yàn)對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

3 充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

3.1 充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

充電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)主要由3 部分組成：功率電路系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。功率電路系統(tǒng)包括仿真交流電源（具備調(diào)壓功能）、被測(cè)充電機(jī)、蓄電池；檢測(cè)系統(tǒng)包括功率分析儀、電能質(zhì)量分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、安規(guī)測(cè)試儀及所需傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機(jī)、軟件用戶界面及相應(yīng)的接口板卡及驅(qū)動(dòng)程序，完成遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)。由于需要對(duì)不同類型的充電機(jī)開(kāi)展測(cè)試，單一蓄電池?zé)o法滿足不同容量充電機(jī)的測(cè)試要求，同時(shí)鑒于蓄電池的安全性及耐用性的考慮，本平臺(tái)采用可根據(jù)測(cè)試要求小步長(zhǎng)調(diào)整負(fù)載大小的直流電阻負(fù)載模擬蓄電池，從而可反復(fù)測(cè)試不同額定功率的充電機(jī)性能。

充電機(jī)的檢測(cè)平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 The topology of charger detection platform

3.2 功率電路系統(tǒng)

功率電路系統(tǒng)模擬充電機(jī)的工作運(yùn)行情況，并通過(guò)調(diào)節(jié)仿真交流電源和直流電阻負(fù)載模擬充電機(jī)各種運(yùn)行工況，從而達(dá)到對(duì)充電機(jī)性能的全面檢測(cè)。

從圖1可以看出采用仿真交流電源作為充電機(jī)的輸入端，其可以模擬不同電網(wǎng)運(yùn)行工況，可以在充電機(jī)標(biāo)稱電壓的±15%范圍內(nèi)連續(xù)變化，模擬電網(wǎng)變化。圖1 顯示負(fù)載端有2 種方案：一種接入直流阻性負(fù)載，所設(shè)計(jì)直流電阻可滿足充電機(jī)輸出電壓在0～500 V，輸出電流在0～102.2 A內(nèi)的每一種輸出功率，采用多路接觸器和組合切換方案實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載功率的快速切換；另一種方案為實(shí)現(xiàn)充電機(jī)輸出端短路試驗(yàn)，將充電機(jī)的正負(fù)輸出端設(shè)計(jì)短接方案，以驗(yàn)證充電機(jī)輸出側(cè)短路時(shí)，保護(hù)功能是否啟動(dòng)。

3.3 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)包括二次測(cè)量設(shè)備及與功率電路系統(tǒng)相結(jié)合的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于充電機(jī)輸入輸出參數(shù)的測(cè)量，包括充電機(jī)輸入側(cè)的交流電壓、交流電流、有功功率、視在功率、諧波電流；充電機(jī)輸出側(cè)的直流電壓、直流電流、輸出功率、紋波電壓，根據(jù)這些測(cè)量量計(jì)算出充電機(jī)的性能指標(biāo)，包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、效率、功率因數(shù)、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、軟啟動(dòng)時(shí)間等。

從圖1 可以看出選用多種測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)不同用途來(lái)選擇不同的儀器保證測(cè)試的精確。選用電能質(zhì)量分析儀測(cè)量充電機(jī)的諧波電流可以實(shí)現(xiàn)諧波測(cè)量至63次，選用功率分析儀則達(dá)不到精度要求，而數(shù)據(jù)記錄儀的高頻采樣能力又是其他設(shè)備所無(wú)法達(dá)到的，而輸出量的多樣化又是功率分析儀的優(yōu)勢(shì)，所以本檢測(cè)平臺(tái)對(duì)于充電機(jī)輸入輸出側(cè)的電壓電流值采用功率分析儀進(jìn)行測(cè)量；充電機(jī)輸入端的諧波電流測(cè)試選用電能質(zhì)量分析儀；充電機(jī)輸出的軟啟動(dòng)時(shí)間采用數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行記錄；而充電機(jī)的紋波電壓則采用示波器進(jìn)行檢測(cè)。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備與檢測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信，并進(jìn)行設(shè)備的邏輯控制實(shí)現(xiàn)功率電路系統(tǒng)的設(shè)備選通，同時(shí)監(jiān)視各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 中工控機(jī)為監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其通過(guò)接口板卡實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與平臺(tái)設(shè)備的連通并進(jìn)行通信，本文所建立充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)的仿真交流電源、阻性負(fù)載及檢測(cè)系統(tǒng)中的功率分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、電能質(zhì)量分析儀、示波器均通過(guò)RS232數(shù)據(jù)線與工控機(jī)所驅(qū)動(dòng)的接口板卡通信，進(jìn)而人機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)過(guò)程中各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)整檢測(cè)運(yùn)行方式。圖1中工控機(jī)通過(guò)組態(tài)王軟件編寫(xiě)的相應(yīng)控制代碼驅(qū)動(dòng)接口板卡來(lái)控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)的選通。

4 并網(wǎng)逆變器—充電機(jī)集成檢測(cè)平臺(tái)

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果中充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)都是單獨(dú)開(kāi)發(fā)和使用，功能單一，導(dǎo)致平臺(tái)資源浪費(fèi)，使用率低，同時(shí)由于利用阻性負(fù)載來(lái)模擬蓄電池，在檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中消耗大量電能。

4.1 并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)

本課題組在2011—2012年建立了光伏并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)［7］，該平臺(tái)主要功能是測(cè)試待測(cè)并網(wǎng)逆變器的各項(xiàng)電氣性能，檢驗(yàn)是否滿足入網(wǎng)要求，其主要結(jié)構(gòu)包括交流仿真電源、直流仿真電源、待測(cè)逆變器、模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)、交流模擬負(fù)載、工控機(jī)及電能質(zhì)量分析儀、功率分析儀等二次測(cè)量設(shè)備和工控機(jī)，其中直流仿真電源模擬太陽(yáng)能光伏板直流輸入，交流仿真電源模擬逆變器并聯(lián)電網(wǎng)狀態(tài)，模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)模擬逆變器輸入側(cè)和輸出側(cè)兩側(cè)的系統(tǒng)線路阻抗，二次測(cè)量設(shè)備同樣是測(cè)量各輸入輸出側(cè)的電壓、電流功率值。并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)與充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)異同點(diǎn)分析

圖2 逆變器檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.2 The topology of inverter detection platform

將本文所建立的充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)與現(xiàn)有逆變器檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)功率輸入側(cè)為仿真交流電源，所用模擬負(fù)載為直流負(fù)載，逆變器檢測(cè)平臺(tái)功率輸入側(cè)為仿真直流電源，所用模擬負(fù)載為交流負(fù)載，兩平臺(tái)同時(shí)都需要仿真交流電源，兩平臺(tái)所采用的測(cè)量設(shè)備也基本一致，所以通過(guò)以上分析，完全可以將兩檢測(cè)平臺(tái)合并建設(shè)，設(shè)備互用，節(jié)省建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)也節(jié)省檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)空間，不同的是兩檢測(cè)平臺(tái)功率流向方向正好相反。

同時(shí)逆變器將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔懿⒎答侂娋W(wǎng)，而充電機(jī)的輸出側(cè)為穩(wěn)定的直流電能，因此將逆變器作為充電機(jī)的負(fù)載，使能量回饋電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的作用，這也是本逆變器—充電機(jī)集成檢測(cè)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，比如溫升試驗(yàn)需要滿足額定負(fù)載并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)，消耗電能巨大，采用逆變器可以使消耗電能回饋電網(wǎng)，節(jié)省試驗(yàn)電能，有著重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

另外，逆變器的容量與充電機(jī)之間沒(méi)有嚴(yán)格容量匹配關(guān)系，系統(tǒng)配置靈活可靠。如系統(tǒng)效率要求較高，逆變器的容量應(yīng)與充電機(jī)容量接近。

4.3 并網(wǎng)逆變器—充電機(jī)集成檢測(cè)平臺(tái)

由圖2 可知，逆變器檢測(cè)平臺(tái)的功率流向是由直流側(cè)流向交流側(cè)，而充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)流向正好與逆變器檢測(cè)平臺(tái)相反，是由交流側(cè)流向直流側(cè)，并且根據(jù)以上分析兩平臺(tái)所用檢測(cè)設(shè)備基本一致，因此從結(jié)構(gòu)拓?fù)涞慕嵌瓤梢詫?shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)和充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)的集成建設(shè)。在原有并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)基礎(chǔ)上功能擴(kuò)充后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

從圖3 可以看出，集成檢測(cè)平臺(tái)在已有的并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)上擴(kuò)充了充電機(jī)檢測(cè)功能，檢測(cè)平臺(tái)可以一體兩用。該平臺(tái)大大增加了設(shè)備的重復(fù)利用率，節(jié)約資源，并且可以縮短平臺(tái)建設(shè)的周期；另外并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)和充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)均利用組態(tài)王軟件進(jìn)行程序控制，方便地實(shí)現(xiàn)同各設(shè)備的數(shù)據(jù)通信和開(kāi)關(guān)選通，降低了開(kāi)發(fā)的難度，使開(kāi)發(fā)人員可以輕松進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

圖3 并網(wǎng)逆變器—充電機(jī)集成檢測(cè)平臺(tái)Fig.3 The topology of inverter-charger integrated detection platform

5 結(jié)論

本文依據(jù)充電機(jī)檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出了充電機(jī)檢測(cè)方案，建立了電動(dòng)汽車充電機(jī)的檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可以滿足不同類型電動(dòng)汽車充電機(jī)電氣性能入網(wǎng)檢測(cè)的需求。同時(shí)詳細(xì)分析了充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)與逆變器檢測(cè)平臺(tái)的異同點(diǎn)，在原有并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)基礎(chǔ)上，進(jìn)行方案改造，建設(shè)并網(wǎng)逆變器—充電機(jī)集成檢測(cè)平臺(tái)。分析證明該集成檢測(cè)平臺(tái)設(shè)備配置合理，節(jié)約空間和資源，節(jié)省建設(shè)費(fèi)用和時(shí)間，同時(shí)巧妙地將逆變器引入充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)，使入網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)更加節(jié)能高效。

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