羅為,姚希(1.南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京　210046; 2.上海電氣集團(tuán)，上?！?00245)

0　引　言

光伏充電站指含有太陽能光伏電源與充電站負(fù)荷的微電網(wǎng)系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電作為一種前沿的電能生產(chǎn)技術(shù)，以其特有的污染小、噪音低、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)日益得到人們的關(guān)注[1]。由于電動(dòng)汽車對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車較小，其前景也被廣泛看好。由于光伏電源以及充電樁都是非線性設(shè)備，所以當(dāng)它們各自進(jìn)行或組合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，都可能會(huì)產(chǎn)生大量的諧波從而影響電能質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外的研究已經(jīng)關(guān)注光伏發(fā)電與電動(dòng)汽車充電樁對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響[2-4]，而對(duì)光伏電源與充電樁組合系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析與綜合治理的研究較少。本文除了研究二者各自影響，還通過建模對(duì)二者的組合系統(tǒng)即光伏充電站的電能質(zhì)量問題及諧波治理措施進(jìn)行探討。

1　光伏發(fā)電系統(tǒng)模型與仿真

光伏發(fā)電系統(tǒng)是指利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過程。光伏發(fā)電系統(tǒng)包括將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光伏陣列模塊、含最大功率跟蹤(MPPT)功能的DC/DC升壓模塊、逆變器模塊[5-6]。根據(jù)各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)建立MATLAB仿真模型分別如圖1～圖3所示。

將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入負(fù)載，模型如圖4所示，電網(wǎng)電壓仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，此時(shí)諧波率較高，波形有比較明顯的失真。

2　充電站模型與仿真

根據(jù)充電樁等效電路圖[7-8]建立MATLAB模型如圖6所示，將五臺(tái)相同的充電樁組成充電站，接入電網(wǎng)模型如圖7所示。對(duì)圖7所示的模型進(jìn)行仿真分析，得到交流電流波形如圖8所示。

從圖8可以看出，充電站波形也發(fā)生了畸變，不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，仍然需要改善。

3　交流充電方式下光伏充電站系統(tǒng)模型與仿真

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電逆變?yōu)榻涣麟娭笤賹?duì)充電站進(jìn)行充電為交流光伏充電站，模型如圖9所示。

對(duì)圖9所示的模型進(jìn)行仿真，交流電流波形如圖10所示?？梢钥闯鋈嗖ㄐ位兊梅浅?yán)重。由此可見，不同非線性設(shè)備組合而成的系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波污染會(huì)比它們各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的污染嚴(yán)重得多，這樣的系統(tǒng)一旦并入外部的主體電網(wǎng)必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。

圖1　光伏陣列仿真模型

圖3　三相SPWM逆變電路仿真模型

圖4　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

圖5　電網(wǎng)側(cè)輸出電壓波形圖

圖6　單臺(tái)充電樁模型

圖7　充電站接入電網(wǎng)模型

圖8　充電站交流電流波形及諧波

圖9　交流光伏充電站模型

圖10　 交流充電站電流波形

4　諧波改善

4.1　加裝濾波器

系統(tǒng)諧波過大，加裝濾波器是一種首先想到的措施。分別對(duì)充電樁未加濾波器和加裝濾波器的模型進(jìn)行仿真(加裝濾波器后的模型如圖11所示)。

圖11　接入濾波器的單臺(tái)充電樁仿真模型

濾波前后的三相電流和電壓波形，如圖12～圖13所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，濾波器可以有效地濾除交流電中的諧波電流，大大降低了電流的畸變率，使得電流和電壓的波形均恢復(fù)至較為完美的正弦波。

圖12　未加濾波器的電壓和電流波形

圖13　加入濾波器之后電壓和電流波形

4.2　直流充電方式下光伏充電站模型與仿真

圖14　直流光伏充電站模型

除了出現(xiàn)諧波后的補(bǔ)救措施，是否能從源頭上減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染呢？可以嘗試?yán)霉夥l(fā)電系統(tǒng)發(fā)出穩(wěn)定的直流電直接給充電樁、站充電的方式，此種方式的模型如圖14所示。

此時(shí)的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出穩(wěn)定的直流電直接對(duì)充電站進(jìn)行充電，單獨(dú)組成了一個(gè)一體化的穩(wěn)定的微電網(wǎng)系統(tǒng)。因?yàn)檫@種微電網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)電、充電，獨(dú)立于大電網(wǎng)之外，所以盡管作為電源的PV陣列和作為負(fù)載的充電樁都會(huì)產(chǎn)生諧波，但是不會(huì)對(duì)外部的大電網(wǎng)產(chǎn)生影響。從源頭上減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，從而減少了電網(wǎng)諧波源。因此應(yīng)該優(yōu)先選用直流光伏發(fā)電站，當(dāng)光伏發(fā)電不足再考慮從電網(wǎng)對(duì)充電站進(jìn)行充電。

5　結(jié)束語

無論是光伏發(fā)電系統(tǒng)還是充電站負(fù)荷，接入電網(wǎng)都會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，而交流充電方式的光伏充電站接入電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波影響更為嚴(yán)重，因此需要考慮光伏充電系統(tǒng)的諧波改善問題。加裝濾波器是一種改善諧波的有效方式，但是相對(duì)于后期改善，采用直流充電方式的光伏充電站，則能從源頭上減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，應(yīng)該作為優(yōu)先之選。本文研究給大力發(fā)展的光伏與充電樁行業(yè)的發(fā)展方向探索提供廣闊的思路與有益的技術(shù)支撐。

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