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        電動汽車充電站電能質量采集與分析

        2019-05-07 06:20:28趙凌霄未倩倩
        汽車電器 2019年4期
        關鍵詞:充電站畸變電能

        趙凌霄,未倩倩,李 津

        (中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300)

        電能質量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質[1,2]。而供用電系統(tǒng)中存在發(fā)電機、變壓器和線路等非線性或不對稱設備,負荷性質復雜多變[3-5],導致了電網(wǎng)運行、電力設備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題,從而產(chǎn)生了電能質量的概念。

        隨著電動汽車的不斷普及與發(fā)展,充電樁與充電站的數(shù)量也與日俱增,引入了更多的大功率充電設備,大量集中的電動汽車充電可能引起電網(wǎng)電能波動,造成電能質量問題,這不但影響公用電網(wǎng)的安全運行,還對各種電力用戶的用電過程造成直接與間接的危害[6,7],同時,惡劣的電能質量也會對電動汽車充電造成一定影響。本文通過采集國內(nèi)主要城市充電站電能質量,總結分析存在的電能質量問題,探討電能質量對電動汽車充電過程的影響。

        本次電能質量的采集與分析,以電動汽車、充電樁總量多,地域分布廣為考慮因素,主要對東北地區(qū)、北京地區(qū)、上海地區(qū)、南方地區(qū)等四大地區(qū)中的9個城市:北京、長春、大連、天津、上海、常州、合肥、長沙、深圳進行電能質量調(diào)查與數(shù)據(jù)采集,具有一定代表性。

        1 電能質量采集分析

        衡量電能質量的主要指標有電壓、頻率和波形,包括電壓質量、電流質量、供電質量和用電質量。電能質量問題可以定義為:導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差,其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態(tài)過電壓、波形畸變 (諧波)、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。

        中國從20世紀90年代初至今, 國家技術監(jiān)督局先后組織制定并頒布了6項電能質量國家標準,對電能質量的相關技術指標進行了標準化要求,詳見表1。

        表1 電能質量國家標準

        這些標準是中國公用電網(wǎng)正常運行應滿足的條件,給電能質量治理工作提供了參考與依據(jù),也為電能質量調(diào)查采集數(shù)據(jù)提供了標準支撐。

        電能質量測試方法如下。

        基于現(xiàn)有的國家標準對電能質量的要求,以及對產(chǎn)品抗干擾性的要求,主要采集研究網(wǎng)側電壓、頻率、電流等。此外,對單個充電樁的控制導引信號[8](以下簡稱CP信號)進行了數(shù)據(jù)采樣。

        測試原理圖如圖1所示。其中,V1、I1為充電回路電壓電流,V2、I2為漏電壓與漏電流值,V3為檢測點1的電壓值,V4是檢測點2的電壓值。

        圖1 電能質量測試原理圖

        依據(jù)圖1,搭建電能質量采集分析平臺如圖2所示,供電端由交流充電樁輸入,經(jīng)模擬充電連接回路,使充電樁能夠識別車輛,建立通信,正常輸出,在輸出側接800 W電阻負載,構成測試回路,用CPL波形測量儀來測量充電樁CP信號,電源波形測量儀來測量分析電能質量。

        圖2 電能質量采集分析平臺示意圖

        電能質量現(xiàn)場測試照片如圖3所示,通過采集分析平臺,能夠在充電過程中實時監(jiān)控電能質量相關數(shù)據(jù),并采集記錄充電過程中的電能質量問題。

        圖3 電能質量采集分析平臺

        2 電能質量調(diào)研結果分析

        在選定的9個測試城市中,分別依據(jù)工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、生活區(qū)來進行分類,采集不同區(qū)域的電能質量相關數(shù)據(jù),覆蓋多種工況下的電能質量情況。通過對采集數(shù)據(jù)的分析研究,電能質量問題主要存在供電電壓有效值超限、供電電壓波形畸變率超限、供電電壓暫降和供電電壓短時中斷等,以下是其中各典型電能質量問題分析。

        2.1 供電電壓有效值超限

        如圖4所示,多個充電站存在供電電壓超限的問題。圖4a所示充電站電壓有效值始終超出標準要求,保持在237 V以上;圖4b所示充電站供電電壓緩慢上升,并最終上升至236 V以上;圖4c所示充電站在充電樁啟動時,供電電壓存在驟變工況。

        圖4 供電電壓有效值超限分析圖

        2.2 供電電壓諧波畸變率超限

        圖5所示,大連某充電站供電電壓諧波畸變率在5.7%~6.9%,相應的電流諧波畸變率在5.8%~7%,超出標準規(guī)定范圍。

        圖5 供電電壓諧波超限分析圖

        2.3 供電電壓暫降

        圖6所示,在充電過程中,供電電壓幅值突然下降至60 V,造成供電頻率在49~51 Hz之間瞬間變化,并且引起電壓諧波含量激增,諧波總畸變率數(shù)倍增加,如圖7所示。

        圖6 供電電壓暫降分析圖

        圖7 供電電壓諧波含量突增分析圖

        2.4 供電電壓中斷

        圖8所示某充電站,在充電過程中,供電電壓突然中斷,而后又重新啟動,導致充電過程中斷,諧波畸變率增加。

        圖8 供電電壓中斷分析圖

        2.5 CP信號波形

        在各充電站電能質量測試過程中,發(fā)現(xiàn)充電樁CP信號也存在不符合國家標準的情況,可能與電能質量情況相關,如圖9所示的CP波形中,CP信號無負電壓或上升下降時間過長等,均有可能造成無法充電或充電中斷等問題。

        圖9 CP信號波形

        3 結論

        通過對9個城市電能質量的調(diào)研,以及對典型數(shù)據(jù)與波形的分析,反映了存在的電能質量問題,這些電能質量問題均有可能對電動汽車充電過程造成一定影響,現(xiàn)簡要分析如下。

        1)供電電壓有效值超限,可能導致充電設備誤動作,出現(xiàn)過壓保護,終止充電,嚴重時可能損壞充電設備。

        2)供電電壓諧波畸變率超限會導致充電系統(tǒng)功率因數(shù)降低,降低電網(wǎng)電能使用率;此外,可能降低充電效率,并增加連接器熱損耗,帶來安全隱患;電壓諧波還會引起充電樁CP信號出現(xiàn)電壓波動,甚至超出標準限值,導致車輛無法充電。

        3)供電電壓暫降、中斷可能引起電動汽車充電部件,如車載充電機等,判斷過壓或欠壓保護,導致誤動作,繼而終止充電,將導致充電過程中斷,并且會對其他的設備如控制器、繼電器、接觸器等敏感器件造成損害。

        下一步,將會基于采集分析得出的電能質量問題,在實驗室進行模擬再現(xiàn),進一步研究分析電能質量問題對電動汽車充電造成的影響。

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