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        電動(dòng)客車大功率充放電諧波問題研究

        2019-08-22 09:56:22王洪軍馬愛國武云龍
        客車技術(shù)與研究 2019年4期
        關(guān)鍵詞:大功率限值充放電

        王洪軍,雷 杰,馬愛國,武云龍

        (比亞迪汽車工業(yè)有限公司,廣東深圳 518118)

        相較傳統(tǒng)燃油客車,電動(dòng)客車排放友好、噪聲小,可通過大功率車載V2G充放電技術(shù)作為并網(wǎng)儲(chǔ)能裝置對電網(wǎng)削峰填谷,在緩解電網(wǎng)效率偏低的同時(shí)創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益。但由于電動(dòng)客車對電網(wǎng)充放電的電流超過100 A,功率高達(dá)80 kW,多車同時(shí)充電或同時(shí)放電會(huì)使電網(wǎng)負(fù)荷加重,導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)諧波含量劇增,電網(wǎng)設(shè)備和用戶設(shè)備被干擾,電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障。因此,在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)客車大功率充放電功能的基礎(chǔ)上,確保電網(wǎng)側(cè)諧波含量趨于合理是大功率車載V2G充放電技術(shù)進(jìn)步的重要一環(huán)。

        1 電動(dòng)客車充放電諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        1.1 充放電諧波的影響

        充放電諧波的產(chǎn)生主要與非線性負(fù)載有關(guān)。通過電網(wǎng)對車輛充電時(shí),車輛端的整流電路阻抗為變化值,其阻抗隨外加電壓的變化而變化,導(dǎo)致整流電路從電網(wǎng)吸取的電流不是理想正弦波。同樣,車輛對電網(wǎng)放電時(shí)逆變電路和電網(wǎng)阻抗的不斷變化也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)從車輛端吸收的電流不是理想正弦波。充放電諧波會(huì)影響電網(wǎng)和電網(wǎng)負(fù)載的正常運(yùn)行[1-2]:

        1)使電網(wǎng)供電線纜的損耗電壓增大,且線纜易發(fā)熱過溫甚至損壞。

        2)諧波電流使變壓器芯損和銅損增大,還會(huì)通過變壓器本身的結(jié)構(gòu)電容流過變壓器殼體,導(dǎo)致變壓器局部發(fā)熱。

        3)高頻諧波分量易流過電網(wǎng)電容器,增加電容器損耗,使電容發(fā)熱過溫甚至炸裂。

        4)使電網(wǎng)側(cè)的電器設(shè)備出現(xiàn)失效或誤動(dòng)作情況。電網(wǎng)諧波過大還會(huì)滲透到其他公共電網(wǎng),影響公共電網(wǎng)下電器設(shè)備的電源質(zhì)量,干擾敏感設(shè)備的信號(hào)傳輸,導(dǎo)致電器設(shè)備無法正常工作。

        1.2 諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        由于純電動(dòng)客車對電網(wǎng)放電的諧波專用標(biāo)準(zhǔn)還處于空白狀態(tài),純電動(dòng)客車對電網(wǎng)充放電的諧波標(biāo)準(zhǔn)主要參考IEC 61000系列;同時(shí)部分國家和地區(qū)也會(huì)參考并網(wǎng)設(shè)備和電網(wǎng)本身的諧波要求。

        1)充電諧波電流標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)電動(dòng)客車充電諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17625.8—2015《電磁兼容 限值 每相輸入電流大于16 A小于等于75 A連接到公用低壓系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生諧波電流限值》[3],此標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IEC 61000-3-12—2011 轉(zhuǎn)化而來[4],規(guī)定了三相平衡設(shè)備在不同短路比下的奇次諧波電流(5次、7次、11次、13次)、偶次諧波電流(2次、4次、6次、8次、10次、12次)及總諧波電流畸變率(THD)的限值要求,其中THD最小限值要求為13%。

        2)放電諧波電流標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)客車放電諧波電流限值主要有兩類標(biāo)準(zhǔn):一類為放電諧波電流需滿足充電諧波電流限值要求;另一類為分布電源與電力系統(tǒng)互聯(lián)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),如IEEE 519—2014《電力系統(tǒng)諧波控制的建議做法和要求》[5],美國、加拿大、韓國等國家以此標(biāo)準(zhǔn)作為并網(wǎng)設(shè)備的放電諧波要求。其規(guī)定了電力系統(tǒng)中奇次諧波(3次~49次)、偶次諧波(2次~50次)、及總諧波電流畸變率(THD)的要求,其中THD限值要求為5%。GB/T 19939—2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》規(guī)定了光伏并網(wǎng)設(shè)備對電網(wǎng)的奇次諧波(3次~33次)、偶次諧波(2次~32次)及總諧波電流畸變率(THD),其中THD最小限值要求為5%,比充電諧波電流13%的限值要求更嚴(yán)苛[6]。

        3)充放電諧波電壓標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)客車充放電諧波電壓主要有兩類標(biāo)準(zhǔn):一類是IEC 61000-2-2—2017《公共低壓供電系統(tǒng)低頻傳導(dǎo)和信號(hào)傳輸?shù)碾姶偶嫒菟健?,此?biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低壓電網(wǎng)中的奇次諧波電壓、偶次諧波電壓及總諧波電壓畸變率(THD)的限值要求,其要求THD≤11%;另一類為電網(wǎng)諧波電壓標(biāo)準(zhǔn),GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定0.38 kV電網(wǎng)的總諧波電壓畸變≤5%,奇次諧波電壓含有率≤4%,偶次諧波電壓含有率≤2%,較 IEC 61000-2-2 要求更嚴(yán)苛[7-10]。

        2 諧波測試及改善

        2.1 諧波測試原理

        諧波的測試方法有模擬濾波器測量法、傅里葉變換測量法、小波變換測量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測量法等。目前使用最廣泛的是傅里葉變換測量法,主要包括離散傅里葉變換和快速傅里葉變換,具有準(zhǔn)確度高、使用方便的優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是采樣和傅里葉變換的時(shí)間較長,實(shí)時(shí)性差。采用傅里葉變換測量法的常見測試設(shè)備有EMC諧波測試機(jī)、電能質(zhì)量分析儀、功率計(jì)、波形記錄儀、示波器等[11]。測試原理圖如圖1所示。

        圖1 測試原理圖

        V2G采用三相半橋電壓型PWM變流器和非隔離雙向DC-DC,通過改變變流器工作狀態(tài)和升降壓實(shí)現(xiàn)充放電功能,控制方式成熟,功能豐富,匹配的交流充電樁結(jié)構(gòu)簡單,成本低;但受限于工作效率和空間,大功率雙向DC/DC無法和直流充電樁(快充)一樣采用隔離變壓器。

        2.2 充放電諧波電流電壓測試

        文中電動(dòng)客車對電網(wǎng)充放電通過2個(gè)2×40 kW車載V2G實(shí)現(xiàn)(交流慢充、慢放),最大充放電功率可達(dá)80 kW。

        1)表1為3輛車充電時(shí)的A相奇次諧波電流值,均滿足IEC 61000-3-12的要求。通過額定總電流和總諧波電流畸變率(THD)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),充電電流變大時(shí)THD減小,奇次諧波中5次、7次諧波電流含有率最大。

        表1 3輛車充電時(shí)A相奇次諧波電流值(交流慢充)

        2)表2為3輛車對電網(wǎng)放電時(shí)的A相奇次諧波電流值,均滿足IEC 61000-3-12的要求。放電時(shí)的諧波電流變化規(guī)律和充電諧波電流變化規(guī)律基本一致,放電電流變大時(shí)總諧波電流畸變率(THD)減小。

        表2 3輛車放電時(shí)A相奇次諧波電流值(交流慢放)

        3)表3為3輛車充電時(shí)的A相奇次諧波電壓值,均滿足IEC 61000-2-2和GB/T 14549的要求。

        表3 3輛車充電時(shí)A相奇次諧波電壓值(交流慢充)

        4)表4為3輛車對電網(wǎng)放電時(shí)的A相奇次諧波電壓值,均滿足IEC 61000-2-2和GB/T 14549的要求。

        表4 3輛車放電時(shí)A相奇次諧波電壓值(交流慢放)

        2.3 諧波問題及分析

        從測試數(shù)據(jù)來看,3輛電動(dòng)客車大功率充放電諧波數(shù)據(jù)良好,未出現(xiàn)超標(biāo)情況,隨著充電總電流增大,充電諧波電流的THD還會(huì)因?yàn)槊總€(gè)V2G之間各次諧波的互相疊加而減小。實(shí)際上,由于大功率交流慢充、慢放時(shí)通過V2G與電網(wǎng)直接傳導(dǎo)相連,若V2G自身諧波未處理好,各V2G諧波容易通過傳導(dǎo)相互影響導(dǎo)致諧波加劇;而快充一般采用直流充電柜,使用了隔離變壓器,部分諧波可被抑制。因此電動(dòng)客車通過V2G對電網(wǎng)充放電仍存在以下諧波的優(yōu)化問題:

        1)多車同時(shí)大功率充電時(shí),電網(wǎng)負(fù)載增大,若電網(wǎng)冗余容量不足,低含量的諧波也會(huì)引發(fā)電網(wǎng)異常。

        2)大功率車載V2G使用的IGBT具備顯著的高頻率、大電流、高電壓特性,IGBT開關(guān)過程中的電流、電壓沖擊會(huì)更明顯,從而導(dǎo)致高頻諧波含量增加。

        3)V2G自帶濾波模塊可濾除單車充放電的大部分諧波含量,但多車同時(shí)充放電時(shí),由于V2G采用非隔離DC-DC,每個(gè)V2G的濾波模塊均通過電網(wǎng)傳導(dǎo)相連,最后形成一個(gè)復(fù)雜耦合濾波網(wǎng)絡(luò),若耦合濾波網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)同時(shí)產(chǎn)生諧振,電網(wǎng)諧波會(huì)更嚴(yán)重。

        4)多車同時(shí)充放電時(shí),各V2G的開關(guān)器件控制狀態(tài)不一致,導(dǎo)致各V2G之間易形成環(huán)流,環(huán)流雖有助于減小總諧波電流畸變,但也可能使某次諧波含量劇增。

        5)多車同時(shí)充放電時(shí),各V2G的開關(guān)器件內(nèi)部死區(qū)和漏電流引發(fā)的諧波易通過傳導(dǎo)連接的耦合網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生放大效應(yīng)直接影響電網(wǎng)。

        以多車同時(shí)大功率充電為例,2017年某地公交場站反饋夜間充電過程中變壓器聲音異常,產(chǎn)生周期性的異常嘯叫聲,同時(shí)變壓器的運(yùn)行溫度很高。該場站共接有4臺(tái)800 kVA變壓器,每臺(tái)變壓器帶有10個(gè)60 kW充電樁,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)如下問題:

        1)同一變壓器下的10輛城市客車同時(shí)60 kW充電時(shí),電網(wǎng)L1相總諧波電壓畸變率達(dá)到7.9%,雖然滿足 IEC 61000-2-2的要求,但不滿足 GB/T 14549中5%的總諧波電壓畸變限值要求。

        2)多車充電時(shí)存在潮汐變化的高次諧波電壓,10輛車同時(shí)充電時(shí)L2相的36次諧波電壓含有率最高可達(dá)7.1%,遠(yuǎn)超GB/T 14549中2%的偶次諧波電壓限值要求。

        2.4 諧波治理

        2.4.1 抑制車載V2G諧波源

        1)V2G使用脈寬調(diào)制(PWM技術(shù))。在載波頻率很高時(shí),PWM技術(shù)可以很好抑制輸出中的低次諧波含量,同時(shí)還可以通過控制開關(guān)器件通斷時(shí)序減小某次諧波的含量。

        2)V2G使用多電平變流技術(shù)。多重方波疊加可以消除次數(shù)較低的諧波,重?cái)?shù)越多,波形越接近正弦波,諧波含量越低,與PWM技術(shù)配合使用效果更好。

        3)V2G增加換流裝置脈動(dòng)數(shù)。諧波的主要成分集中在奇次諧波,增加脈動(dòng)數(shù)可以平滑波形,減小幅值較大的低次諧波含量,如12脈、18脈整流器。

        2.4.2 抑制V2G諧波傳播途徑

        使用V2G無源濾波裝置,無源濾波器可以給特定頻率的諧波提供一個(gè)低阻抗回路,讓諧波通過濾波器回到諧波源頭,使諧波不會(huì)流經(jīng)電網(wǎng)。傳統(tǒng)的LC濾波器由濾波電容器、電阻器和電抗器組成,可以在一定程度上凈化電網(wǎng)諧波,成本低,效果較好,但局限性很強(qiáng),針對不同諧波需設(shè)計(jì)不同濾波回路(如多級(jí)濾波器)來濾除大部分諧波[12]。

        2.4.3 充放電車輛總功率合理配置

        通過配置合理的充放電總功率可減小諧波對電網(wǎng)的影響。供電系統(tǒng)短路容量與接入設(shè)備短路容量之比為短路比,短路比越大,同樣大小的諧波電流對系統(tǒng)的影響越小,電網(wǎng)抗干擾能力越強(qiáng),因此可通過設(shè)置部分系統(tǒng)容量冗余來增強(qiáng)電網(wǎng)的抗干擾能力。此方法同樣可解決多車同時(shí)大功率充電出現(xiàn)的變壓器異常嘯叫問題,但成本較高。

        3 結(jié)束語

        電動(dòng)客車大功率V2G充放電技術(shù)正處于快速發(fā)展階段,隨著大功率V2G充放的增多,電網(wǎng)負(fù)荷急劇加重,電網(wǎng)側(cè)的諧波問題會(huì)變得愈加嚴(yán)峻。在實(shí)現(xiàn)多車同時(shí)大功率充電或放電的同時(shí),確保電網(wǎng)側(cè)諧波含量趨于合理,是大功率V2G充放電批量化應(yīng)用必須解決的問題。

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