李嘉彬，張 濤，楊志杰，楊建華

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 海淀100083)

目前，電動(dòng)自行車和電動(dòng)三輪車等電動(dòng)車在農(nóng)村地區(qū)被廣泛用于載人或運(yùn)輸貨物，部分農(nóng)戶使用的電動(dòng)車充電器、電采暖設(shè)備質(zhì)量不能滿足要求[1]，對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)造成了諧波污染，導(dǎo)致農(nóng)村配、用電設(shè)備損壞[2,3]。

本文研究農(nóng)村配電網(wǎng)中電動(dòng)車劣質(zhì)充電器導(dǎo)致的農(nóng)戶過(guò)電壓和設(shè)備損害問(wèn)題，在分析電動(dòng)車充電器諧波產(chǎn)生機(jī)理、諧波導(dǎo)致農(nóng)村配電網(wǎng)電壓過(guò)高原因的基礎(chǔ)上，構(gòu)建諧波對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)電壓影響的仿真模型；對(duì)于電動(dòng)車充電器諧波導(dǎo)致的農(nóng)村配電網(wǎng)用戶電壓過(guò)高的不同運(yùn)行狀態(tài)，采用農(nóng)村低壓配電網(wǎng)實(shí)例和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 電動(dòng)車充電器的諧波產(chǎn)生與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

電動(dòng)自行車和電動(dòng)三輪車等電動(dòng)車的蓄電池主要是鉛酸電池和鋰電池2 種。為減低成本，農(nóng)村電動(dòng)車廣泛使用鉛酸蓄電池。雖然相關(guān)電動(dòng)車充電技術(shù)以及蓄電池材料的研究一直在不斷進(jìn)步，但為兼顧經(jīng)濟(jì)性，農(nóng)村電動(dòng)車仍存在充電效率不高，充電過(guò)程伴隨著潛在的安全問(wèn)題。

1.1 電動(dòng)車充電器的電路結(jié)構(gòu)及諧波

目前電動(dòng)車充電器的型號(hào)規(guī)格較多，生產(chǎn)廠家不同其性能也不同，有些充電器采用線性變壓器降壓后整流，有些采用半橋功率變換電路，也有充電器采用單端反激式功率變換線路。大多數(shù)充電器都采用脈沖快速充電法，但為降低成本，不少充電器的電路比較簡(jiǎn)單，保護(hù)功能較差。在電動(dòng)車蓄電池的充電過(guò)程中，如果電動(dòng)車充電器充電電流的脈沖幅度和寬度控制不到允許值范圍內(nèi)，極易產(chǎn)生振蕩，形成一個(gè)諧波源向電網(wǎng)注入諧波。

充電器充電過(guò)程產(chǎn)生的諧波會(huì)使充電用戶的計(jì)算機(jī)屏幕和電視機(jī)顯示亮度發(fā)生波動(dòng)，圖形或圖像發(fā)生畸變，甚至?xí)褂脩舻碾姎庠O(shè)備內(nèi)部元件損壞。此外，諧波會(huì)導(dǎo)致線路和設(shè)備功率損耗增加；三次諧波及3的倍數(shù)次諧波即使在負(fù)載三相平衡的情況下也會(huì)使不平衡電流大于相電流；充電器導(dǎo)致的諧波還會(huì)干擾繼電保護(hù)設(shè)備、電氣測(cè)量設(shè)備、控制和通信電路以及用戶電子設(shè)備等，會(huì)使靈敏設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作或元件故障。

1.2 電動(dòng)車劣質(zhì)充電器現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)量

由于劣質(zhì)充電器采用的電路結(jié)構(gòu)和元器件不盡相同，對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)電壓的影響也就不完全一樣，因此，須對(duì)劣質(zhì)充電器進(jìn)行諧波數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

在北方某城市的農(nóng)村電網(wǎng)，用HRDXB 型號(hào)的電力測(cè)量?jī)x對(duì)多臺(tái)電動(dòng)自行車和電動(dòng)三輪車充電器充電時(shí)的諧波進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。其中充電器型號(hào)為SP 500-80 的某品牌電動(dòng)車充電時(shí)的諧波含量最高，該電動(dòng)車采用鉛酸蓄電池，相關(guān)參數(shù)如表1 所示，充電器各次諧波電流含量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值如表2所示。

表1 SP 500-80充電器的參數(shù)

表2 SP 500-80充電器諧波電流測(cè)量值

由表2 可見，充電器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，高次諧波電流含量隨著次數(shù)的增加基本呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。諧波電流包括3、5、7、9、11、13、15 等高次諧波，以3 次諧波和5 次諧波為主，總畸變率可達(dá)到79.5%，說(shuō)明該充電器的諧波電流情況極為嚴(yán)重。

2 含劣質(zhì)充電器的農(nóng)村配電網(wǎng)電壓計(jì)算

2.1 配電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算

農(nóng)村低壓配電網(wǎng)，一般為樹型結(jié)構(gòu)，用戶分散，供電半徑大，線路較長(zhǎng)且絕緣水平較低。隨著電動(dòng)車在農(nóng)村地區(qū)普及，農(nóng)村低壓配電網(wǎng)的負(fù)荷有很大增加。與此同時(shí)，電動(dòng)車劣質(zhì)充電器在工作時(shí)伴隨產(chǎn)生的較大諧波電流注入配電網(wǎng)，會(huì)加重農(nóng)村低壓配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)配電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算即可得到配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓大小。此外，在一個(gè)臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)中可能會(huì)有兩個(gè)或多臺(tái)充電器同時(shí)工作的場(chǎng)景，不同充電器產(chǎn)生的諧波之間會(huì)互相作用，導(dǎo)致配電網(wǎng)線路中的諧波電流增加，引起相鄰一些農(nóng)戶家的電壓升高。

正弦電壓施壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變會(huì)為非正弦波，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也ǎ瑢?dǎo)致諧波產(chǎn)生。目前農(nóng)業(yè)農(nóng)村中所用的電動(dòng)交通工具和機(jī)械數(shù)量猛增，農(nóng)村電網(wǎng)電壓的畸變率也呈明顯上升趨勢(shì)。而其配套設(shè)備中的整流裝置所占的比例最大，其產(chǎn)生的諧波污染所帶來(lái)的危害較大。此外，斬波和逆變裝置的應(yīng)用也很多，而其輸入直流電源也來(lái)自整流裝置，因此其諧波問(wèn)題也很嚴(yán)重，這類裝置對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)的諧波污染日漸突出。

配電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算是指在基波潮流計(jì)算的基礎(chǔ)上，又要考慮各諧波源影響的配電網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)各次諧波電壓、所有支路各次諧波電流的計(jì)算。配電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算的主要步驟為：

根據(jù)各諧波源的本身運(yùn)行特性，得到諧波源注入到配電網(wǎng)中的變量參數(shù)；

根據(jù)所在配電網(wǎng)中配電變壓器、配電線路、等值系統(tǒng)以及用電設(shè)備等已有電氣元件的不同特性，確定在配電網(wǎng)中各電氣元件在各次諧波下所等效出來(lái)的諧波等值阻抗，從而可以得出相應(yīng)配電網(wǎng)的諧波導(dǎo)納矩陣Y(h)；

根據(jù)如式（1）所示的諧波方程，可以計(jì)算出配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的各次諧波電壓以及諧波電壓畸變率等，如式（2）和式（3）所示。

式中：U(h)和I(h)分別為第h次的諧波分量所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓向量和節(jié)點(diǎn)電流向量；UH為某節(jié)點(diǎn)諧波電壓的總量；THDu為該節(jié)點(diǎn)諧波總電壓畸變率。

2.2 諧波潮流計(jì)算仿真算例

北方某扶貧搬遷村的配電變壓器和低壓臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)接線如圖1 所示。農(nóng)村低壓配電網(wǎng)負(fù)荷的隨機(jī)性和波動(dòng)性較大，并且一般用戶是以單相方式接入。各農(nóng)村用戶雖然是盡量均勻接入低壓配電網(wǎng)的三相中，但由于各個(gè)用戶的用電設(shè)備功率不相同，設(shè)備開啟時(shí)間不定，所以將會(huì)造成農(nóng)村低壓配電網(wǎng)的三相不平衡問(wèn)題。因此，在農(nóng)村低壓配電網(wǎng)諧波電壓計(jì)算中還應(yīng)考慮三相不平衡所帶來(lái)的影響。

圖1 北方某村的臺(tái)區(qū)接線圖

低壓線路連接的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三相負(fù)荷如表3 所示。

2.2.1 不接入任何諧波電器

在接入表5 的各相負(fù)荷后，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓標(biāo)幺值，其中節(jié)點(diǎn)10、11 的電壓均為0.97 p.u.，滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 接入單個(gè)諧波源

以表2中電動(dòng)車充電器諧波的實(shí)際測(cè)量結(jié)果為依據(jù)，在（1）中負(fù)荷的基礎(chǔ)上，將表2中諧波源的各次諧波注入低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)10的A相，由此對(duì)此低壓配電臺(tái)區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步仿真計(jì)算。這時(shí)，節(jié)點(diǎn)11的A 相用戶電流諧波畸變率THDi高達(dá)71.2%，表明存在顯著的諧波干擾；部分計(jì)算結(jié)果如表4所示，節(jié)點(diǎn)10、11 的A 相電壓分別達(dá)到了1.26p.u.和1.21p.u.；轉(zhuǎn)換為有名值，節(jié)點(diǎn)10、節(jié)點(diǎn)11的A相電壓分別提升了63.8 V 和52.8 V，已經(jīng)遠(yuǎn)超供電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓偏差限值。

表3 低壓線路負(fù)荷圖

表4 單諧波源節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算結(jié)果

2.2.3 接入兩個(gè)諧波源

同樣的負(fù)荷，將表2中諧波源的各次諧波同時(shí)注入低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)10、14的A相，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，部分計(jì)算結(jié)果如表5 所示。這時(shí)，節(jié)點(diǎn)11的A 相用戶電流諧波畸變率THDi高達(dá)72.0%；節(jié)點(diǎn)10、11 的A 相電壓分別達(dá)到了1.28 p.u.和1.22 p.u.；轉(zhuǎn)換為有名值，節(jié)點(diǎn)10、節(jié)點(diǎn)11的A相電壓分別提升了68.2 V 和55.0 V，同樣遠(yuǎn)超供電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓偏差限值。

表5 雙諧波源節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算結(jié)果

可見當(dāng)劣質(zhì)充電器接入后，不光會(huì)向配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中注入大量諧波，還會(huì)引起接入節(jié)點(diǎn)以及附近節(jié)點(diǎn)的電壓升高，電壓過(guò)高有可能導(dǎo)致一些正常運(yùn)行的設(shè)備燒壞。由潮流計(jì)算結(jié)果可以得知，在接入劣質(zhì)充電器時(shí)，接入節(jié)點(diǎn)以及附近節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓都有不同程度的升高。

此外，在A 相接入含有大量諧波的諧波源后，三相電壓均有很大提升。其中，A 相電壓的提升最為嚴(yán)重，B 相其次，C 相電壓提升較低。這是由于三相接入負(fù)荷不平衡，C 相負(fù)荷較大、諧波含量相對(duì)較低，引起的電壓提升程度較低；A 相直接接入諧波源，諧波含量最高，引起的電壓提升也最高。

3 配電網(wǎng)諧波問(wèn)題的治理

近年來(lái)，電動(dòng)自行車和電動(dòng)三輪車以其快捷、方便等特點(diǎn)，成為了農(nóng)村一種較為普遍的出行交通工具，在農(nóng)民日常生活與生產(chǎn)中隨處可見。雖然各地質(zhì)檢、工商部門加大了電動(dòng)車及其充電器的質(zhì)量監(jiān)管和抽查力度，但電動(dòng)車充電器引發(fā)的用電安全問(wèn)題仍不斷發(fā)生，成為隱藏在農(nóng)村的“定時(shí)炸彈”。為了避免農(nóng)村配電網(wǎng)諧波導(dǎo)致用戶過(guò)電壓和其他充電安全事故的現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)村居民普及相關(guān)諧波和用電安全知識(shí)的宣傳，讓農(nóng)民不購(gòu)買不合格的電動(dòng)車充電器，對(duì)已經(jīng)使用的不合格電動(dòng)車充電器要及時(shí)淘汰和銷毀。

為切實(shí)保障農(nóng)民安全，應(yīng)在農(nóng)民使用電動(dòng)車較多的村莊，集中安裝帶自動(dòng)充電、自動(dòng)檢測(cè)、定時(shí)斷電等功能的電動(dòng)車自助充電樁，并由專門單位負(fù)責(zé)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和后期維護(hù)。根據(jù)實(shí)際情況，可以在低壓臺(tái)區(qū)安裝濾波器?？紤]到農(nóng)村劣質(zhì)充電器用戶的隨機(jī)性，同時(shí)兼顧濾波器的安裝費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)和管理問(wèn)題，在實(shí)際工程中可以盡可能將濾波器安裝在低壓臺(tái)區(qū)中農(nóng)戶較多的某一分支線路始端節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)中電動(dòng)車劣質(zhì)充電器所導(dǎo)致的諧波和農(nóng)戶過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了充電器諧波電壓和諧波電流的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量。在分析電動(dòng)車充電器工作原理以及農(nóng)村配電網(wǎng)特性的基礎(chǔ)上，探討了電動(dòng)車劣質(zhì)充電器導(dǎo)致用戶電壓升高的機(jī)理，并在三相負(fù)荷不平衡條件下對(duì)農(nóng)村低壓臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行了諧波源不同運(yùn)行狀況的仿真分析。仿真結(jié)果表明，使用劣質(zhì)充電器會(huì)導(dǎo)致大量諧波電流注入農(nóng)村配電網(wǎng)，造成配電網(wǎng)中充電器接入點(diǎn)用戶以及附近用戶的電壓升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)農(nóng)戶用電設(shè)備損壞的安全問(wèn)題。在實(shí)際農(nóng)村低壓臺(tái)區(qū)的配電網(wǎng)中，可以集中安裝智能化的電動(dòng)車自助充電樁，也可以考慮將濾波器安裝在農(nóng)戶較多的某一分支線路中。