蔣鵬為 楊俊燁 林懷德

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局）

0 引言

當(dāng)下，新能源汽車(chē)發(fā)展迅速，然而新能源汽車(chē)的充電勢(shì)必對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生影響，特別是諧波方面不容忽視。研制充電樁諧波治理裝置，就是要未雨綢繆，在電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模影響配電網(wǎng)絡(luò)前，對(duì)這類(lèi)新出現(xiàn)的負(fù)荷進(jìn)行有效研究，杜絕其對(duì)配網(wǎng)線路和設(shè)備產(chǎn)生不良影響，保證新能源汽車(chē)的綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)和配電網(wǎng)的安全。

1 概述

目前充電樁主要有直流和交流兩種形式，兩種充電樁在充電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流，進(jìn)而對(duì)配電網(wǎng)的電能輸送質(zhì)量產(chǎn)生影響，極端的甚至?xí)斐膳潆娫O(shè)備跳閘和燒壞。

直流樁一般功率較大，常見(jiàn)的為100kW 左右，一般設(shè)計(jì)在專(zhuān)用的電動(dòng)車(chē)充電場(chǎng)地，常見(jiàn)的有高速公路服務(wù)器、城市電動(dòng)公交車(chē)站場(chǎng)、收費(fèi)充電停車(chē)場(chǎng)等，直流樁的體積一般較大，占地較多，相應(yīng)的設(shè)計(jì)也較為完善，自身可以處理充電時(shí)產(chǎn)生的諧波，一般來(lái)說(shuō)對(duì)電網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生較大的危害；而交流充電樁一般采用單相供電，功率為7kW 左右，其充電原理是采用車(chē)載充電機(jī)將交流電整流成直流，進(jìn)而給車(chē)載電池充電，因?yàn)榻涣鞒潆姌扼w積小，占地少，一般小區(qū)的停車(chē)場(chǎng)內(nèi)采用的都是交流充電樁，我們研發(fā)的裝置，主要針對(duì)的就是城市小區(qū)內(nèi)的交流充電樁。

2 理論分析

諧波對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行存在一定的危害，由于充電樁所帶負(fù)荷一般為非線性負(fù)荷，所以在充電過(guò)程中，整流器將會(huì)產(chǎn)生一定的高次諧波，通過(guò)零線，注入電網(wǎng)；影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，進(jìn)而產(chǎn)生一些不好的影響，比如增加輸電線路電能損耗、降低功率因數(shù)、降低配電無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備壽命、降低繼電保護(hù)的可靠性、干擾控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作等。

實(shí)際中交流充電樁對(duì)應(yīng)的車(chē)載常用的三相橋式整流型電路的理想等效模型如圖1 所示，利用傅里葉諧波分析理論對(duì)該模型產(chǎn)生的諧波進(jìn)行理論分析，得出諧波的規(guī)律為：充電整流電路是半波對(duì)稱(chēng)的，所以無(wú)偶次諧波，主要為奇次諧波，僅含6k±1（k為正整數(shù)）次諧波，即5、7、11、13、17、19 次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

圖1 三相橋式整流型電路的理想等效模型

根據(jù)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549—1993）等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，公共連接點(diǎn)注入的諧波電流分量允許值如表1 所示。

表1 諧波電流分量允許值

當(dāng)公共連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，上表中的諧波電流允許值按以下公式進(jìn)行換算。

考核點(diǎn)的最小短路容量Sk1不同于假定基準(zhǔn)最小短路容量Sk2時(shí)，應(yīng)按照國(guó)標(biāo)附錄B 進(jìn)行換算，換算公式如下：

式中，Sk1為實(shí)際公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；Sk2為基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp為國(guó)標(biāo)表6-2中的第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值，A。

經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)充電樁諧波問(wèn)題真實(shí)存在，有改良和治理的必要，為此，提出進(jìn)行一種充電樁諧波治理裝置的研制。

3 典型場(chǎng)景

為配合充電樁諧波治理裝置的研制，選取廣東某區(qū)供電局下轄城鎮(zhèn)住宅小區(qū)（某光小區(qū)A 和某城小區(qū)B）內(nèi)的公用配電網(wǎng)進(jìn)行研究。

根據(jù)配電系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和用電客戶(hù)反饋，這兩個(gè)小區(qū)曾經(jīng)在夜晚10～11 點(diǎn)左右發(fā)生配電開(kāi)關(guān)跳閘事件，并導(dǎo)致小區(qū)部分區(qū)域停電，居民意見(jiàn)比較大。

翻查后臺(tái)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生跳閘事件的當(dāng)天，小區(qū)內(nèi)的負(fù)荷較為正常，并未出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷的現(xiàn)象，因此也就不存在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷引起開(kāi)關(guān)設(shè)備觸發(fā)長(zhǎng)延時(shí)電流保護(hù)跳閘，同時(shí)，變壓器的三相負(fù)載也是較為均衡的，不存在中性線電流過(guò)大的問(wèn)題，從而引發(fā)中性點(diǎn)保護(hù)跳閘的問(wèn)題。接著又通過(guò)搖絕緣試驗(yàn)和外觀檢查排除了配電設(shè)備本身的質(zhì)量問(wèn)題。

繼續(xù)排查系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)在某光小區(qū)A 里，在近期新增了一部分充電樁專(zhuān)用電表，這些電表有些為單相，報(bào)裝容量7kW；有些為三相交流快充充電樁，使用的是三相電表，報(bào)裝容量為15kW。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，在A 小區(qū)里，發(fā)生開(kāi)關(guān)跳閘事件的臺(tái)區(qū)下，一共有11戶(hù)報(bào)裝了充電樁專(zhuān)用電表，總的報(bào)裝容量為125kW。因?yàn)槌潆姌秾?zhuān)用電表可以享受峰谷電價(jià)，因此，大多數(shù)充電樁的用戶(hù)都是在電壓低谷，也就是晚上10 點(diǎn)以后開(kāi)啟電動(dòng)車(chē)充電的，與發(fā)生開(kāi)關(guān)跳閘存在時(shí)間上的關(guān)聯(lián)。

因此重點(diǎn)懷疑是充電樁用戶(hù)使用的同期率較高，在差不多同一時(shí)間開(kāi)啟非線性負(fù)荷的充電工作，會(huì)引起諧波電流耦合振蕩，在配電網(wǎng)的零線上造成較多的諧波電流通過(guò)，從而引發(fā)開(kāi)關(guān)設(shè)備的中性線電流保護(hù)跳閘。

選取晚上8 點(diǎn)半至第二天的凌晨4 點(diǎn)左右，測(cè)試地點(diǎn)為各交流充電樁接入的公用配電站內(nèi)，低壓母線A、B、C 相線上的電流值。采用的測(cè)試設(shè)備為日置（HIOKI）3198 電能質(zhì)量分析儀。A 小區(qū)電流諧波的測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 A 小區(qū)電流諧波的測(cè)試結(jié)果

結(jié)果顯示，在被測(cè)小區(qū)中，諧波電流主要存在于3、5 次中，其中5 次諧波量最大，超過(guò)5.75A 的標(biāo)準(zhǔn)電流限值。證實(shí)了小區(qū)內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備跳閘是因?yàn)榇嬖谳^大的諧波電流。其中由非線性負(fù)荷引起的諧波電流中，5 次諧波的含量最大，也是重點(diǎn)治理的方向。

在B 小區(qū)中，從系統(tǒng)中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)顯示，一共有15 戶(hù)報(bào)裝了充電樁專(zhuān)用電表，總的報(bào)裝容量為185kW，情況較為類(lèi)似，配網(wǎng)零線中也存在同樣的情況，這就消除了不同品牌設(shè)備對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)交流充電樁的不同，本次研制的裝置分為兩種，一種為單相交流充電樁的諧波治理裝置，另外一種為三相交流充電樁的諧波治理裝置，分別適用于不同類(lèi)型的充電樁。

（1）硬件線路

單相交流充電樁諧波治理裝置的硬件線路圖如圖2 所示，D1為電源側(cè)方向，為公用電房出來(lái)的火線和零線，非線性負(fù)載代表正在工作的交流充電樁，其在充電時(shí)并不是恒定負(fù)載，會(huì)不定時(shí)地釋放諧波電流，所以簡(jiǎn)化成一個(gè)非線性負(fù)載。

圖2 單相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

虛線框內(nèi)為所設(shè)計(jì)的諧波治理裝置，其一端和火線相連，另外一端和零線相連，在電路上和非線性負(fù)荷構(gòu)成并聯(lián)的關(guān)系。裝置內(nèi)部有三條并行的線路，分別由L，C和R構(gòu)成一個(gè)基本的諧振電路，每條諧振支路都可以由控制器單獨(dú)開(kāi)啟，在加入控制器后，諧波治理裝置的運(yùn)行比較智能，可以根據(jù)非線性負(fù)載的工況實(shí)時(shí)變化，并且在實(shí)際運(yùn)行中，如果L、C或R元件存在故障，在控制器的幫助下，也可以很快檢測(cè)出基礎(chǔ)元器件的故障，從而快速切除，避免發(fā)生短路故障。

三相交流充電樁治理裝置的工作方式類(lèi)似，其內(nèi)部含有過(guò)濾不同頻率諧波的元件，分別由不同的控制器控制，該裝置整體接入三相交流電源，具體安裝位置為三相電流表的表前，裝置的控制器可以根據(jù)三相非線性負(fù)載開(kāi)啟不同頻率的濾波元件，減小甚至消除三相不平衡負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，保證配電網(wǎng)電能質(zhì)量，如圖3 所示。

圖3 三相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

對(duì)于治理裝置的控制器，采用功能齊全的FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行研發(fā)，其內(nèi)置多種邏輯控制芯片，是承載治理控制邏輯的良好載體。

選用國(guó)產(chǎn)FPGA 開(kāi)發(fā)板進(jìn)行研發(fā)，其接口較多，并且容易開(kāi)發(fā)，在此開(kāi)發(fā)板上，可以通過(guò)加裝RS485模塊，實(shí)現(xiàn)與充電樁專(zhuān)用智能電表的通訊功能，通過(guò)智能電表的CT，可以檢測(cè)出電表后的非線性負(fù)荷什么時(shí)候開(kāi)始工作，來(lái)決定何時(shí)開(kāi)啟控制器及諧波治理裝置。

（2）控制器控制流程

控制器的軟件控制流程如圖4 所示。

圖4 軟件流程圖

治理裝置的兩端分別接入單相電源的火線和零線，治理裝置的控制器可以和處于裝置后段的智能電表進(jìn)行通信，通過(guò)電表的CT 檢測(cè)負(fù)載是否開(kāi)啟，當(dāng)單相交流充電樁開(kāi)始工作的時(shí)候，電表CT 中有電流通過(guò)，控制器啟動(dòng)；而即非線性負(fù)載開(kāi)始產(chǎn)生諧波的時(shí)候，控制器開(kāi)始接通內(nèi)部的部分濾波元件開(kāi)始濾波，當(dāng)濾波器檢測(cè)到還有更高頻次的諧波通過(guò)零線時(shí)，控制器會(huì)開(kāi)啟更多的濾波器件，降低諧波含量。

（3）裝置應(yīng)達(dá)到的技術(shù)參數(shù)

裝置的絕緣電阻：參考《低壓有源電力濾波器技術(shù)規(guī)范》（DL/T 1796—2017）中對(duì)絕緣電阻的規(guī)定：裝置中帶電回路之間、帶電回路與裸露導(dǎo)電部件以及帶電回路與地之間的絕緣，應(yīng)采用相應(yīng)絕緣電壓等級(jí)（至少 500V） 的絕緣測(cè)量?jī)x器測(cè)量。測(cè)得的絕緣電阻按標(biāo)稱(chēng)電壓應(yīng)至少為50MΩ。

裝置的損耗：參考《低壓有源電力濾波器技術(shù)規(guī)范》（DL/T 1796—2017）對(duì)設(shè)備損耗的規(guī)定：裝置在額定電壓下按基波無(wú)功模式運(yùn)行，當(dāng)輸出額定電流時(shí)，其有功功率損耗應(yīng)不大于裝置額定視在功率的3%。對(duì)于所設(shè)計(jì)的單相諧波治理裝置而言，其額定功率為7kW，即其有功損耗不大于210W；對(duì)于三相諧波治理裝置來(lái)說(shuō)，其額定功率為15kW，即其有功損耗不大于450W。

5 安裝使用

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，A 小區(qū)內(nèi)11 戶(hù)充電樁一共有10戶(hù)的電表表前可以安裝諧波治理裝置，B 小區(qū)一共有13 戶(hù)電表表前有空間和位置，條件允許，也安裝了諧波治理裝置。

在安裝后，也對(duì)裝置的安裝效果進(jìn)行了檢查和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裝置在后段電表不工作時(shí)，電阻大于2500MΩ，工作正常，而在后段非線性負(fù)荷開(kāi)啟后，裝置也開(kāi)始正常工作，功耗僅為50W，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 效果比較

（1）技術(shù)效益比對(duì)

在充電專(zhuān)用電表表前安裝諧波治理裝置后，對(duì)設(shè)備的效果開(kāi)展了效果檢驗(yàn)。同樣的，測(cè)試時(shí)間為晚上8 點(diǎn)半至第二天的凌晨4 點(diǎn)左右，測(cè)試地點(diǎn)為各交流充電樁接入的公用配電站內(nèi)，低壓母線A、B、C相線上的電流值。采用的測(cè)試設(shè)備為日置（HIOKI）3198 電能質(zhì)量分析儀。A 小區(qū)電流諧波的測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 A 小區(qū)電流諧波的測(cè)試結(jié)果

對(duì)比以后發(fā)現(xiàn)，諧波治理裝置對(duì)充電樁產(chǎn)生的諧波有比較明顯的治理作用，明顯降低了配網(wǎng)線路中電流的諧波畸變率，并提高了該配網(wǎng)臺(tái)區(qū)的功率因數(shù)。

（2）社會(huì)效益比對(duì)

一般來(lái)說(shuō)，充電樁安裝集中的小區(qū)都是服務(wù)意識(shí)較高的居民用戶(hù)，其對(duì)停電事件異常敏感。之前，由于停電的原因尚未摸清，每次跳閘復(fù)電的時(shí)間都在1h 左右，每月都會(huì)發(fā)生3 起上下，如果所有具備條件安裝充電樁的小區(qū)，同步安裝了充電樁諧波治理裝置，可大大降低停電事件的發(fā)生次數(shù)，節(jié)約搶修費(fèi)用、搶修人員的同時(shí)，可大大提高供電可靠性，降低停電時(shí)戶(hù)數(shù)，為保障縣區(qū)供電局作為先鋒模范打造的國(guó)內(nèi)供電可靠性一流供電企業(yè)做出貢獻(xiàn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研發(fā)一種充電樁諧波治理裝置，成功將試點(diǎn)小區(qū)內(nèi)的配網(wǎng)諧波進(jìn)行了有效治理，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)應(yīng)用前景。而對(duì)充電樁諧波的有效治理，有利于提高整套充電系統(tǒng)的效率，減少系統(tǒng)的損耗，保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和充電樁通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也使得電動(dòng)汽車(chē)充電裝置能更好地滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的要求，從而促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。