摘要：多台电动汽车在应用充电桩进行充电时将会对电网产生复杂的谐波影响,相对于单台电动汽车充电所产生的谐波要更加复杂多变。谐波会对电网的电能质量产生的一定的影响,为保证供电安全需要就多台充电桩与电网之间的交互影响进行分析,并注意分析各次谐波电流幅值与充电桩台数增加之间的变化关系。本文通过建立仿真模型用以分析多台充电桩进行充电时所产生的谐波影响。

关键词：充电桩接入；电网谐波；影响；分析

电动汽车充电桩产生的谐波大多数都往系统侧流动，而几乎不往负荷处流动；设备间流动的谐波电流幅值会随着并联设备数量的增加而减小。配电网存在背景谐波的情况下将使得电动汽车充电桩产生的谐波发生更严重的畸变，应予以密切关注。该模型可以为电动汽车充电站及配电网规划、设计电动汽车充电桩并网位置、负荷位置以及超高次谐波治理问题提供理论依据

1电动汽车充电桩模型分析

1.1充电机等效模型

电动汽车充电桩主要由逆变器模块、DC/DC功率变换器模块、滤波模块组成。接受来自配电网的交流电，经一系列环节后为电动汽车提供电能。目前市面上有两类电动汽车充电桩：交流充电桩和直流充电桩。因交流充电桩本身并不具备充电功能，只是单纯提供电力输出，还需要连接电动汽车车载充电机，方可为电动汽车电池充电。且电动汽车车载充电机的功率一般都比较小，所以交流充电桩无法实现快速充电（大电流、短时间）。而直流充电桩可直接为电动汽车的电池充电，一般采用三相四线制或三相三线制供电，输出的电压和电流可调范围大，因此可以实现电动汽车快速充电。由于慢速充电模式（小电流、

长时间）给电动汽车使用造成了较大的不便利，本文选择直流充电桩进行模型的建立。拓扑结构如图1所示。

图1电动汽车充电桩结构

为了便于仿真，可将图1中功率变换器部分进行等效，等效结果如图2所示，其中voa，vob，voc为逆变器端口三相电压；ifa，ifb，ifc为三相交流电流；Udc为直流母线电压。电动汽车最常用的充电方法为恒流限压/恒压限流，在一定的工频周期内，都可以认为充电机的输出电流和输出电压

是恒定的直流，即图1中Io，Uo均为常数。在低频范围内，可以用一个非线性电阻Rc来近似模拟高频功率变换环节的等效输入电阻：

式中：Udc，Idc分别为DC/DC功率变换电路输入电压和电流；Uo，Io分别为DC/DC功率变换电路输出电压和电流；Po为DC/DC功率变换电路输出功率；η为DC/DC功率变换电路效率。

图2电动汽车充电桩仿真模型

1.2非线性电阻建模

如式（1）所示，非线性电阻Rc在整个充电周期内是变化的，根据蓄电池充电过程记录数据，用曲线拟合充电机输出功率的曲线：

式中：P0max为最大输出功率。

输出功率曲线如图3所示，该结果与文献基本相符。利用PSCAD软件中的元件库，根据式（1）和式（2）搭建Rc和P0的模型，如图4所示。其中，假设单台充电机的最大功率为0.009MW，效率η为0.9。

1.3控制电路建模

“PWM整流＋高频DC/DC变换器”型充电机是目前市场上的新兴产品，采用先进的电力电子器件以及更加优化合理的控制策略，具有功率因数高、变换效率高、谐波畸变小等优势，使用时无须增加滤波装置，对电网电能质量基本不产生不良影响。本文选择同步旋转坐标系下PI的控制策略来生成PWM控制信号。控制框图如图5所示。

式中：L∑为滤波器的等效电感；ifd，ifq分别为ifa，ifb，ifc经过派克变换后的d轴和q轴分量；vd，vq分别为voa，vob，voc经过派克变换后的d轴和q轴分量；v1d，v1q分别为va，vb，vc经过派克变换后的d轴和q轴分量。

图3电动汽车充电功率变化曲线

图4非线性电阻控制框图

图5dq坐标系下PWM整流器的控制框图

1.4充电桩充电质量的建模分析

为研究接入多台电动汽车充电桩所受谐波的影响需要对充电桩在多台电动汽车接入时的电能质量需要对其进行建模分析。为了更好的模拟真实的情况在模型建立时囊括了光伏发电系统和其他分布式的电源系统, 分手式电源所采用的是三相电压型 SPWM 逆变器,因此模型可以以 SPWM 进行等效。仿真模型中,充电桩进行作为负载端与电力系统进行连接,并入了 4 台充电桩采用 PQ 控制, 充电桩容量为 9kw,变压器容量为 1MVA。通过模拟数据显示单台电动汽车充电桩的输出谐波与充电桩所接入的电动汽车台数呈反比, 即接入的电动汽车台数越多充电桩所输出的电流幅值也越小，而造成这一现象的根本原因在于充电桩所接入电动汽车产生的谐波之间将会产生矢量叠加,叠加的谐波将产生相位影响。此外,随着充电桩上所接入电动汽车数量的增加, 充电桩与电网的接入点上的谐波电流幅值将大幅增加,造成这一现象是由于充电桩与电动汽车相连接后,电动汽车就可以看作为接入配电网的负载, 电动汽车充电时所产生的谐波电流受到配电网系统接入点与系统之间阻抗的作用,加之系统与接入点之间的阻抗要比电动汽车接入点之间的阻抗小得多, 从而造成电动汽车充电桩在充电时所产生的谐波电流主要流向配电网系统,从而在配电网系统中产生较大的干扰。同时通过模拟可以看出, 单台充电机所产生的 5 次谐波电流平均为 0.432A, 接入 4 台充电机后所产生的 5 次谐波电流平均为0.927A, 上述数据显示增加充电桩接入的电动汽车台数所造成的谐波电流并不是线性增加的, 而是非线性增加的。造成这一现象的原因是由充电桩所接电动汽车之间存在谐波电流相互抵消的情况, 由于抵消的存在使得谐波电流并不与电动汽车台数的增长同比例.此外,还需要考虑到配电网中所含有的背景谐波电压所产生的网侧变流器谐波电流所产生的影响,由于其频率与电网背景谐波电压频率相同,因此其极易掩藏在背景电压之下容易被忽视。在电动汽车动力电池充放点控制策略上如采用传统的双环控制策略将容易导致逆变器输出电流的跟踪性较差,使之与参考电流之间存在较大的偏差,从而造成多台电动汽车在应用充电桩充电时会产生较为明显的影响。

2多台充电桩接入充电对电网所产生谐波影响测试

为验证分析的准确性需要对多台充电桩接入充电对电网所产生谐波影响进行实际测试,试验选取了某型号相同的充电桩,通过为期一周的测试测试在多台电动汽车充电时所产生的谐波影响。样本采集将以409.6KHz为采样频率,用以记录充放电时所产生的谐波电压和电流,并将所记录的数据整理绘图.通过对所记录的数据进行分析后发现,接入充电桩上的电动汽车越多,则意味着接入配电网侧的负载电阻越多,汇集母线上所通过的电流也在不断的增大。此外,多台电动汽车所引发的谐波电压影响并不是线性叠加的,而是矢量叠加的。以4台的电动汽车为例,在其接入充电桩时所产生的电压仅为单台电动汽车接入充电桩所产生谐波电压的3.6倍,略低于4台线性叠加所产生的4倍.多台电动汽车接入充电桩的情况下,各车所产生的谐波电压将会对同一时间段所接入充电桩中的电动汽车谐波电压产生接触抵消的情况,从而使得充电桩的谐波电压增加呈现出非线性特性。

3结束语

电动汽车在未来将取得广泛的应用,为保障充电安全需要积极做好充电桩充放电特性的研究与分析。电动汽车充电桩所产生的谐波往往向着配电网侧流动,其向负载处流动的极少,同时随着接入充电桩中的负载设备的增加,设备间所涌动的谐波电流将由于谐波叠加的影响而有所降低。此外,多台电动汽车应用充电桩充电时所产生的谐波容易在配网背景谐波的影响下产生一定的变化,而这一变化的存在将会对配电网的电能质量产生较为严重的影响。新时期随着电动汽车使用量的不断增加,其接入充电桩后将会对配电网产生较大的影响,为保障供电质量需要就各种影响进行分析,以便于后期结合所产生的影响采取针对性的控制措施。

参考文献

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