充电站对电网的影响分析及对策

充电站对电网的影响分析及对策

罗鸿标

广东电网有限责任公司揭阳供电局广东揭阳522000

摘要：本文围绕充电站对电网的影响进行分析研究，得出充电站推广使用后，主要会对电力系统产生负荷电流大增的状况和谐波污染两大影响，可采用人为引导充电方式和安装滤波装置等方法进行应对。

关键词：电动汽车充电站；负荷电流；谐波污染；对策

本文主要研究电动汽车充电站对电网的影响，包括研究电网负荷电流的增大及谐波污染的影响，同时提出相应的对策。

1电动汽车充电站的充电模式

目前常见的充电模式主要有常规充电和快速充电两种模式。

常规充电方式安装成本比较低，主要采用恒压或者恒流的传统充电方式，以比较低的电流对电动汽车进行充电，但一般充电时间为5～8h，甚至长达10～20h。快速充电方式则以比较高的电流在短时间内为蓄电池充电，一般典型的充电时间是：10～30min，充电电流一般为150～400A。与常规充电方式相比，快速充电的充电器安装成本相对比较高，充电效率也比较低，对蓄电池寿命有一定的影响，同时对充电的技术方法和安全性都有较高的要求。

2影响

2.1电流需求增加对电网的影响

2.1.1使电力系统过载

如果未加以引导，当大量电动汽车在用电高峰期进行充电时，将使电网负荷大幅度增加，对电网的负荷调节能力、载荷能力以及电源容量均造成考验。过载区域的电压将降低，达不到标准，对于电能质量要求比较高的用电设备来说，这将是致命的影响，有可能使该设备损坏或者停止运行。

2.1.2使电网运行效率模式低下

当充电电流需求量比较大时，区域电网电压会受影响，应该启动临时发电机工作来分担过量的负载，以便满足最大的需求电量。但发电机的特性是需要运行一段时间后才能进入稳态运转，所以要求发电机提前启动，以应付负荷的高峰期，而当负荷高峰过去后，发动机一般仍需要保持运行，这样就会造成能量浪费。

2.2谐波污染对电网的影响

充电站采用的充电机为非线性设备，所以运行时会影响电力系统的电能质量，产生谐波，而谐波电流对电网来说是一种污染，它会使电网中的用电设备运行不稳定甚至损坏，也会给周围的通信系统或者公用电网带来危害。谐波电流对电力电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：

（1）谐波电流使电力电网中的各种元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电以及用电设备的效率。

（2）谐波会对邻近的通信系统产生一定的干扰，轻者会有噪声扰动，降低通信质量，重者导致通信信息丢失，使通信系统无法正常工作，影响生产生活活动。

（3）谐波电流影响各种电气设备的正常工作。谐波会产生机械振动、过电压和噪声，使系统中变压器局部严重过热，谐波还会使电缆、电力电容器等设备过热，缩短使用寿命，以至损坏。

（4）谐波扰动会导致电力系统中的继电保护装置误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

3对策

3.1电流需求增加对电网影响的对策

为了减小需求高峰时段电动汽车充电引起的电流过载，必须对电动汽车充电的行为加以引导，一般采用充电协调方法。这种方法就是在同一充电站内，当同时给一组电动汽车充电时，根据各辆车的具体剩余电量，协调好充电时间和充电电流，减少过载电流的出现。充电协调的方法一般有分布协调法和集中协调法两种。

3.1.1分布协调法

分布协调法，就是在每辆电动汽车上安装一个控制装置，其作用是当整个充电站的总电流需求量在电网可承受范围内时，使每辆电动汽车的充电电流达到最大值，缩短充电时间；而当电流总需求量大于电网可承受范围时，使每辆电动车的充电电流相应减小。

3.1.2集中协调法

集中协调法，需要在充电站安装中央计算控制系统，用来收集来自于每一辆电动汽车充电时的必要信息，比如电池容量、额定电流、额定电压、荷电状态和预期充电时间等等，通过中央计算控制系统的智能判断，协调好每辆电动汽车蓄电池的充电电流大小、充电时间长短，从而达到总电流需求量不超载的目的。但这种方法的缺点是成本较高，系统设计也较复杂。

3.2谐波污染的治理对策

减小谐波影响的技术措施，可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置，在谐波源处吸收谐波电流。

3.2.1使用新技术充电设备

目前比较新的充电设备是由脉冲宽度调制整流模块（PWM）和高频隔离DC/DC变换器组成，图2所示为其典型结构图，其整流侧采用PWM技术，功率因数比较高，电网侧电流产生谐波较小，可使注入电网的电流总畸变率小于5%，相应各次谐波电流也小，同时对高频电流隔离，而且装置体积小，变换效率高。这种充电设备接入电网不需要加装谐波抑制装置便可使用。不过其成本高，结构也相对复杂，实际工作性能仍需进一步完善。

3.2.2加装有源滤波器

充电机是时变负荷，负荷特性变化快，可以采用有源滤波技术。

有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对频率和大小都变化的谐波进行补偿。APF有并联型和串联型两种，前者用的多。并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。

针对时下应用最为广泛的充电机，满载工作的输入功率因数小于0.9，谐波电流畸变率更是能达到27%，对电网电能质量影响较大，可采有源滤波器在低压母线侧集中补偿，补偿容量按不小于充电机总功率的20%配置。其补偿容量的选择可参考下式

式中为可靠系数，取1.05～1.20；为充电机的充电效率；为充电机在交流电源输入端产生的谐波电流含有率；为单台充电机功率。

三相有源电力滤波器系统框图如图3所示，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波抑制专用设备。它主要由补偿电流发生电路和指令电流运算电路两个主要部分组成。指令电流运算电路能够实时监视线路中的电流，并将电流的模拟信号转换为数字信号，送入数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流，注入电网中，对谐波电流进行抵消，达到主动消除谐波的目的。

4结论

综上所述，电动汽车充电站的充电设备接入电网，对电力系统的负面影响是显而易见的。对于目前主流的充电机设备，加装有源滤波器进行集中补偿消谐的方法还是效果显著的：它能提高功率因数，将2～50次谐波有效地抑制。有源滤波器除了滤除谐波电流外，同时还可以动态补偿无功功率，其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到94%以上。但还是需要从多方面采取措施，充电机供货商也应该研发采用更先进的技术降低设备对电网的谐波注入。