电动汽车充电对电网影响

电动汽车充电对电网影响

学院：信息与电气工程学院

班级：电气工程及其自动化（定单）2010-3

姓名： 汪海鹏

学号：201001100321

指导老师：白星振

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一 电动汽车新增电力需求预测----------------------3

二 充电机谐波分析-------------------------------------------------4

三 电动车的充电模式的技术状况--------------------5

（1）常规充电模式---------------------------------5

（2）快速充电模式---------------------------------6

（3）更换电池组-----------------------------------7

四 谐波的产生与危害------------------------------8

五 谐波消除的主要措施------------------------------------------12

（1） 合理增大充电机的滤波电感值---------------------------12

（2）增大整流装置的脉波数---------------------------------------12

（3）采用功率因数校正技术---------------------------------------12

（4） 由容量较大的系统供电-------------------------------------13

（5） 加装滤波装置-------------------------------------------------13

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（6） 谐波消除的目标值-------------------------------------------13

六 结束语---------------------------------------14

一 电动汽车新增电力需求预测

据国家新能源汽车产业发展规划相关文献资 料表明，2010 2015年是我国电动汽车实现产业化，系统化、和规模化推广使用的关键五年。从我国电动汽车发展和应用现状来看，很多专家推测2016年将是我国电动汽车产业化集约化生产发展的拐点，电动汽车研究发展和实际应用将进入高速成长期。据一些不完全调查统计资料预测，到2020年就东部沿海上海市其电动汽车的市场规模预计将可以达到35万辆（按市场渗透率为 15%进行估算）。大量电动汽车的充电将会给电网带来新一轮的电力负荷快速增长，假设以每辆电动汽车配置12kW • h的蓄电池进行估算，则上海市所有电动车一天所需充电容量将会达到337万kW -h(此处同时利用系数取0.8进行计算），这就势必会增大电网用电负荷峰谷差，给电力系统 发电、输电、以及配电环节提出了更大的压力。智能电网建设发展的核心在于采取新的技术手段，充分挖掘电网中的能源潜力，有效提高电网能源的综合利用效率和运营经济效益，同时达到节约能源资源，保护环境的目的。在大量电动汽车充电负荷的加入后，智能电网要根据充电负荷实际 需要，构筑适应多种能源供需单元的发电、配电、以及用电自适应调节控制系统，以期更加适应多元化电能供需的市场化电能高效利用交易需要，在确保电动汽车充电等多样化电力负荷接入与电网运营安全互动的基础上，更加适应各类电力客户自主选择、智能自动化操作需要。电动汽车入网（V2G)技术就是电动汽车的能量按照并网智能控制策略，在受控状态下实现与电网间的安全稳定双向互动和能量交换，是“智能电网技术”中能源优化利用的重要组成部分。在V2G电动汽车入网技术中，电动汽车蓄电池的充放电被统一智能调配，即按照充电汽车既定的充放电控制策略, 在满足电动汽车用户安全稳定行驶需求的前提下, 最小化电动汽车接入电网中带来的谐波等污染, 实

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现电动汽车充电与电网的安全互动。智能快捷 的充电方式成为电动汽车充电技术发展的趋势, 智能充电技术的开发应用具有远大的前景。

二 充电机谐波分析

目前应用的充电机一般是高频充电机,动力蓄电池充电方法和充电控制策略采用较多的是典型的两阶段充电方法(恒流限压/恒压限流,CC/CV)\"在采CC/CV充电方法时,在一个完整的充电周期中,充电机输出电流Io(t)和输出电压u(t)的典型曲线以及充电机输出功率p(t)(p(t)=u(t)i(t))的曲线

大功率纯电动汽车充电机的一般结构框图如图所示

三相电网输入交流电,经过三相桥式不可控整流电路整流变成直流电,滤波后提供给高频DC一DC功率变换器,功率变换器经过直直变换输出需要的直流,再次滤波后为纯电动汽车动力蓄电池充电。

三 电动车的充电模式的技术状况

电动汽车逐步形成大规模商业应用的前夕，作为电力部门更应关注电动汽车大量使用的充电设备，是否会对电网的供电质量产生不良影响，目前国内的电动汽车所使用的充电设备为：高频和工频两种。

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不同种类的动力电池具有不同的充电属性，充电方式必须与电池的充放电曲线进行匹配，最佳充电属性在0.1C～0.3C之间变化。电池系统额定电压相同的情况下，最高充电电压由于电池种类、结构形式上的区别也体现出一定的差别。对于不同种类的电池，充电方式及电控制和管理策略也不同，因此应根据电池的特性来确定不同的充电方法。

由于电动汽车动力电池组的技术和使用特性的不同,电动汽车的充电模式存在一定的差别。通常有常规充电、快速充电和更换电池组三种充电模式。

（1）常规充电模式

常规充电是指采用小电流（0.1C～0.3C）在较长的时间内对蓄电池进行慢速充电，这种充电又叫普通充电。常规蓄电池均采用小电流的恒压恒流三段式充电，一般充电时间为10～12小时，最长可达15小时。

常规充电的优点：

1）充电器和安装成本较低，便于实现车载；

2）可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，保证充电时段电压相对稳定；

3）充电设施体积小可携带，便于车辆在停车场以外的地方充电。

常规充电的缺点：

充电时间过长，难以满足车辆紧急运行的需求。

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常规充电的适用性：

1） 设计电动汽车的续驶里程尽可能大，能满足车辆运营一天的需要，仅仅利用晚间停运时间充电；

2） 由于常规充电以常规的电流为蓄电池充电，因此在家里、停车场和公共汽车站都可以进行充电；

3） 常规充电站的规模一般较大，以便能够同时为多辆电动汽车进行充电。

（2）快速充电模式

常规充电的充电方法一般时间较长，给实际车辆使用带来许多不便。快速充电模式的出现，为电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应急充电，是指以较大的电流（一般用1 C～3C）在30min至2h的短时间内，为电动汽车进行充电的一种模式。

快速充电的优点：

1） 充电时间短，场地周换快；

2） 充电站场不需要大面积的停车场。

快速充电的缺点：

1） 充电效率较低，安装成本和工作成本较高；

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2） 充电电流大，对充电的技术和方法要求高，对电池的寿命有负面影响；

3） 充电电流大易造成电池异常，存在安全隐患。

快速充电的适用性：

1） 电动车的续驶里程适中，在车辆运行的间隙进行快速补充， 满足车辆安全运营需要；

2） 大电流快充使充电时间大为缩短，为后续的均衡充留出足够的时间；

3） 由于相应的大电流需求会对公用电网产生有害的影响，因而快速充电模式只适用于专用的充电站。

（3）更换电池组

即电池组快速更换系统。通过直接更换电动汽车的电池组来达到充电的目的。由于电池组重量较大，更换电池的专业化要求较强，需配备专业人员并借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。

更换电池的优点：

1） 提高了车辆的使用效率，方便用户的使用；

2） 更换下来的蓄电池可以在低谷时段进行充电，降低了充电成本，提高了车辆运行的经济性；

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3） 解决了充电时间长、蓄存电荷量少、电池质量差、续驶里程短等难题；

4） 便于电池组的维护、管理，提高了电池的使用寿命；

5） 有利于废旧电池的回收和再利用。

更换电池的缺点：

对于电池与电动汽车的标准化、电动汽车的设计改进、充电站的建设和管理以及电池的流通管理等有严格的要求。

更换电池的适用性：

1） 车辆电池组设计标准化，易更换；

2） 车辆运营中需要及时的更换电池，充电站可以对电池和车辆实现专业化、快速化的分离；

由于电池组快速更换专业化要求高，因而电池组快速更换模式只适用于标准的充电站

四 谐波的产生与危害

在电力系统中谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

电动汽车的投入使用，必然要增加相应的充电设备，而充电机对电动汽车充电时，由

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于直流电流在交流三相之间不断地换相而产生谐波。

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也给周围的通信系统和公用电网带来危害。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面:

1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这使上述1)和2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。

4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量;重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

非正弦电路的谐波与功率因数分析

在供用电系统中,希望交流电压和交流电流呈正弦波形\"正弦波电压可表示为：

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其中U)电压有效值

ω)角频率ω=2Πf

汽)初相角

f)频率

T)周期

当正弦波电压施加在线性无源元件如电阻!电感和电容上,其电流和电压分别为比例积分和微分的关系,仍为同频率的正弦波\"但当正弦电压施加到非线性电路上时,电流就变为非正弦波,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,使正弦电压发生畸变\"在公用电网中,通常电压的波形畸变很小,而电流波形的畸变可能较大\"因此,研究电压波形为正弦波!电流波形为非正弦波的情况有很大实际意义。

对于周期为T=2Πω的非正弦电流i(t),一般满足狄里赫利条件,可将i(t)分

解为如下的傅立叶级数形式:

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频率与工频相同的分量称为基波频率为

基波频率大于1整数倍的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。

n次谐波电流含有率以下表示

一第\"次谐波电流有效值

其中n=2,3…

谐波电流含量为

电流总谐波畸变率为

非正弦电路中,有功功率，视在功率，功率因数的定义均和正弦电路一样。

有功功率为瞬时功率在一个周期内的平均值,即

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其中,,表示基波电流与电压的相位差。

电流的有效值为

则视在功率为

基波电流产生的无功功率为

而谐波电流产生的无功功率,或称为畸变功率,为

此时,功率因数为

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其中

,称为位移因数,

称为基波功率因数或位移因数可见,功率因

数由电流波形畸变和基波电流相移这两个因素共同决定。

五 谐波消除的主要措施

（1） 合理增大充电机的滤波电感值

合理增大充电机的滤波电感值, 可降低充电机的电流畸变率, 该方法简便、实用。但滤波电感值增大, 功率损耗也会增加, 同时充电机制造成本增加, 体积增大。

（2） 增大整流装置的脉波数

增大充电机整流装置的脉波数,可以有效减少整流装置产生的特征谐波, 降低谐波含有率, 从而降低谐波总畸变率。鉴于充电站在城市中多呈小规模、多布点设置, 充电车位控制在 6~8车位之间。假设单台充电机充电电流按200 A、充电电压按400 V 考虑, 则整个充电站的总容量在700 kVA 左右, 远远小于地铁牵引站的容量,因此无需采用更高次数的脉波整流方式。在电动汽车充电站采用12脉波整流, 将特征谐波控制在 h =12k 1 的范围内, 在技术上是可行的, 经济上也是合理的。

（3） 采用功率因数校正技术

在充电机的前端采用升压型有源功率因数校正装置, 也是提高功率因数、降低谐波含量的有效手段之一。功率因数校正装置分为有源和无源2种类型。无源装置的优点是简单、

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无需控制, 而缺点是体积较大, 且功率因数仅能校正至 0 8 左右, 谐波含量仅能降低50% 左右, 效果不甚理想; 有源装置能将功率因数校正至0 995, 谐波含量仅能降低至5% 以下, 效果理想, 但缺点是成本较高, 其价格一般比无源装置高30% ~ 40% 。

（4） 由容量较大的系统供电

当系统容量增大时, 无论是从谐波源还是从低压母线侧为端口看出去, 其等值阻抗值均降低, 整流装置产生的谐波在变压器高、低压侧的电压畸变率均降低, 同时系统谐振点向频率更高的方向移动（5） 加装滤波装置

滤波器包括无源滤波器、有源滤波器。无源滤波器运行稳定可靠, 结构简单, 价格便宜, 但其滤波效果易受温度、频率、滤波电容及电抗制造偏差等因素影响; 有源滤波器瞬时产生与谐波电流大小相等且方向相反的电流, 以中和谐波电流。与无源滤波器相比, 有源滤波器成本较高, 功率较小, 在现阶段仍以使用无源滤波器为主。

（6） 谐波消除的目标值

我国于1998年12月14日发布了国家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技术内容上与国际标准完全一致。GB17625.1规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输入电流≤16A)可能产生的谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。

该标准对以下四类没备确定了谐波电流时发射限值：A类设备：平衡的三相设备以及

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除B、C、D类外的所有其它设备；B类设备：便携式电动工具；C类设备：包括调光装置的照明设备；D类设备：输入电流具有标准定义的“特殊波形”，其有功功率不大于600W的设备。

该标准还规定了对试验电路和试验电源的要求、对测量设备的要求和对试验条件等内容的要求。

目前，全国电磁兼容标委会正在组织有关专家对GB17625.1进行修订，使该标准更加适应市场的需求，使操作变得更容易、更简便。

此外，1993年颁发的国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值，对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。

认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电力。

六 结束语：

综上所述，充电站接入对电网运行是有影响的需要从多方面采 取措施。充电机供货商应该采用先进技术降低设备对电网的谐波电 流注入，也需要考虑多台充电机同时工作时谐波电流的叠加影响：设计单位在方案设计时应首先评估充电站可能对电网接入点的影响，在 接入点的选择、电网电容器配置、充电站接线方式等方面进行优选。必要时需要根据评估部门的建议设计滤波器：业主为保证充电站长期 运行和安全运行。需要考虑电能质量在线监测和谐波报警以及谐波保护功能。

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