电动汽车充电设备对电网电能质量影响探讨文档格式.docx

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2015年

2020年

湖北省电动汽车总量（万辆）

5.6

153

312

总消耗电量（亿度）

1.29

21.9

35.2

电费收入（亿元）

0.64

11.0

17.6

由上表可以看出，湖北省电动汽车的发展可以给电力部门带来很大的新增电力消费市场。

电动汽车目前正处于大规模商业应用的前夕，电力公司应高度重视电动汽车的发展状况，并积极、主动地引导其发展方向，促使新能源汽车朝以电动汽车为主流的方向发展，从而促进我国能源消费结构向电力消费转型。

二、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。

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。

●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1C～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；

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；

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。

三、充电时间的特点

不同运行模式的电动汽车对电池的充电时间有不同的要求，而充电时间的不同需要不同的充电方式来满足。

此外，不同电池都有其最佳的充电电压、电流和充电时间。

电池在常规充电方式下需要较长的充电时间，一般需要8-12小时，甚至更长一些。

由于二次电池无记忆效应，车载电池能量的补充主要依赖于电网来完成的，即通过采用电网的电能给蓄电池进行充电，这样充电质量的好、坏直接影响到车载动力电池在运行条件下的能量供给、贮存和电池的使用寿命等方面，最终影响到电动汽车的使用成本。

因此在实际使用中可以采用快速充电方式缩短充电时间，或者采用常规充电方式进行短时间补充充电。

电动汽车的充电技术是维持电动汽车运行的一项必备的手段，其对车辆的全使用寿命的影响重大。

1、不同时间充电的效果

前面介绍了专门区域在日常使用过程中的充电方式，这些充电方式、充电时间各有差异，主要表现在：

①常规充电主要在晚间进行。

电动车辆在当天运营完毕以后，在专门区域的充电站进行长时间的晚间充电，一般充电至第二天运营开始。

晚间充电主要优点在于很好的利用了电网低谷，平衡了该区域日间和夜间的用电。

另外，充电站建立在人员密集区域内，使纯电动车辆运行到载客始发站距离较短，节省了动力电池的消耗，提高了电池的利用率。

②补充充电一般在白天运营过程中进行间断性电池快速充电。

对于纯电动车辆，晚间充电的电池电量基本能满足一天的运营要求，但当运营任务过重，或负荷运营时间过长时，电动车辆就必须充分利用停车待客时间进行电量补充。

补充充电采用直插直充的快速充电方式，由于二次电池的无记忆特性，对电池的寿命无明显影响，更重要的是对白天的运营也无影响。

2、峰谷平衡

城市用电高峰集中在白天，晚上是用电低谷，而电动汽车采用白天行驶、夜间充电的运行方式，有利于电网的峰谷平衡，改善电网负荷特性，减少为维持电网低负荷运转而引起的调峰费用。

国家电网公司在推广电动汽车的发展上可以采取对电动汽车充电优惠政策，促进电动汽车可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电。

这样对车主的优惠，对电网的平衡，对盈余电力的消费都将起到很大的作用。

电动汽车的发展对城市的新老城区之间的用电峰谷平衡也起到了一定的作用，武汉市老城区由于人口密集、商业设施林立，所以用电的容量也有一定的限制，而新城区在建设时已经对未来的发展等都作出了提前准备，所以在用电容量上也相应的配给了很大空间，纯电动小巴的运营区域一般集中在新建的小区之间，因此电动小巴的充电有助于新老城区之间用电的峰谷平衡。

电动汽车的充电方式对电网的峰谷平衡；

新老城区之间的用电峰谷平衡都起到了很大的作用，可以很大程度上的提高企业的效益，电动汽车的推动将为电力市场拓展奠定坚实基础。

四、谐波污染

由于电动车辆的充电设备，在国内目前还没有统一的国家标准，对充电设备的技术安全要求，特别是对电网的电能供给质量的安全保障要求，并没有规定和标准，对此我们进行了比较深入的研究和探讨。

（1）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。

（2）谐波污染的监测结果

我们在于2007年11月对其武汉市居民小区电动车充电站源供给模式有特性代表的充电站——居民区、工业区进行了监测，两充电站的负载均在95kW以上，充电时的电能质量情况进行了测试。

●测试目的

1）通过对充电机充电时交流侧谐波电压、谐波电流的监测给出其谐波不超标的充电台数。

2）监测各地正常充电时的总进线处功率因数、电压不平衡度、电压降落及多台充电机同时充电、同时断电时暂态过电压、过电流情况。

●测试项目

1）N组充电机充电时谐波是否合格（高频、工频）

2）N组充电机同时充电瞬时冲击电流测量及关闭瞬时过电压

3）N组充电机充电前后公共连接点处电能质量有关参数测量

4）测量直流电压、电流与设定值误差测试

5）整个充电过程电能质量的连续监测

●测试结果

1）两个充电场站的充电设备为单相整流设备，两停车场正常负荷下工作时产生的谐波主要是3次、5次，因受充电的影响其相电压谐波含量和电流的谐波含量均超标。

2）测试数据显示，一相电源带3台工频充电机或带4台高频充电机，充电时产生的总谐波电流尚在允许范围内，因此按这个数据进行限制性的工作。

3）两停车场正常带负荷时因三相负荷不平衡造成了A、B、C三相电压的不对称，一相或二相电压有效值高于电压允许偏差的上限值，电压不平衡度超标。

4）两种充电机分别做合闸交流侧冲击电流试验时，其电流峰值均>

10%的额定电流，但高频充电机明显比工频充电机的合闸冲击电流小；

两种充电机分别做同时切交流过电压试验时，均没有明显的过电压。

5）两停车场的正常负荷下，充电设备的功率因数都较低，两种充电机分别工作时所测得的功率因数差别不大。

五、谐波治理

谐波问题是关系到供电系统供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，而且还关系到广大电力用户和电器设备制造厂的切身利益。

为减少供电系统的谐波问题，一般从管理上和技术措施上采取以下几方面的对策：

（1）贯彻执行有关谐波的国家标准，加强谐波管理

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。

（2）增加换流装置的相数

换流装置是供电系统的主要谐波源之一。

理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±

1和pk（p为整流相数或脉动数，k为正整数）。

当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，（其特征谐波次数分别为12k±

1和12k），从而大大地降低了谐波电流的有效值。

（3）增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力

在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：

静止无功补偿装置（StaticVarCompensator,SVC）或更先进的静止同步补偿装置（StaticSynchroncusCompensator,STATCOM），以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。

或可采用在电路中引入谐振钳位吸收电路，在压制震荡尖峰的同时将谐振能量返回母线。

（4）加装滤波装置（包括无源滤波和有源滤波装置）

减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而降低谐波电流。

防止谐波电流危害的方法，一是被动地防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法（由一组无源元件：

电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置），减轻谐波对电气设备的危害。

另一种方法是主动地预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。

其原理是利用可关断电力电子器件，产生与负荷电流中的谐波分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。

六、绿色充电机

1、绿色充电机的技术性能要求

充电机作为电动汽车能源供给系统中的关键设备，是联结能源“供”、“需”双方的纽带。

其技术性能参数的确定既受制于电动汽车运营模式、电池充电模式、集中充电规模的要求，又受制于充电过程中它对电网安全性和稳定性的影响程度。

其最佳技术性能参数应该既满足电动汽车高效率、低成本运营的要求，又满足国家电网系统的安全性和稳定性的要求。

此外，充电电池的实际性能呈非线性、随机性和动态性特征，与电池的实际使用模式（充放电模式）及工况环境有直接关系。

这决定了充电机技术参数的确定需要在电动汽车的实际运营过程中进行跟踪监测和检验。

（1）绿色充电机开发意义

所谓绿色充电机，是指在充电过程中可以有效抑制谐波且功数因数较高的充电机。

谐波的产生和危害，上一节已涉及，在此不再赘述。

功率因数简单的讲就是充电机有功功率和总功率的比值，即充电机的工作效率。

那提高充电机的功率因数对我们用户又有什么好处呢？

好处如下：

1）通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。

2）藉由良好功率因数值的确保，从而减少了供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。

3）可以增加系统的裕度，挖掘出发供电设备的潜力。

如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。

4）减少了用户的电费支出，通过上述各元件损失的减少及功率因数的提高节省了本不必浪费的电能。

目前在我国，功率因素如果低于0.9将受到处罚。

因为功率因数是供电局非常在意的一个系数，用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的电力资源。

正所谓金钱是自己的，但资源是国家的。

可见绿色充电机的出现绝非偶然，而是顺应了时代的潮流，节省了资源，有利于环保，符合国家走可持续发展道路的思想。

（2）绿色充电机主要结构

绿色充电站主要由计算机管理系统、充电模块、计量系统和馈电装置等部分构成。

电池组的充电过程均采用计算机监控管理，绿色充电站具有充电规模的灵活配置，能方便扩容。

充电机具有自动补偿线路损耗，保障电池充电一致性。

按绿色环保充电站建设要求充电设备无电网污染、电磁兼容能满足国家标准。

（3）技术特征

1）计算机管理系统：

负责采集充电过程曲线并存储，可以跟踪比较电池特性变化；

并管理车辆电池使用情况。

同时，计算机可以支持多种充电曲线，对每台车的充电曲线可独立设置；

方便寻找最佳充电曲线和适应不同电池的充电要求。

2）充电摸块：

主要由PFC、DC/DC两大功能电路组成，在硬件电路、整体结构、散热模式上均采用了新的设计方式，具有效率高、体积小、重量轻等特点。

由于在电路中引入谐振钳位吸收电路，在压制震荡尖峰的同时将谐振能量返回母线、APFC技术，利用控制芯片实现较高功率因数的Boost单相功率因数校正电路等多项新技术，实现降低电流谐波提高功率因数在可靠性方面也有较大提高。

同时，副边采用双半波整流，提高了整机的效率;

采用温控多级调速风冷式装置，根据模块带载轻重自动调整风速，降低轻载损耗。

3）计量系统：

计量装置采用直流电能表，分辨率应小于等于0.01kW·

h，精度2级。

4）充电机的使用过程符合相关安全要求；

满足“国家电网公司技术规范电动汽车充电机（试行）”的要求。

（4）、绿色充电站建设

在与国家电网的合作中，武汉电动汽车示范运营有限公司建成了国内一流的绿色充电系统（站），该充电设备采用集中式充电方式，主要由计算机管理系统、充电模块、计量系统和馈电装置等部分构成；

由计算机监控管理充电全过成，采集充电过程曲线并存储、比较电池特性变化等，对每组电池的充电曲线可独立设置，寻找最佳和适应不同电池充电要求的充电曲线。

充电模块主要由PFC、DC/DC两大功能电路组成，具有效率高、体积小、重量轻等特点。

采用电流平均值控制法，实现较高功率因数的Boost单相功率因数校正电路，使功率因数PF大于0.92，畸变因数THD小于5%提高电能利用率。

电路中引入谐振钳位吸收电路，利用漏电感和2个钳位二极管在压制震荡尖峰的同时将谐振能量返回母线，在提高模块可靠性的同时对效率也有一定改善。

武汉建成的电动汽车绿色充电站

2.绿色充电机的市场准入机制

（1）充电机要求与绿色充电机

充电机是电动汽车能源供给系统中的关键设备，是联结电能“供”、“需”双方的纽带。

其技术性能参数既受制于电动汽车运营模式、电池充电模式、集中充电规模的要求，又受制于充电过程中它对电网安全性和稳定性的影响程度。

确定最佳技术性能参数应该既满足电动汽车高效率、低成本运营的要求，又满足国家电网系统的安全性和稳定性的要求。

这样，高效节能同时对电网电能供给质量安全的绿色电源——绿色充电机便应运而生，且其研究工作正在紧锣密鼓地进行之中。

绿色充电站具有对电网电能质量供给安全的性能要求：

1）输入电压：

380±

10%，50Hz±

0.5Hz;

380V总进线处电源A、B、C三相电压偏差应符合要求；

2）三相电压不平衡度应符合要求；

3）A、B、C三相各次谐波电压含有率和谐波电压总畸变率合格。

谐波电流含量：

交流输入端产生的各高次谐波电流含有率应≤30%;

4）输出功率为额定功率的50%～100%时，功率因数应>

0.90，效率应≥90%;

5）具备电源输入侧的过压和欠压保护功能、直流输出侧过流保护功能；

同时，应具备防输出短路和防反接功能和防止误操作功能等。

6）当500V直流电压加载到所有连接在一起的输入/输出（包括电源）端和车体之间时，绝缘电阻应大于1MΩ。

（2）充电机验证与市场准入制

现在生产动力电池充电机的生产厂家较多，各企业所生产的充电机技术规格、性能都有较大的差异。

为了保障电网的稳定和安全，应规范充电机的生产技术标准，制定相关的充电机市场准入机制，通过市场竞争机制进一步提高充电机的性能，降低其成本。

首先，在技术上，必须能够满足现有三种常用电池（铅酸电池、镍氢电池和锂电池）任何一种的充电要求，优先采用充电机技术领先的生产厂家的产品，对于生产技术不成熟的充电机或者不合格的充电机产品，应禁止其进入充电站使用。

其次，充电机必须是环保的。

充电机在充电过程中能将谐波污染控制在规定的范围以内。

最后，应当由相关机构或企业审核验证并颁发充电机的“入网证”。

只有这样才能真正规范充电机市场，为电动汽车充电站的建设和提高电网电能质量打下良好的基础。