電動(dòng)汽車充電站建模與諧波分析報(bào)告

1、. . . . 技術(shù)應(yīng)用電動(dòng)汽車充電機(jī)(站)建模與諧波分析 (1)2009-03-02 14:37:40   黃少芳 黃梅 萬(wàn)航羽  來(lái)源：賽爾電氣應(yīng)用 總第78期   文章請(qǐng)注明出處 · 電動(dòng)汽車（EV）充電機(jī)為非線性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)是一種污染。在建設(shè)充電站前，有必要對(duì)充電站接入電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，以決定是否配置諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。本文利用某一型號(hào)充電機(jī)參數(shù)建立充電機(jī)（站）的MATLAB仿真模型，然后采用快速傅立葉變換（FFT）對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析，結(jié)果表明所建充電機(jī)（站）接入系統(tǒng)運(yùn)行能夠滿足國(guó)家諧波

2、標(biāo)準(zhǔn)。該研究方法同樣適用于其他類型、規(guī)模的充電機(jī)（站）接入電力系統(tǒng)的諧波分析。 關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車充電機(jī) 1篇 充電站 5篇 諧波分析 2篇 2006年至今，國(guó)際油價(jià)跌宕起伏，整體走勢(shì)向上，不可預(yù)測(cè)的政治因素對(duì)國(guó)際油價(jià)影響越來(lái)越大，導(dǎo)致各國(guó)政府都非常重視其能源政策和戰(zhàn)略，紛紛采取措施尋求和開(kāi)發(fā)各種新能源和可再生能源，同時(shí)注重提高能源效率和節(jié)約能源，以保障本國(guó)的能源安全。節(jié)能、環(huán)保、緩解能源危機(jī)、改善人類生存環(huán)境是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問(wèn)題，也是其發(fā)展的方向。傳統(tǒng)汽車消耗了大量?jī)?yōu)質(zhì)緊缺的石油天然氣，這使電動(dòng)汽車成為解決我國(guó)石油能源短缺的根本出路。以電動(dòng)汽車為代表，大力促進(jìn)其發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)交

3、通能源的多元化并維護(hù)國(guó)家的能源安全。電動(dòng)汽車需要通過(guò)充電機(jī)補(bǔ)充電能。采用電力電子技術(shù)的充電機(jī)是一種非線性設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生諧波電流，對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染。因此，在建設(shè)充電站前，有必要對(duì)充電站注入電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，判斷是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波的要求，決定是否配置相應(yīng)的諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備。本文直接針對(duì)“電動(dòng)汽車充電機(jī)（站）規(guī)研究”科研課題，根據(jù)某一型號(hào)充電機(jī)參數(shù)與西黃莊電動(dòng)汽車示站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用Matlab搭建充電機(jī)（站）的仿真模型，對(duì)充電機(jī)（站）接入電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行了仿真分析，為充電機(jī)（站）的建設(shè)提供參考。1 充電機(jī)（站）仿真模型首先根據(jù)某一型

4、號(hào)充電機(jī)搭建單臺(tái)充電機(jī)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上搭建充電機(jī)（站）的MATLAB仿真模型。1.1 充電機(jī)仿真模型電動(dòng)汽車充電機(jī)（站）采用的大功率高頻充電機(jī)的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由三相橋式不可控整流電路對(duì)輸入三相交流電進(jìn)行整流，濾波后為高頻DC-DC功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經(jīng)過(guò)輸出濾波電路后，為車用動(dòng)力蓄電池充電。圖1 高頻充電機(jī)的一般結(jié)構(gòu)框圖相對(duì)于工頻周期來(lái)說(shuō)，動(dòng)力蓄電池充電過(guò)程所需時(shí)間很長(zhǎng)，則在一個(gè)至幾個(gè)工頻周期，都可以認(rèn)為充電機(jī)的輸出電流和輸出電壓是恒定的直流，即認(rèn)為圖1中的I0、U0均為常數(shù)。這樣，高頻功率變換電路工作于恒功率狀態(tài)，當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，輸入電流必須相應(yīng)的降

5、低。因此在工頻圍，可以用一個(gè)非線性電阻RC來(lái)近似模擬高頻功率變換電路的等效輸入阻抗，并且可以取得較好的近似效果。電阻可以近似表示為(1)式中充電機(jī)效率UB功率變換電路的輸入電壓，單位V；II功率變換電路的輸入電流，單位A；UO功率變換電路的輸出電壓，單位V；IO功率變換電路的輸出電流，單位A。從而，高頻充電機(jī)的等效模型如圖2中所示。其中，Rf為線路與電感Lf等的等效電阻，電阻值一般較小，可忽略不計(jì)。仿真采用15kW的某型號(hào)充電機(jī)，它的輸出功率P0隨動(dòng)力蓄電池充電過(guò)程而變化（見(jiàn)圖3），根據(jù)公式（1）可知，RC也隨著動(dòng)力蓄電池充電過(guò)程而發(fā)生變化，如圖4所示。圖2 充電機(jī)等效模型圖3 充電機(jī)輸出功率

6、P0曲線圖4 充電過(guò)程中RC變化曲線1.2 充電站仿真模型在本文仿真算例中，充電（機(jī)）站公共連接點(diǎn)（PCC）處電壓等級(jí)為10kV，通過(guò)10/0.4kV變壓器降為0.4kV，給充電機(jī)提供電能。其中變壓器采用Dyn11接線組別的配電變壓器。假設(shè)充電機(jī)（站）多臺(tái)充電機(jī)處于一樣工作狀態(tài)，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立充電機(jī)（站）的仿真模型，如圖5所示。圖5 充電機(jī)（站）的仿真模型仿真采用某城市擬建充電站的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：（1）充電機(jī)功率。考慮到充電機(jī)成本，充電站配置15kW的充電機(jī)。（2）充電機(jī)臺(tái)數(shù)。擬建充電站充電車輛有8臺(tái)大型車輛、24臺(tái)中型車輛、15臺(tái)小型車輛。每輛大型車需要2臺(tái)充電機(jī)并

7、聯(lián)充電，共需16臺(tái)；每輛中型車需要2臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)充電，共需48臺(tái)；每輛小型車需要1臺(tái)充電機(jī)充電，共需15臺(tái)。如果48輛車都需要充電，并且要充分利用低電價(jià)時(shí)段，則充電站可采取先充滿所有中型車（48臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作）、再充小型車和大型車（31臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作）的充電順序。這樣，整個(gè)充電站只需配置48臺(tái)充電機(jī)。（3）變壓器容量。充電機(jī)（站）配電系統(tǒng)容量應(yīng)包括動(dòng)力用電、監(jiān)控和辦公等用電。變壓器容量SN應(yīng)考慮單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，能滿足全部用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷SC，并且留有一定的容量裕度。最終單臺(tái)變壓器容量選定為1000kW，參數(shù)見(jiàn)表1。表1 配電變壓器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)額定容量（kVA）空載損耗(kW)短路損耗(kW

8、)短路電壓(%)空載電流(%)短路容量(MVA)10001.710.34.51.1127.42 諧波分析根據(jù)我國(guó)公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，主要對(duì)PCC處的電壓電流進(jìn)行諧波分析。正弦電壓施加到采用三相橋式不控整流電路的充電機(jī)這樣的非線性電路上時(shí)，電流變?yōu)榉钦也ā７钦译娏髟陔娋W(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，也會(huì)使正弦電壓發(fā)生畸變，這里為了簡(jiǎn)化分析而忽略電壓的畸變，認(rèn)為電網(wǎng)電壓始終為正弦波。因此主要對(duì)PCC處的電流進(jìn)行諧波分析。2.1單臺(tái)充電機(jī)的諧波通過(guò)對(duì)擬配置的15kW單臺(tái)充電機(jī)的仿真分析，得出充電機(jī)其交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：(1)諧波次數(shù)主要為6k±1次，k=1，2，3，即5，7，11，13，如圖6所

9、示；(2)諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小，見(jiàn)圖6；(3)單相電流i(t)的基波和各次諧波的有效值與輸入單相電壓有效值U、濾波電感Lf、濾波電容Cf和高頻功率變換電路等效輸入阻抗RC都有關(guān)；(4)諧波與基波的關(guān)系是不固定的，負(fù)載越輕（RCCf越大），則諧波越大，基波越??；濾波電感越大（越大，n次諧波阻抗Zn的絕對(duì)值越大），則諧波越小，而基波越大；其中諧波阻抗為；(5)當(dāng)U、Lf、Cf一定時(shí)，輸出功率越大，RC越小，則諧波電流有效值越大；由于在一個(gè)充電周期電阻RC是變化的，所以電流的基波和各次諧波有效值也是變化的；(6)整個(gè)充電過(guò)程中，單臺(tái)充電機(jī)在變壓器高壓側(cè)產(chǎn)生的電流總諧波畸變率THDi在27.13

10、%48.24%。 圖6 單臺(tái)充電機(jī)產(chǎn)生的各次諧波幅值2.2 充電站的諧波分析按照?qǐng)D5所示的仿真模型，模擬充電站不同臺(tái)數(shù)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí)的情況，得出關(guān)于充電站的諧波結(jié)論如下：(1)充電機(jī)（站）諧波次數(shù)仍然主要為5，7，11，13，其中5次諧波電流含有率HRI5最大，7次HRI7次之，見(jiàn)圖7。圖7為24臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，在整個(gè)充電過(guò)程中各次諧波電流含有率HRIn的變化曲線圖。(2)變壓器高壓側(cè)n次諧波電流含有率HRIn小于低壓側(cè)同次數(shù)HRIn；(3)臺(tái)數(shù)越多，彼此之間發(fā)生諧波電流抵消現(xiàn)象，使得總諧波電流雖然數(shù)值有所增加，但并不是各個(gè)充電機(jī)產(chǎn)生的諧波電流之代數(shù)和；(4)多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，THD

11、i的波動(dòng)小于單臺(tái)充電機(jī)的波動(dòng)情況，見(jiàn)圖8；(5)同時(shí)工作的充電機(jī)臺(tái)數(shù)越多，THDi越接近恒定值，見(jiàn)圖8；(6)多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，在一個(gè)充電周期變壓器高壓側(cè)THDi的最大值和最小值如表3所示。 圖7 各次諧波電流含有率HRIn      圖8充電站的THDi表3 變壓器高壓側(cè)THDi的最大值、最小值充電機(jī)臺(tái)數(shù)13148THDimax48.24%36.55%29.64%THDimin27.13%12.22%8.36%2.3 仿真數(shù)據(jù)分析將各次諧波電流含有率（）乘以相應(yīng)的基波有效值（RMS），求出各次諧波電流的大小。把整個(gè)充電過(guò)程中的各次諧波電流

12、的最大值（max）與按國(guó)標(biāo)規(guī)定換算后的擬建充電機(jī)（站）注入公用電網(wǎng)各次諧波電流允許值作比較，看是否滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定。比較情況匯總成表4。表中諧波允許值、諧波max單位都是安培（A）。表4 計(jì)算結(jié)果1從表4可以看出：（1）隨著充電機(jī)臺(tái)數(shù)的增加，變壓器高壓側(cè)即PCC處的各次諧波電流在逐漸增加，因此，當(dāng)充電機(jī)臺(tái)數(shù)增加到一定數(shù)量時(shí)，是否存在不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93的可能性，需要再進(jìn)一步深入研究。（2）對(duì)于擬建的充電站，48臺(tái)全部同時(shí)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際各次諧波電流均在國(guó)標(biāo)規(guī)定允許圍之，因此不需要裝設(shè)諧波抑制裝置。若充電機(jī)（站）配電變壓器距離上級(jí)電源比較遠(yuǎn)，需考慮變壓器高壓側(cè)10kV電源進(jìn)線的影響，此

13、時(shí)采用圖9所示的系統(tǒng)仿真模型。將仿真結(jié)果與表4匯總對(duì)比，如表5（單位：A）。從表5可知，同樣情況下，充電機(jī)（站）配電變壓器電源進(jìn)線長(zhǎng)（如10km）時(shí)的各次諧波電流Ih比電源進(jìn)線短時(shí)（如0km）的Ih小。分析其原因，是由于電源進(jìn)線本身有阻抗，在電壓一定時(shí)，諧波電流與阻抗成反比。但是，電源進(jìn)線本身有壓降，長(zhǎng)線時(shí)PCC處的電壓畸變情況可能比短線時(shí)PCC處的電壓畸變嚴(yán)重。 圖9 考慮電源引線的充電站仿真模型表5 計(jì)算結(jié)果24 結(jié)論電動(dòng)汽車充電機(jī)（站）會(huì)產(chǎn)生電流諧波注入供電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)造成污染。本文根據(jù)某一型號(hào)充電機(jī)參數(shù)建立了充電機(jī)（站）的MATLAB仿真模型，對(duì)電動(dòng)汽車充電機(jī)（站）接入電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行

14、了分析，得出諧波特點(diǎn)。仿真表明，按照所述的參數(shù)建設(shè)充電機(jī)（站）時(shí)，可以不裝設(shè)諧波抑制裝置。充電機(jī)臺(tái)數(shù)增加，PCC處的各次諧波電流隨之增加；電源線路加長(zhǎng)、其他情況不變時(shí)，PCC處的各次諧波電流減小。本仿真模型同樣也適用于其他規(guī)模充電機(jī)（站）產(chǎn)生的諧波電流的分析。    參考文獻(xiàn)    王兆安，君，進(jìn)軍. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償M. ：機(jī)械工業(yè). 1998.7    M. S. W. Chan, K. T. Chau, C. C. Chan. Modeling of electric vehicle chargers. 1998. Vol:1. 433-438 vol.431.