電動汽車充換電站技術(shù)及諧波治理

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了電動汽車充換電站技術(shù)及諧波治理范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：為應(yīng)對日益嚴(yán)重的環(huán)境污染形勢，我國近年來大力推行電動汽車出行及充換電站建設(shè)?，F(xiàn)對電動汽車及其充換電站技術(shù)進(jìn)行探討和研究，提出了充換電站接入電網(wǎng)后帶來的諧波污染問題，并對解決方案進(jìn)行闡述、比較和探索。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充換電站系統(tǒng)；諧波治理

引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，化石能源因其不可再生性及污染問題受到越來越多的爭議，每年消耗大量化石能源的燃油汽車也急需替代品。在此背景下，水電、風(fēng)電、太陽能等可再生能源及“以電代油”的電動汽車在世界各地被全力推廣，取得了飛速的發(fā)展。在電動汽車使用過程中，如何建立完備可靠的充換電配套設(shè)施，是電動汽車形成規(guī)?；闹匾A(chǔ)。隨著電動汽車數(shù)量規(guī)模逐年增加，將對現(xiàn)有電網(wǎng)造成巨大的電能質(zhì)量沖擊。因此，對電動汽車充換電站接入電網(wǎng)的諧波治理進(jìn)行研究和提前布局顯得尤為重要。目前，國內(nèi)外已對電動汽車的充換電站開展了大量研究。文獻(xiàn)[4]基于政府“換電為主、插充為輔、集中充電、統(tǒng)一配送”的政策指向，研究了充電站的電能質(zhì)量問題，提出了一種更為科學(xué)的充電站控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]通過對某地區(qū)充電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取研究，研發(fā)了一個充電站電能質(zhì)量的MATLAB模型，在此仿真模型上建立模擬量和運算，了解大型充電站三相不平衡電流引起的電能損耗問題和無功功率補(bǔ)償問題。

1我國發(fā)展電動汽車及充換電站技術(shù)的背景

據(jù)中國公安部統(tǒng)計，截至2020年6月，全國機(jī)動車保有量達(dá)3.6億輛，其中汽車2.7億輛，汽車保有量的增長速度極其驚人。與之對應(yīng)的，是我國逐年飛增的原油進(jìn)口量，數(shù)據(jù)如圖1所示。發(fā)展新能源領(lǐng)域的電動汽車，可以緩解我國石油資源緊缺的局面，減輕能源安全的壓力，穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有重大的戰(zhàn)略意義。我國目前面臨的環(huán)境污染問題同樣嚴(yán)峻。汽車尾氣的排放產(chǎn)生的多環(huán)芳烴，是大氣中的主要污染物之一。電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車，可以緩解溫室效應(yīng)、優(yōu)化空氣質(zhì)量，做到節(jié)能減排、環(huán)保出行。電動汽車還為我國復(fù)雜的電能現(xiàn)狀提供了新的優(yōu)化途徑。在電網(wǎng)設(shè)計中，為保證供配電的可靠性，一般是按需求的最大負(fù)荷來進(jìn)行供電。這導(dǎo)致在大部分用電波谷時，電網(wǎng)線路中的電能不能得到很好的利用。電動汽車作為一項新增的大負(fù)荷用電設(shè)備，接入電網(wǎng)后，若能與現(xiàn)有電網(wǎng)用電負(fù)荷形成互補(bǔ)，將極大地提高電網(wǎng)的效率。如將大型充換電站接入城市智能電網(wǎng)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)進(jìn)行全網(wǎng)用電負(fù)荷的智能監(jiān)測和主動調(diào)配，讓充換電站大負(fù)荷主動避開其他必要負(fù)荷高峰，集中在用電波谷時段對站內(nèi)電動汽車、儲能電池進(jìn)行充電。目前，各類清潔能源（如風(fēng)電、水電等）普遍具有供能不穩(wěn)定、受環(huán)境影響因素較大的問題，不適合作為供電可靠性要求較高的居民用電，但接入智能電網(wǎng)中的充換電站可以很好地利用這些能源。在這類清潔能源發(fā)電站附近設(shè)置大型充電站、換電站，根據(jù)發(fā)電站發(fā)電情況智能調(diào)配充電樁可用數(shù)量，可以做到合理利用清潔能源。

2電動汽車充換電站技術(shù)分析

電動汽車根據(jù)儲能電池組的技術(shù)區(qū)別，其能源供給方式主要分為充電型和換電型。充電型分為交流充電樁和直流充電樁。交流充電樁主要設(shè)置在住宅、商業(yè)車庫中，充電功率一般小于7kW，充電時間為6～8h；直流充電樁一般設(shè)置在大型充電站中，充電功率較大，為50～170kW，充電時間為2～4h。換電型主要為單獨建設(shè)的換電站，由于其將儲能電池的充電過程獨立在充能機(jī)上進(jìn)行，汽車只需要完成更換電池的操作，可以使整個儲能時間控制在5min以內(nèi)。圖2所示為某大型充電站電氣結(jié)構(gòu)示意圖。此充電站由兩路市電進(jìn)線引來，通過聯(lián)絡(luò)柜中的母聯(lián)開關(guān)將兩路進(jìn)線對應(yīng)變壓器的一次側(cè)10kV母線及變壓器二次側(cè)400V母線聯(lián)絡(luò)，具有較高的供電可靠性和故障檢測能力。對于大型充電站存在的大負(fù)荷集中充電情況，利用靜止無功發(fā)生器STATCOM補(bǔ)償電網(wǎng)中消耗的無功功率，改善電能質(zhì)量，優(yōu)化電網(wǎng)運行狀態(tài)。圖3所示為某換電站平面布置圖。車輛進(jìn)入換電站內(nèi)后，先經(jīng)過預(yù)檢區(qū)，此處設(shè)置的監(jiān)控室可以進(jìn)行人工預(yù)檢，墻上安裝的攝像頭、紅外設(shè)備可以進(jìn)行智能預(yù)檢。經(jīng)檢測符合換電條件的情況下，車輛接入換電停靠區(qū)，由機(jī)器人行道上的換電機(jī)器人將汽車內(nèi)部的虧電電池取下，再將滿電電池架上的滿電電池裝入車輛，車輛隨后即可發(fā)動駛離換電站，完成換電操作，整個過程不超過5min。堆垛機(jī)會將換下的虧電電池堆放在電池充電機(jī)的充電座上，換電站通過監(jiān)控室內(nèi)的中央控制器智能控制電池充電機(jī)的充電調(diào)度，以滿足智能電網(wǎng)的調(diào)配邏輯和換電高峰的電池儲備。

3充換電站諧波解決方案

電動汽車充換電站中的充電樁、充能機(jī)是一種非線性設(shè)備，成片設(shè)置后會產(chǎn)生大量諧波，如不加以處理，將對用電計量表、變壓器、配電電纜、無功電容補(bǔ)償器等電力設(shè)備造成不良影響，對電網(wǎng)中的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。大型住宅及商業(yè)綜合體的充電樁供配電系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)置專屬變壓器進(jìn)行諧波處理及無功補(bǔ)償后接入電網(wǎng)；大型充換電站不宜直接接入380V公共母線系統(tǒng)。本文就抑制接入電網(wǎng)的諧波電流提出以下兩種解決方案：

3.1多脈動整流技術(shù)

消除諧波的影響，最根本的辦法是從源頭上避免諧波的產(chǎn)生。多脈動整流是一種在諧波源上進(jìn)行諧波治理的技術(shù)，主要包括PWM整流技術(shù)、有源無源功率因數(shù)校正技術(shù)和多相整流技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、高效的特點。圖4所示為多項整流技術(shù)中一種12脈動橋式整流電路結(jié)構(gòu)圖。圖4中兩個6脈動整流橋并聯(lián)在三繞組變壓器上，三繞組變壓器中的兩個變壓器二次側(cè)分別為星型連接和三角形連接。其中，Yy0連接的變壓器電壓、電流波形一次側(cè)、二次側(cè)保持不變，Yd11連接的變壓器二次側(cè)線電流的基波和正序諧波分量超前一次側(cè)π/6，二次側(cè)線電流的負(fù)序諧波分量落后一次側(cè)π/6，從而得到了一個12脈動整流電路?？汕蟪鲎儔浩饕淮蝹?cè)的總電流如式（1）所示：式中的5、7、17、19次諧波可以被抵消，只留下12k±1次的諧波分量，成功消除了大部分諧波，提高了電能質(zhì)量。

3.2濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是指通過安裝在電氣裝置中的有源、無源濾波器來消除電網(wǎng)中的諧波。無源濾波器主要包括單挑諧濾波器、高通濾波器等。特點是結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、性價比高，但濾波的可靠性較低，不能應(yīng)對復(fù)雜的用電環(huán)境。相較而言，有源濾波器可以動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功功率，具有高可控性和快速響應(yīng)性的優(yōu)點，更適合電動汽車充換電站的復(fù)雜負(fù)荷環(huán)境。圖5所示為APF有源濾波器內(nèi)部原理圖及接入充電站結(jié)構(gòu)圖。圖5中，在電動機(jī)充電樁的充電回路上并聯(lián)APF有源電力濾波器。如圖所示，APF有源濾波器的工作原理是：CT電流互感器將充電樁配電回路中的諧波電流析出，通過指令電流計算模塊檢測出其中的諧波電流分量，電流跟蹤調(diào)制模塊計算出消除諧波電流分量所需的相應(yīng)反方向電流分量，并將該信息傳遞給控制驅(qū)動電流模塊，驅(qū)動主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，抵消充電樁產(chǎn)生的諧波電流，完成整個濾波過程。

4結(jié)語

本文探討了我國發(fā)展電動汽車和配套充電設(shè)施的背景及意義；對充電站和換電站的整體框架及設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究，分析了充電站接入電網(wǎng)的系統(tǒng)及換電站設(shè)計內(nèi)容；最后，提出了充換電站接入電網(wǎng)后將產(chǎn)生諧波污染、影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的問題，經(jīng)過分析后提供了兩種諧波治理的辦法。

［參考文獻(xiàn)］

[1]陳恩.某商業(yè)綜合體地下車庫電動汽車充電樁的電氣設(shè)計[J].江西建材，2017（4）：215-216.

[2]20kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范：GB50053—2013[S].[3]電動汽車充電站設(shè)計規(guī)范：GB50966—2014[S].

[4]王夢蔚，晏陽.主動配電網(wǎng)中電動汽車充電站智能管理控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電工電氣，2017（7）：62-66.

[5]閆婧.電動汽車充電站的無功補(bǔ)償控制策略研究[J].計算技術(shù)與自動化，2017，36（2）：91-94.

[6]蘇大智.電動汽車充電站諧波問題研究[J].數(shù)碼世界，2020（6）：158.

作者：張方怡 單位：中船第九設(shè)計研究院工程有限公司