1、个体式光伏电站、充电桩的治理分析及谐波对感应式电度表的影响随着社会经济的不断发展，再加上国家最近几年持续的政策扶持，新能源的研发和利用以及越来越普及，而光伏发电项目及电动车就是其中普及的比较广泛的两种。2014 年 10 月 22 日，国家发改委、财政部、工信部、环保部、住建部、科技部和国家能源局7 部门联合印发京津冀公交等公共服务领域新能源汽车推广工作方案，提出到2015 年底，京津冀地区公交车中新能源汽车比例不低于16%，京、津出租车中新能源汽车比例不低于 5%。这份文件的重要意义在于，第一，7 部门联合发文推动新能源汽车，这是比较罕见的；第二，这次提出的是工作方案，具有实操性，而且规划了
2、具体目标和占比，透露了刚性发展的要求。另一方面，日前中国汽车工业协会公布的2014 年前 9 个月全国汽车产销数据显示，新能源汽车1-9 月份生产 38522 辆，销售 38163辆，同比分别增长2.9 倍和 2.8 倍。先来看几组补贴的数据，2009 年国家出台的节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法提出将给予纯电动车高达6万元 /辆的补贴， 2010 年财政部和国家发改委联合发文，提出对国产新能源车按 3000 元/千瓦时给予补助，试点期限为 2010 年2012 年。陈平也表示， “国家的优惠政策比如免征购置税、补贴、充电设1施享受扶持电价， 以及新能源车性能的提高和成本的下降
3、， 这些因素混合在一起促成了今年一个比较好的局面。 但是我们可以看到， 如果没有补贴的话， 可能就销售不了那么多车， 而且这里面还涉及到政府的推动，看当前销售市场的表现，主要是大巴、出租车；还有租赁市场，这里面可能涉及到他们自己生产的车， 由自己的租赁公司买下来，获得了国家补贴再去租给用户。 应该说补贴是一个很大的驱动力， 如果没有补贴的话， 这个市场还是面临很大的挑战， 所以我觉得新能源车特别是纯电动车，离真正的普及还是需要一段时间。 ”由此，新能源汽车的利好政策出现了一条比较清晰的路线， 公共交通服务领域将成为政府推动新能源汽车发展的突破口。大到公交车，甚至是高铁列车，下至电动汽车、电瓶车
4、，无一不是在这种情势下衍生出来的产物。 他们的出现为国家倡导的多采用新能源的国策提供了很好的支持， 不过同时也有一些弊端伴随而来， 那就是对电网中电能质量的稳定性带来了一定的冲击。 而带来这一结果的最主要因素，就是其中的一个关键设备，充电桩。2首先，我们来看一下充电桩系统的原理示意图。充电桩系统是由变电与配电设备系统， 充电设备系统， 户外设备系统，监控层设备系统 5 大系统构成。电网传输过来的高压电压通过高压配电和变压器降压为低压电压， 经过低压开关传输到充电桩， 再由充电柜降电流整流，滤波，放大，让电压与电流达到了要求值。国家新的标准只是将行业更加的规范化， 标准化和统一化， 但这主要是针
5、对户外设备系统， 即充电桩接口等方面， 没有对电能质量做一个要求，所以充电桩行业常常遗漏了电能质量方面的问题， 比如常见的不平衡、闪变、波动、谐波等，其中谐波污染首单其冲。3单台三相不可控整流充电机模型电动汽车充电机是一种非线性设备，工作是产生的谐波电流很高。目前，使用最多的是由三相不可控整流电路与DC/DC 功率变换器构成的充电机， 其具有成本低、谐波含量高等特点，电信结构图见图 3。其工作原理是由三相不可控整流电路对三相电流进行整流，经由电阻 Rf 、电感 Lf 和电容 Cf 组成的滤波电路后由高频DC/DC 功率变换电路提供直流输入，经输出滤波电路后为电动汽车蓄电池提供电源。图 -3 高
6、频充电机结构图虽然东路蓄电池的充电过程很长，但在一个微元ds 中可以认4为充电机的输出电流I0 和输出电压 U0 是恒定的，即可用1 个电阻 R来近似模拟高频功率变换电路的等效输入阻抗。RU1 / I1U12 / P1U12 / P0U12 /(U 0 I 0 )其中， U1、I1 和 P1 分别为高频功率变换电路的输入电压、电流和功率；U0、I 0 和 P0 分别为高频功率变换电路的输出电压、电流和功率；为功率变换模块的效率。本文所取研究对象为充电过程中某一时刻，即直流侧电压U1 位 514.8V、充电机电流I1 为 17A、等效输入电阻 R 为 32.63 。图 4 位单台不可控整流充电机
7、交流侧电流波形， 谐波电流畸变率达到了 54.55%，奇次谐波电流较大，其中，5 尺谐波电流达到了 8.17A，7 次谐波电流达到了4.44A，11 次谐波电流为 1.4A，13 次谐波电流为1.15A。可见，不可控充电机将产生较大的谐波电流，需进行治理。图-4 单台三相不可控整流充电机电流侧电流波形5多台充 机 波特性分析 行的 6 脉冲不可控整流充 机 生的 波次数主要 6k1（ k=1，2,3，）， 网 波中畸 率 30%。 汽 充 站内往往含有多台充 ， 因此 于多台充 机的 波特性研究十分必要。含有多台充 机及有源 力 波器 (APF)的充 站与 网 接示意 如 5 所示。图-5 汽
8、 充 站与 网 接示意 当多台充 机同 工作 ， 配 网 入充 站的中 流 多台充 机 出 流之和。 由于各充 机在不同 刻工况不同， 因此 生的 波 流交互影响，或叠加，或抵消。 6 台不可控整流充 机 行 波治理前后的 波 流大小如表 1 所示。由表 1 可知： 波治理前，6 台充 机并网后的 流畸 率 42.74%，其中 5 次 波 流达到了38.88A，7 次 波 流达到了 18.015A；11 次 波 流 8.649A，13次 波 流 4.961A； 波治理之后，各次稀薄 流明 降低， 波中畸 率 4.835%，符合 网 波 流治理 准。但是，治理装置 不可控整流充 机 生的部分 2
9、5 次以上的高次 波治理效果并不明 （由于治理装置接入影响，其中部分高次 波反而会增大。）6表 1 谐波治理前后， 6 台三相不可控整流充电机的谐波电流由以上案例分析可知， 电动汽车充电站多组充电机整流模块产生的谐波电流在电网中表现为叠加状态存在， 也就是说，几台功率型号相同的充电桩同时工作时， 注入电网中的谐波电流将远远比一台充电桩工作时注入的谐波电流要大。按照国标 GB/T 14549-93 中规定可知，当相位角不确定时，两个7个电流源的同次谐波电流可按下列公式计算：I hI h21I h22kh I h1I h2式中 k 选取如下表。h35711139/13/偶次kh1.621.280.
10、720.180.080当叠加的谐波电流超过两个时， 可按照顺序依次叠加计算， 由此可知，当在同一台变压器下方所运行的充电桩数目越大时， 通过变压器注入电网的谐波电流也就越大， 所以在设计类似的充电桩比较密集的变压器下方， 必须得同时考虑加装谐波治理装置， 这也是各地电力公司一直在努力的事情。而对于个体式的充电桩设备， 相应的治理和规划我们现在做的就要薄弱许多。众所众知，现在有许多地方其实也已经安装了公共的充电桩，另外还有一些人家里也直接安装了私人的充电桩， 而这种个体式的充电桩是不可能像上文中提到的那种充电站一样用专门的变压器来进行对这些充电桩进行综合性的控制和治理的。大多数的分散型充电桩都是
11、和其他的用电设备一起公用的， 特别是那些私人的充电桩设备， 他们往往是一个小区或是几栋楼公用一台变压器设备的。虽然说可能一台充电桩设备说产生的谐波电流可能并不会使得相连的变压器谐波含量超标， 但是实际的情况确实同一个小区变下面可能同时拖了几个甚至是十几个其他的充电桩设备， 而且一8般这些设备的工作时间都是在夜晚集中充电， 这就不可避免的导致了所有的充电桩设备同时产生大量的谐波电流， 从而给变压器带来负荷压力。近两年，已经出现了由于小区里充电桩数目增多， 从而导致小区变电站多次跳闸， 物业无奈之下直接切断了所有充电桩的电源， 从而导致了进一步的业主与物业矛盾的事情。谐波电流的危害是巨大的， 对于
12、电力系统外部， 谐波对通信设备和电子设备会产生严重的干涉， 特别容易造成费用计算错误， 导致费用偏离实际。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器邓设备烧毁。谐波还会引起几点保护和制动装置误动作， 使点电能计量出现混乱；另外谐波还会使得电能的生产、传输和利用的效率降低， 使电器设备过热、并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。图 6 就是由于谐波含量超过设备负荷导致的元器件起火造成的后果。9图-6 谐波造成的火灾现场另外，现在越来越多的电瓶单车在充电时也会产生谐波， 并且由于他们说采用的充电设备结构相对简单，更加的容易产生谐波电流，并且也更加的容易因为线路中
13、的谐波电流而导致过载起火事故。为了避免这样的案例出现， 我们必须从源头做起， 从小做起，争取做到谁污染谁治理， 在电动汽车充电桩安装的时候就同时加装相应的谐波治理装置（比如小容量的 SVG 设备等），而对于电瓶车充电比较集中的地方，也可以让相应的负责单位适当的加装谐波治理设备，做到从源头上消灭火灾隐患， 让大家都为维护电网的电能质量尽自己的一份力。10相对的，在光伏发电站之中，产生的谐波要比充电桩等小的多，光伏电站对于电网电能质量的最大的影响就是会因此电压的闪变和三相不平衡，另外由于电力系统的特性， 光伏电站在发电的同时还会吸收电网中的无功， 使得电网中总体无功不足。 因此在一些大型的光伏电站
14、建造的时候，供电公司都会要求施工方同时加装一定容量的SVG 补偿治理装置。但是对于家庭式的小型光伏发电站，这一方面的监管力度却很小。和谐波电流的属性类似， 单个的光伏电站对于电网的闪变影响和对于电压三相不平衡度的影响也是会叠加的。而且由于光伏发电受阳光等因素的影响的原因， 在同一片区内的光伏电站的工作状态基本上都是相同的，这也就导致了他们对于电网的影响会在同一时间出现，给电网的电能质量带来一定的危害性，如果不加以治理的话， 很容易在光伏电站全力发电的时候使得电网出现故障，比如由于线路中的无功被大量吸收而导致电压下降，从而影响其他居民的正常用电。对于这一点，那些大型的光伏电站或是经过了专门的变压
15、器并网的中小型光伏都会有一定的治理措施， 但是更为小型的小容量光伏发电系统（如家庭式光伏发电并网系统） 基本上就没有做相应的治理措施。这类家庭式光伏发电系统的容量相对较小， 一般只有 510KWp ，所以就单个来说对于电网的影响不大， 但是由于是低压直接并网， 相比较于通过变压器升压的光伏电站而言更容易对电网产生影响， 并且由于距离变压器的距离比较远， 所以相应的线路损耗也就更大。 随着11居民认识的不断进步， 家庭式光伏发电系统的安装数量势必会越来越多，当这类不经过任何治理的光伏发电系统装机容量达到变压器容量的一定比例时， 相应的闪变，三相不平衡或是由于线路无功不足而导致的电压降低等现象也就
16、出现了。为了避免此类事件的发生， 我们建议在小型的家庭式光伏发电系统安装的时候，也要求加装相应的治理装置。光伏发电是受阳光强弱的直接影响的，而一天中的阳光强弱程度由于天气，事件，云层等原因，几乎是时时在变化的，这也就导致了光伏发电装置几乎每一秒钟所发的电量都不相同。在这种情况下， 普通的补偿装置就很难做到对他的及时补偿治理了，这也就要求用到响应速度比较快速的SVG 等高科技产品。但是由于家庭式光伏电站和个体式充电桩等设备的容量较小，导致了所需要补偿的容量也相应的会很小，现在市面上常用的SVG 模块由于成本原因就不太适合直接使用了， 所以也就需要我们去研发一种容量更小，成本更低的新型产品，以满足广大个体用户的补偿需要。从这些细微的源头上加强对电网电能质量的治理， 相信在今后会是我们电网治理所需要面对的一个新的课题， 也只有从这些细微的污染源上着手，我们也才能使得我们的电能质量变得更加的稳定可靠。12
