电动汽车充换电站技术及谐波治理

摘要：为应对日益严重的环境污染形势，我国近年来大力推行电动汽车出行及充换电站建设。现对电动汽车及其充换电站技术进行探讨和研究，提出了充换电站接入电网后带来的谐波污染问题，并对解决方案进行阐述、比较和探索。

关键词：电动汽车；充换电站系统；谐波治理

引言

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，化石能源因其不可再生性及污染问题受到越来越多的争议，每年消耗大量化石能源的燃油汽车也急需替代品。在此背景下，水电、风电、太阳能等可再生能源及“以电代油”的电动汽车在世界各地被全力推广，取得了飞速的发展。在电动汽车使用过程中，如何建立完备可靠的充换电配套设施，是电动汽车形成规模化的重要基础。随着电动汽车数量规模逐年增加，将对现有电网造成巨大的电能质量冲击。因此，对电动汽车充换电站接入电网的谐波治理进行研究和提前布局显得尤为重要。目前，国内外已对电动汽车的充换电站开展了大量研究。文献[4]基于政府“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送”的政策指向，研究了充电站的电能质量问题，提出了一种更为科学的充电站控制系统。文献[5]通过对某地区充电站的数据进行提取研究，研发了一个充电站电能质量的MATLAB模型，在此仿真模型上建立模拟量和运算，了解大型充电站三相不平衡电流引起的电能损耗问题和无功功率补偿问题。

1我国发展电动汽车及充换电站技术的背景

据中国公安部统计，截至2020年6月，全国机动车保有量达3.6亿辆，其中汽车2.7亿辆，汽车保有量的增长速度极其惊人。与之对应的，是我国逐年飞增的原油进口量，数据如图1所示。发展新能源领域的电动汽车，可以缓解我国石油资源紧缺的局面，减轻能源安全的压力，稳定经济发展，具有重大的战略意义。我国目前面临的环境污染问题同样严峻。汽车尾气的排放产生的多环芳烃，是大气中的主要污染物之一。电动汽车代替传统汽车，可以缓解温室效应、优化空气质量，做到节能减排、环保出行。电动汽车还为我国复杂的电能现状提供了新的优化途径。在电网设计中，为保证供配电的可靠性，一般是按需求的最大负荷来进行供电。这导致在大部分用电波谷时，电网线路中的电能不能得到很好的利用。电动汽车作为一项新增的大负荷用电设备，接入电网后，若能与现有电网用电负荷形成互补，将极大地提高电网的效率。如将大型充换电站接入城市智能电网系统，通过系统进行全网用电负荷的智能监测和主动调配，让充换电站大负荷主动避开其他必要负荷高峰，集中在用电波谷时段对站内电动汽车、储能电池进行充电。目前，各类清洁能源（如风电、水电等）普遍具有供能不稳定、受环境影响因素较大的问题，不适合作为供电可靠性要求较高的居民用电，但接入智能电网中的充换电站可以很好地利用这些能源。在这类清洁能源发电站附近设置大型充电站、换电站，根据发电站发电情况智能调配充电桩可用数量，可以做到合理利用清洁能源。

2电动汽车充换电站技术分析

电动汽车根据储能电池组的技术区别，其能源供给方式主要分为充电型和换电型。充电型分为交流充电桩和直流充电桩。交流充电桩主要设置在住宅、商业车库中，充电功率一般小于7kW，充电时间为6～8h；直流充电桩一般设置在大型充电站中，充电功率较大，为50～170kW，充电时间为2～4h。换电型主要为单独建设的换电站，由于其将储能电池的充电过程独立在充能机上进行，汽车只需要完成更换电池的操作，可以使整个储能时间控制在5min以内。图2所示为某大型充电站电气结构示意图。此充电站由两路市电进线引来，通过联络柜中的母联开关将两路进线对应变压器的一次侧10kV母线及变压器二次侧400V母线联络，具有较高的供电可靠性和故障检测能力。对于大型充电站存在的大负荷集中充电情况，利用静止无功发生器STATCOM补偿电网中消耗的无功功率，改善电能质量，优化电网运行状态。图3所示为某换电站平面布置图。车辆进入换电站内后，先经过预检区，此处设置的监控室可以进行人工预检，墙上安装的摄像头、红外设备可以进行智能预检。经检测符合换电条件的情况下，车辆接入换电停靠区，由机器人行道上的换电机器人将汽车内部的亏电电池取下，再将满电电池架上的满电电池装入车辆，车辆随后即可发动驶离换电站，完成换电操作，整个过程不超过5min。堆垛机会将换下的亏电电池堆放在电池充电机的充电座上，换电站通过监控室内的中央控制器智能控制电池充电机的充电调度，以满足智能电网的调配逻辑和换电高峰的电池储备。

3充换电站谐波解决方案

电动汽车充换电站中的充电桩、充能机是一种非线性设备，成片设置后会产生大量谐波，如不加以处理，将对用电计量表、变压器、配电电缆、无功电容补偿器等电力设备造成不良影响，对电网中的电能质量造成严重的负面效应。大型住宅及商业综合体的充电桩供配电系统，应设置专属变压器进行谐波处理及无功补偿后接入电网；大型充换电站不宜直接接入380V公共母线系统。本文就抑制接入电网的谐波电流提出以下两种解决方案：

3.1多脉动整流技术

消除谐波的影响，最根本的办法是从源头上避免谐波的产生。多脉动整流是一种在谐波源上进行谐波治理的技术，主要包括PWM整流技术、有源无源功率因数校正技术和多相整流技术，具有经济、高效的特点。图4所示为多项整流技术中一种12脉动桥式整流电路结构图。图4中两个6脉动整流桥并联在三绕组变压器上，三绕组变压器中的两个变压器二次侧分别为星型连接和三角形连接。其中，Yy0连接的变压器电压、电流波形一次侧、二次侧保持不变，Yd11连接的变压器二次侧线电流的基波和正序谐波分量超前一次侧π/6，二次侧线电流的负序谐波分量落后一次侧π/6，从而得到了一个12脉动整流电路。可求出变压器一次侧的总电流如式（1）所示：式中的5、7、17、19次谐波可以被抵消，只留下12k±1次的谐波分量，成功消除了大部分谐波，提高了电能质量。

3.2滤波技术

滤波技术是指通过安装在电气装置中的有源、无源滤波器来消除电网中的谐波。无源滤波器主要包括单挑谐滤波器、高通滤波器等。特点是结构简单、易维护、性价比高，但滤波的可靠性较低，不能应对复杂的用电环境。相较而言，有源滤波器可以动态抑制谐波、补偿无功功率，具有高可控性和快速响应性的优点，更适合电动汽车充换电站的复杂负荷环境。图5所示为APF有源滤波器内部原理图及接入充电站结构图。图5中，在电动机充电桩的充电回路上并联APF有源电力滤波器。如图所示，APF有源滤波器的工作原理是：CT电流互感器将充电桩配电回路中的谐波电流析出，通过指令电流计算模块检测出其中的谐波电流分量，电流跟踪调制模块计算出消除谐波电流分量所需的相应反方向电流分量，并将该信息传递给控制驱动电流模块，驱动主电路产生补偿电流，抵消充电桩产生的谐波电流，完成整个滤波过程。

4结语

本文探讨了我国发展电动汽车和配套充电设施的背景及意义；对充电站和换电站的整体框架及设计细节进行了研究，分析了充电站接入电网的系统及换电站设计内容；最后，提出了充换电站接入电网后将产生谐波污染、影响电网电能质量的问题，经过分析后提供了两种谐波治理的办法。

［参考文献］

[1]陈恩.某商业综合体地下车库电动汽车充电桩的电气设计[J].江西建材，2017（4）：215-216.

[2]20kV及以下变电所设计规范：GB50053—2013[S].[3]电动汽车充电站设计规范：GB50966—2014[S].

[4]王梦蔚，晏阳.主动配电网中电动汽车充电站智能管理控制系统设计[J].电工电气，2017（7）：62-66.

[5]闫婧.电动汽车充电站的无功补偿控制策略研究[J].计算技术与自动化，2017，36（2）：91-94.

[6]苏大智.电动汽车充电站谐波问题研究[J].数码世界，2020（6）：158.

作者：张方怡 单位：中船第九设计研究院工程有限公司