电动汽车充电桩对电气工程配电网的谐波影响分析

引言

伴随着当下社会对保护环境、节能环保的重视，电动车作为无污染或小污染汽车正在渐渐取代传统燃油车成为社会的汽车行业发展主流趋势。与此同时，伴随着电动车的大量使用，电动车充电站也开始在国内各地建立并运营起来。然而，这种充电方式也并非完美，随着这种充电方式的发展，它可能会给用户带来方便。但伴随着它产生的影响，电力系统中的电磁干扰等一系列问题可能为电力系统的安全性能、可靠性能带来不良后果。因此，研究电动车充电站对电力系统中电磁干扰的影响是十分必要的。

一、电动汽车充电桩产生谐波的机理

1.1 充电桩内部电力电子器件的工作特性

充电桩站整体来说，对电动汽车进行充电时往往采用电力电子变换装置实现电动汽车蓄电池的充电需求。而电力电子元器件主要包括 DC/AC 变换装置、逆变装置等等，在使用过程中将会经历不同的状态，进行周期的转换，但是在进行状态转换时会受到开关器件的开关特性非线性的影响，造成电流和电压的波形畸变，产生谐波。例如，在进行 DC/AC 转换过程中，如果使用无控制的转换方式，输入端的电流波形将为脉动波形，含有较多的高次谐波。

1.2 充电桩的控制策略对谐波的影响

对充电桩的控制策略会间接地控制充电桩产生的谐波的数量及频谱结构。因为不同的控制策略会影响到电能变换器件的切换率和周期时间，从而引起谐波含量和频谱结构的变化，如通过 PWM 信号控制，在适当地改变 PWM 信号的比例及周期可以改变输出波形，但会导致新形式的谐波产生。充电站的电压调节和蓄电池维护等均与谐波相关。

二、谐波对配电网的影响

2.1 对电能质量的影响

其一电压畸变，谐波电流注入配电网后在电网阻抗上产生谐波电压降，引起电压波形的畸变。电压畸变会对用电设备正常工作产生影响，对于对电压波形比较敏感的用电设备，如电子设备和精密仪器等会导致设备性能下降甚至损坏。其二电压波动和闪变，由于电动车充电随机性强且间歇性充电，造成配电网端电压产生剧烈波动、闪烁，若电压偏差过大，会影响用户的用电感受，对用户高稳定性的电压设备，如照明设备、电动机等，产生不利的影响。其三不平衡，若接入充电桩会使得三相负荷变得不平衡，因此会导致三相电压和电流的幅值和相位不平衡，会引起负序和零序的谐波产生。三相不平衡会增加线路损耗，使电力设备发生不正常的工作现象，影响电网供电的安全性。

2.2 对设备运行的影响

其一变压器，对于变压器铁芯而言，变压器在运行过程中受到谐波电流的影响，会引致产生额外损耗，因此导致变压器运行的温度提升，进而会加快变压器绝缘的老化速度，进而导致变压器使用寿命减少。对于变压器铁芯而言，谐波的影响还会导致变压器发生振动，因此导致谐波电流增大，变压器负荷变得更加繁重。其二电缆，在谐波电流通过电缆中时，会产生附加集肤效应和近邻效应，加大了电缆的电阻，进一步加剧了电缆的发热。运行中长期承受谐波环境的电缆，绝缘性能逐步降低，甚至发生电缆故障。其三用电设备，对于电子产品尤其是需要更高品质用电的计算机、通讯设备等，谐波的高频率容易打破其正常运行节奏，造成信息丢失或者通讯中断。对于如电动机等感性负载而言，谐波会出现附加损耗，降低电动机效率，容易造成电动机发生振荡、噪声现象。

2.3 对继电保护的影响

其一误动作，谐波可能对继电保护装置的测量部分进行误判，致使继电保护装置发生误动作。比如谐波电流则会导致电流互感器二次侧电流发生畸变，继而使得继电保护装置检测到的电流值与实际的电流值不符，最后发生误动作。其二拒动作，有时因谐波可能会影响到继电保护的信号传输与处理，因此对继电保护装置造成拒绝动作的情况。如谐波可能造成保护装置通讯故障，导致无法顺利传输保护命令，影响继电保护装置的正常工作。其三使得保护装置的选择性、灵敏度降低。谐波存在会改变电力系统的故障特征，影响到电力设备保护的灵敏性和选择性，由于电力设备无法准确地感知到故障类型与故障位置，这就影响到了电力系统的故障清除与恢复能力。

三、抑制电动汽车充电桩谐波影响的措施

3.1 技术手段

其一 APF 为有源电力滤波器。APF 是一种能够对谐波进行实时调控的电力电子装置，可以对电网中产生的谐波电流进行抑制，其原理是针对实际测量的谐波电流来生成与谐波电流幅值、方向完全相反的补偿电流以补偿抵消谐波电流，最终达到对电网优化的目的。虽然其有反应速度快、补偿效果好的特点，但因生产成本较高，应用受限。其二无源滤波器，无源滤波装置主要由电容器、电感器、电阻器等多种元件构成，通过科学的滤波器构建能够使其对一定频率具有很低的抗扰度，从而使其将谐波电压引入到滤波器中，减低了谐波电压进入电力网的可能性。该方式虽然结构比较简单且成本较为低廉，但由于电力网以及负荷的变化都会影响到它，补偿效率并不算高。其三合理布局充电桩以及进行科学的充电桩管理。合理地改进充电桩的电力电子结构，并采用多电平变换器、软开关技术等方法减少充电桩本身的谐波出现，并采用改进充电桩自身的控制策略，如使用先进的 pwm 控制算法、抑制谐波产生的相关算法，减少谐波产生。其四采用谐波隔离变压器，谐波隔离变压器对充电桩和配电网所处不同空间产生的谐波进行隔离，在谐波隔离变压器的特殊绕制方式和设计下可以阻断在变压器两面产生的谐波电流的流动，进而减少谐波对配电网的影响。

3.2 管理策略

其一充电设施选址与规模科学化。针对电动汽车充电设施建设规划来说，我们必须充分考虑到电力系统的负荷能力和供电质量和电力系统的负载需求科学布局充电终端的建设地点与建设规模，避免充电终端数量过少与设备布局过于密集，使得干扰信号的叠加效应降低充电站的充电速度。同时根据各个区域的用电负荷以及电网系统的设计需求，科学限制充电设备的充电功率与建设总容量。其二制定谐波标准和规范，政府及相关机构应出台严谨的电动汽车充电桩谐波排放规范与要求，明确充电桩的谐波限值、试验方法。加强充电桩生产厂家、运营商的监管，确保充电桩谐波排放达标。其三加强电网监测和管理，建立一套完善又有效的配电网络中谐波监督系统，时刻进行着对于电网中谐波存在的状态与分布状况的追踪与监察。通过对其检测数据进行研究及处理，在最短的时间里找出谐波问题并且对之作出合理的处理对策。同时完善对于电动汽车充电设备的管理工作，定期开展对于电动汽车充电设备的谐波检测与维修工作，确保其稳定运行。其四推广应用电动汽车互动(V2G)技术，在 V2G 技术中电动车与电网进行双向能量流动。通过有效控制电动车充放电过程，可以实现当电网负重较低时给车辆充电，在负重较高时向电网充放电。V2G 技术既能起到平衡电网负重的作用，也可以对电动车进行利用，来达到消除谐波影响的作用。

结束语：众多的电动汽车充电站接入到配电网中带来了新的问题—谐波污染问题。该问题的影响决不能小看，会不但对配电网络的电能质量、电气装置运行、断路器保护产生不良影响，还会导致电网的电能损耗增加。因此要真正消除充电桩谐波的影响，还需采取多方面措施，包括技术手段应用、管理措施应用等措施。只有这样才有可能消弱充电桩谐波对配电网的破坏作用，确保其安全可靠地进行运行，保证电动汽车业及电力系统的健康发展。

参考文献:

[1]朱建辉.加快电动汽车充电基础设施建设[J].政协天地, 2024(4):34-3

4.

[2]林霖.基于电力电子变压器的柔性直流互联配电网协调控制研究[D].东北电力大学,2021.

[3]王斌，李航.电动汽车直流充电桩自动测试系统设计和应用[J].电子世界，2019（17）：126-127+130.