電動汽車充換電站技術及諧波治理
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摘要：為應對日益嚴重的環(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?，F(xiàn)對電動汽車及其充換電站技術進行探討和研究，提出了充換電站接入電網(wǎng)后帶來的諧波污染問題，并對解決方案進行闡述、比較和探索。
關鍵詞：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)展的重要物質基礎，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施，是電動汽車形成規(guī)模化的重要基礎。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)的諧波治理進行研究和提前布局顯得尤為重要。目前，國內外已對電動汽車的充換電站開展了大量研究。文獻[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量問題，提出了一種更為科學的充電站控制系統(tǒng)。文獻[5]通過對某地區(qū)充電站的數(shù)據(jù)進行提取研究，研發(fā)了一個充電站電能質量的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償問題。
1我國發(fā)展電動汽車及充換電站技術的背景
據(jù)中國公安部統(tǒng)計，截至2020年6月，全國機動車保有量達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。與之對應的，是我國逐年飛增的原油進口量，數(shù)據(jù)如圖1所示。發(fā)展新能源領域的電動汽車，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、優(yōu)化空氣質量，做到節(jié)能減排、環(huán)保出行。電動汽車還為我國復雜的電能現(xiàn)狀提供了新的優(yōu)化途徑。在電網(wǎng)設計中，為保證供配電的可靠性，一般是按需求的最大負荷來進行供電。這導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荷用電設備，接入電網(wǎng)后，若能與現(xiàn)有電網(wǎng)用電負荷形成互補，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)進行全網(wǎng)用電負荷的智能監(jiān)測和主動調配，讓充換電站大負荷主動避開其他必要負荷高峰，集中在用電波谷時段對站內電動汽車、儲能電池進行充電。目前，各類清潔能源（如風電、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)電站附近設置大型充電站、換電站，根據(jù)發(fā)電站發(fā)電情況智能調配充電樁可用數(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分析
電動汽車根據(jù)儲能電池組的技術區(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的換電站，由于其將儲能電池的充電過程獨立在充能機上進行，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。圖2所示為某大型充電站電氣結構示意圖。此充電站由兩路市電進線引來，通過聯(lián)絡柜中的母聯(lián)開關將兩路進線對應變壓器的一次側10kV母線及變壓器二次側400V母線聯(lián)絡，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荷集中充電情況，利用靜止無功發(fā)生器STATCOM補償電網(wǎng)中消耗的無功功率，改善電能質量，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。車輛進入換電站內后，先經(jīng)過預檢區(qū)，此處設置的監(jiān)控室可以進行人工預檢，墻上安裝的攝像頭、紅外設備可以進行智能預檢。經(jīng)檢測符合換電條件的情況下，車輛接入換電?？繀^(qū)，由機器人行道上的換電機器人將汽車內部的虧電電池取下，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。堆垛機會將換下的虧電電池堆放在電池充電機的充電座上，換電站通過監(jiān)控室內的中央控制器智能控制電池充電機的充電調度，以滿足智能電網(wǎng)的調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、充能機是一種非線性設備，成片設置后會產(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、無功電容補償器等電力設備造成不良影響，對電網(wǎng)中的電能質量造成嚴重的負面效應。大型住宅及商業(yè)綜合體的充電樁供配電系統(tǒng)，應設置專屬變壓器進行諧波處理及無功補償后接入電網(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
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行諧波治理的技術，主要包括PWM整流技術、有源無源功率因數(shù)校正技術和多相整流技術，具有經(jīng)濟、高效的特點。圖4所示為多項整流技術中一種12脈動橋式整流電路結構圖。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、二次側保持不變，Yd11連接的變壓器二次側線電流的基波和正序諧波分量超前一次側π/6，二次側線電流的負序諧波分量落后一次側π/6，從而得到了一個12脈動整流電路?？汕蟪鲎儔浩饕淮蝹鹊目傠娏魅缡剑?）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，提高了電能質量。
3.2濾波技術
濾波技術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。特點是結構簡單、易維護、性價比高，但濾波的可靠性較低，不能應對復雜的用電環(huán)境。相較而言，有源濾波器可以動態(tài)抑制諧波、補償無功功率，具有高可控性和快速響應性的優(yōu)點，更適合電動汽車充換電站的復雜負荷環(huán)境。圖5所示為APF有源濾波器內部原理圖及接入充電站結構圖。圖5中，在電動機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，電流跟蹤調制模塊計算出消除諧波電流分量所需的相應反方向電流分量，并將該信息傳遞給控制驅動電流模塊，驅動主電路產(chǎn)生補償電流，抵消充電樁產(chǎn)生的諧波電流，完成整個濾波過程。
4結語
本文探討了我國發(fā)展電動汽車和配套充電設施的背景及意義；對充電站和換電站的整體框架及設計細節(jié)進行了研究，分析了充電站接入電網(wǎng)的系統(tǒng)及換電站設計內容；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)電能質量的問題，經(jīng)過分析后提供了兩種諧波治理的辦法。
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作者：張方怡 單位：中船第九設計研究院工程有限公司