充電站構(gòu)建綠色充電環(huán)境--電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理方案解析

安科瑞戴婷 Acrel-Fanny

隨著電動(dòng)汽車保有量呈井噴式增長(zhǎng)，充電站作為其能源補(bǔ)給的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)行穩(wěn)定性與電能質(zhì)量愈發(fā)關(guān)鍵。然而，充電站內(nèi)部大量非線性充電設(shè)備接入電網(wǎng)，不可避免地引發(fā)了一系列電能質(zhì)量問(wèn)題，如諧波污染、無(wú)功功率損耗、三相不平衡等。這些問(wèn)題不僅威脅到充電站自身設(shè)備的安全與壽命，降低充電效率，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性造成沖擊，影響其他用戶的正常用電。因此，亟需一套行之有效的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案。

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1. 諧波產(chǎn)生的原因

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整流裝置

大部分電動(dòng)汽車充電樁都采用整流技術(shù)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電來(lái)為汽車電池充電。在整流過(guò)程中，常用的二極管整流橋或晶閘管整流電路屬于非線性元件。以二極管整流橋?yàn)槔?，?dāng)交流電壓輸入時(shí)，二極管只有在正向電壓超過(guò)其導(dǎo)通閾值時(shí)才會(huì)導(dǎo)通，這使得輸入電流波形發(fā)生畸變。這種畸變導(dǎo)致電流不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是包含了大量諧波成分。

高頻開(kāi)關(guān)電源

許多充電站采用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，這種電源通過(guò)快速地開(kāi)關(guān)功率半導(dǎo)體器件來(lái)調(diào)整輸出電壓和電流。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于這些器件的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生高頻的脈沖電流。這些脈沖電流的頻譜包含了大量的高次諧波。

電動(dòng)汽車電池特性

電動(dòng)汽車電池在充電過(guò)程中有不同的充電階段，包括恒流充電和恒壓充電階段。在恒流充電階段，充電樁需要提供相對(duì)穩(wěn)定的電流；在恒壓充電階段，需要根據(jù)電池電壓的變化調(diào)整電流。這種動(dòng)態(tài)的充電需求會(huì)導(dǎo)致充電電流的波動(dòng)。特別是在充電模式切換時(shí)，電流的變化會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)程，從而引起諧波。

負(fù)載變化

充電站的負(fù)載情況是不斷變化的。隨著電動(dòng)汽車的接入和離開(kāi)，充電功率會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)有新的車輛接入充電時(shí)，充電系統(tǒng)需要快速響應(yīng)并分配功率。這種功率的快速變化會(huì)引起電網(wǎng)電流的波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生諧波。

2.諧波對(duì)充電站的影響

對(duì)充電設(shè)備的影響

縮短設(shè)備壽命：諧波電流會(huì)使充電設(shè)備中的變壓器、電抗器等感性元件產(chǎn)生額外的損耗。

干擾設(shè)備正常運(yùn)行：諧波可能會(huì)干擾充電設(shè)備內(nèi)部的電子控制電路。許多充電設(shè)備都采用了高精度的電子控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的控制。諧波電壓和電流可能會(huì)使這些控制器產(chǎn)生誤動(dòng)作，影響充電設(shè)備的正常充電功能。

引起設(shè)備故障：過(guò)高的諧波含量可能會(huì)使充電設(shè)備的一些敏感元件損壞。

對(duì)電網(wǎng)的影響

降低電網(wǎng)功率因數(shù)：諧波電流的存在會(huì)使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低。因?yàn)橹C波電流在電網(wǎng)的感性和容性元件之間來(lái)回流動(dòng)，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)下降。這會(huì)使電網(wǎng)的輸電效率降低，增加輸電線路的損耗。

引起電網(wǎng)電壓畸變：充電站產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)后，會(huì)在電網(wǎng)的阻抗上產(chǎn)生諧波電壓降。由于電網(wǎng)是一個(gè)相互連接的系統(tǒng)，這些諧波電壓會(huì)疊加在基波電壓上，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。電壓畸變可能會(huì)影響同一電網(wǎng)中其他用戶的電氣設(shè)備正常運(yùn)行。

干擾電網(wǎng)通信和保護(hù)系統(tǒng)：諧波可能會(huì)干擾電網(wǎng)中的通信信號(hào)和保護(hù)裝置。在現(xiàn)代電網(wǎng)中，電力線通信（PLC）技術(shù)被廣泛用于電網(wǎng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。諧波會(huì)在電力線上產(chǎn)生電磁干擾，影響通信信號(hào)的傳輸質(zhì)量，導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)出錯(cuò)或丟失。同時(shí)，電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置也可能會(huì)受到諧波的干擾。

對(duì)電動(dòng)汽車電池的影響

影響電池充電效率：諧波會(huì)使充電過(guò)程中的實(shí)際充電電流和電壓波形發(fā)生畸變。當(dāng)充電電流含有諧波成分時(shí)，電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象會(huì)加劇。極化會(huì)導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增加，使得充電過(guò)程中的能量損耗增加，從而降低電池的充電效率。

損害電池性能和壽命：長(zhǎng)期在諧波環(huán)境下充電會(huì)對(duì)電池的性能和壽命產(chǎn)生不良影響。電池在高次諧波電流的反復(fù)作用下，其內(nèi)部的化學(xué)結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化。

3.充電站電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和治理系統(tǒng)解決方案

3.1電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)

3.1.1平臺(tái)拓?fù)?/p>

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)系統(tǒng)平臺(tái)主要由電能質(zhì)量治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成，其中電能質(zhì)量治理設(shè)備作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)?，物理網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行策略功能分配，數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示。

3.1.2平臺(tái)展示

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)。

①功能展示-可視化管理

項(xiàng)目站點(diǎn)信息

廠區(qū)概況

配電房信息

配電房設(shè)備補(bǔ)償運(yùn)行狀態(tài)

語(yǔ)音報(bào)警

故障信息彈窗

②效果對(duì)比-治理分析

負(fù)載側(cè)2-31次諧波柱狀圖

電網(wǎng)側(cè)2-31次諧波柱狀圖

負(fù)載側(cè)各相電壓及電流畸變率

電網(wǎng)側(cè)側(cè)各相電壓及電流畸變率

③狀態(tài)展示-設(shè)備運(yùn)行

設(shè)備補(bǔ)償情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

故障分析及描述

④設(shè)備展示-運(yùn)行狀態(tài)

電容數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

投切狀態(tài)

3.2安科瑞電能質(zhì)量治理產(chǎn)品

電能質(zhì)量治理解決方案

3.2.1 有源電力濾波器(APF)

功能：有源電力濾波器通過(guò)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波，改善電能質(zhì)量。它可以對(duì)2~51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，具備完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)和裝置過(guò)溫保護(hù)功能。

應(yīng)用：在充電站中，有源電力濾波器可以有效濾除逆變器產(chǎn)生的諧波，提高電能質(zhì)量，保護(hù)其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

安科瑞有源電力濾波器分為集中治理型(AnSin，柜式，一般集中治理，安裝在低壓進(jìn)線處)和就地治理型(AnAPF或AnSVG-G-A，壁掛式，用于治理某個(gè)特定回路)，搭配使用治理效果更好。

3.2.2 靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)

功能：靜止無(wú)功發(fā)生器通過(guò)使用全控型電力電子器件（如IGBT），實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的變化，并根據(jù)需要快速產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的快速補(bǔ)償和調(diào)節(jié)，確保功率因數(shù)穩(wěn)定。

應(yīng)用：在充電站中，SVG可以提供快速的無(wú)功功率補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，可在原有常規(guī)電容補(bǔ)償柜基礎(chǔ)上增加SVG，達(dá)到更加快速平穩(wěn)的無(wú)功補(bǔ)償控制。

安科瑞SVG產(chǎn)品分為集中治理型(AnCOS，柜式，集中補(bǔ)償柜，一般安裝在低壓進(jìn)線處，位于有源濾波柜之前)和就地治理型(AnSVG或AnSVG-G-A，壁掛式，用于治理某個(gè)特定回路)。

3.2.3 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置 (APView500)

功能：電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置APView500實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、諧波畸變、電壓暫升/暫降/短時(shí)中斷、電壓電流瞬態(tài)監(jiān)測(cè)等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件。

應(yīng)用：在充電站中，APView500可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量，幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電能質(zhì)量問(wèn)題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，一般安裝于需要監(jiān)測(cè)的回路。

以上設(shè)備均可接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)控和實(shí)時(shí)預(yù)警，確保企業(yè)電網(wǎng)安全、可靠、低碳運(yùn)行。

審核編輯 黃宇