構(gòu)建綠色充電環(huán)境,充電站電能質(zhì)量監(jiān)測與治理方案解析

安科瑞徐赟杰18706165067

隨著電動汽車保有量呈井噴式增長，充電站作為其能源補給的關鍵節(jié)點，其運行穩(wěn)定性與電能質(zhì)量愈發(fā)關鍵。然而，充電站內(nèi)部大量非線性充電設備接入電網(wǎng)，不可避免地引發(fā)了一系列電能質(zhì)量問題，如諧波污染、無功功率損耗、三相不平衡等。這些問題不僅威脅到充電站自身設備的安全與壽命，降低充電效率，還會對電網(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)測與治理系統(tǒng)解決方案。

1. 諧波產(chǎn)生的原因

整流裝置

大部分電動汽車充電樁都采用整流技術將交流電轉(zhuǎn)換為直流電來為汽車電池充電。在整流過程中，常用的二極管整流橋或晶閘管整流電路屬于非線性元件。以二極管整流橋為例，當交流電壓輸入時，二極管只有在正向電壓超過其導通閾值時才會導通，這使得輸入電流波形發(fā)生畸變。這種畸變導致電流不再是標準的正弦波，而是包含了大量諧波成分。

高頻開關電源

許多充電站采用高頻開關電源技術，這種電源通過快速地開關功率半導體器件來調(diào)整輸出電壓和電流。在開關過程中，由于這些器件的非線性特性，會產(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。

電動汽車電池特性

電動汽車電池在充電過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。這種動態(tài)的充電需求會導致充電電流的波動。特別是在充電模式切換時，電流的變化會產(chǎn)生暫態(tài)過程，從而引起諧波。

負載變化

充電站的負載情況是不斷變化的。隨著電動汽車的接入和離開，充電功率會發(fā)生動態(tài)變化。當有新的車輛接入充電時，充電系統(tǒng)需要快速響應并分配功率。這種功率的快速變化會引起電網(wǎng)電流的波動，進而產(chǎn)生諧波。

2.諧波對充電站的影響

對充電設備的影響

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

干擾設備正常運行：諧波可能會干擾充電設備內(nèi)部的電子控制電路。許多充電設備都采用了高精度的電子控制器來實現(xiàn)充電過程的控制。諧波電壓和電流可能會使這些控制器產(chǎn)生誤動作，影響充電設備的正常充電功能。

引起設備故障：過高的諧波含量可能會使充電設備的一些敏感元件損壞。

對電網(wǎng)的影響

降低電網(wǎng)功率因數(shù)：諧波電流的存在會使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低。因為諧波電流在電網(wǎng)的感性和容性元件之間來回流動，導致電網(wǎng)的功率因數(shù)下降。這會使電網(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，會在電網(wǎng)的阻抗上產(chǎn)生諧波電壓降。由于電網(wǎng)是一個相互連接的系統(tǒng)，這些諧波電壓會疊加在基波電壓上，導致電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。電壓畸變可能會影響同一電網(wǎng)中其他用戶的電氣設備正常運行。

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

對電動汽車電池的影響

影響電池充電效率：諧波會使充電過程中的實際充電電流和電壓波形發(fā)生畸變。當充電電流含有諧波成分時，電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象會加劇。極化會導致電池的內(nèi)阻增加，使得充電過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：長期在諧波環(huán)境下充電會對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作用下，其內(nèi)部的化學結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生變化。

3.充電站電能質(zhì)量監(jiān)測和治理系統(tǒng)解決方案

3.1電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

3.1.1平臺拓撲

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)系統(tǒng)平臺主要由電能質(zhì)量治理設備、物理網(wǎng)關、服務器及服務終端四部分組成，其中電能質(zhì)量治理設備作為基礎實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補償?shù)?，物理網(wǎng)關實現(xiàn)設備與服務器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對設備進行策略功能分配，數(shù)據(jù)經(jīng)由服務器以服務終端為媒介為用戶提供可視化展示。

3.1.2平臺展示

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

①功能展示-可視化管理

項目站點信息

廠區(qū)概況

配電房信息

配電房設備補償運行狀態(tài)

語音報警

故障信息彈窗

②效果對比-治理分析

負載側(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-設備運行

設備補償情況實時監(jiān)測

設備運行狀態(tài)

故障分析及描述

④設備展示-運行狀態(tài)

電容數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

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動態(tài)補償諧波，改善電能質(zhì)量。它可以對2~51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償，具備完善的橋臂過流保護、直流過壓保護和裝置過溫保護功能。

應用：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，保護其他設備的正常運行。

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，安裝在低壓進線處)和就地治理型(AnAPF或AnSVG-G-A，壁掛式，用于治理某個特定回路)，搭配使用治理效果更好。

3.2.2 靜止無功發(fā)生器(SVG)

功能：靜止無功發(fā)生器通過使用全控型電力電子器件（如IGBT），實時檢測電網(wǎng)電壓的變化，并根據(jù)需要快速產(chǎn)生或吸收無功功率，實現(xiàn)無功功率的快速補償和調(diào)節(jié)，確保功率因數(shù)穩(wěn)定。

應用：在充電站中，SVG可以提供快速的無功功率補償，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，可在原有常規(guī)電容補償柜基礎上增加SVG，達到更加快速平穩(wěn)的無功補償控制。

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

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

功能：電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置APView500實時監(jiān)測實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諧波畸變、電壓暫升/暫降/短時中斷、電壓電流瞬態(tài)監(jiān)測等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件。

應用：在充電站中，APView500可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的電能質(zhì)量，幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)并處理電能質(zhì)量問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，一般安裝于需要監(jiān)測的回路。

以上設備均可接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對企業(yè)微電網(wǎng)的實時監(jiān)測、智能預測、動態(tài)調(diào)控和實時預警，確保企業(yè)電網(wǎng)安全、可靠、低碳運行。

審核編輯 黃宇