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 劉芳 咨詢家：acrel-js

隨著電動汽車保有量呈井噴式增長，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(shè)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(shù)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?yàn)槔?，?dāng)交流電壓輸入時(shí)，二極管只有在正向電壓超過其導(dǎo)通閾值時(shí)才會導(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。

高頻開關(guān)電源

許多充電站采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，這種電源通過快速地開關(guān)功率半導(dǎo)體器件來調(diào)整輸出電壓和電流。在開關(guān)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(dǎo)致充電電流的波動。特別是在充電模式切換時(shí)，電流的變化會產(chǎn)生暫態(tài)過程，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。隨著電動汽車的接入和離開，充電功率會發(fā)生動態(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引起電網(wǎng)電流的波動，進(jìn)而產(chǎn)生諧波。

2.諧波對充電站的影響

對充電設(shè)備的影響

縮短設(shè)備壽命：諧波電流會使充電設(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實(shí)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(shè)備的正常充電功能。

引起設(shè)備故障：過高的諧波含量可能會使充電設(shè)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?yàn)橹C波電流在電網(wǎng)的感性和容性元件之間來回流動，導(dǎo)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(gè)相互連接的系統(tǒng)，這些諧波電壓會疊加在基波電壓上，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)：諧波可能會干擾電網(wǎng)中的通信信號和保護(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(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(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)象會加劇。極化會導(dǎo)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(fù)作用下，其內(nèi)部的化學(xué)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?fù)?/strong>