多台电动车快速充电产生的谐波对电网的影响
Alexandre Lucaslowast;, Fausto Bonavitacola, Evangelos Kotsakis, Gianluca Fulli
European Commission, JRC, Institute for Energy and Transport, PO Box 2, 1755 ZG Petten, The Netherlands
摘 要
快速充电是用户看作用于延长电动汽车（EV）的平均每日流动性的优选方法。快速充电器的额定功率，集中在指定车站在高峰时段其预期的操作，是显著的担忧。一方面，它使人们对电能质量，尤其是谐波失真由于使用连接到高负荷，通常介于18至24千瓦小时功率电子标准要求的担忧。另一方面，基础设施尺寸，并需要为那些在这类设施投资的设计限制考虑。将EV的完整充电循环期间进行四组测量和单个谐波幅度和相位角的行为进行分析。此外，本文还将电压和电流总谐波失真（THD）和总需求失真（TDD）进行了计算，结果与IEEE519，IEC61000/ EN50160标准进行比较。另外，正在快速充电两车，同时连接到同一馈线进行了模拟的将对谐波的相位角进行分析。该研究得出结论，使用的TDD比THD更好，因为前者使用的最大电流（IL），而后者使用的基波电流，有时会有误导性的结论，因此，我们建议它应该被包括在IEC / EN标准更新。电压的THD和TDD所分析的充电器，分别为1.2％和12％的标准范围之内，但是各个谐波（第11次和第13次）在IEC失败分别519（5％，3％，以符合在IEEE的5.5％极限61000）。相位角往往有从基波优先范围的差异。结果发现，在同一谐波顺序相位角之间的平均差异低于90◦，这意味着当多个车辆被连接到相同的供给器的振幅将增加。由于限制是在上游短路电流（ISC）可靠，如果车辆的增加（即，IL）的数量，标准限值会降低，并最终被超过。谐波限制是在主绑定状态下，功率限制之前确定。初始限制的电荷数不是上游电源电路的功率容量，但对于电力污染谐波有限制。
介 绍
从工厂集中的单向流动的电力消费者到分布式发电的双向流动制度方式的变化，提出了新的挑战。这些措施包括（向更广泛的分布式网格的技术开发和适应）需要新的运营策略，模型和仿真工具，以及更好的基础设施设计。分布式代理之间包括智能房屋或电动汽车（EV）和电网的互动，促使研究人员，产业和政策制定者的利益。技术代理之间的这些相互作用由像专业用户，零售商，分布式系统运营商（DSO）或服务的公司，这是在技术层面推动的互动至关重要的社会/经济主体的支持。标准化要求，并更好地理解互操作现象，特别是影响了分布式代理的大规模集成可能，因此，对行业，公用事业，监管和政策制定机构利益主体。其中，互操作性研究重点扶持通用连接，电池和电动汽车的互动与电网及其它代理商，并识别标准或技术差距。
电力行业已推荐三种模式电动汽车充电（快，单相或三相）（IEC61851）[1]为各类场所的首选解决方案，从而快速充电的重要领域加以解决。由EV充电的分析配电网络的影响，如谐波失真水平，不平衡，附加损耗和变压器的寿命损耗。对电动汽车的电池充电器采用注入分配这可能导致系统显著谐波电压和电流的非线性。本文献报道关于从电动汽车对电能质量的影响，不同的结果。一些学者指出，配电基础设施可以与电动汽车充电电源即使是相对较低的EV普及率[2-5]限制。其他的研究[6-11]表明，低渗透EV水平，与正常相比将具有可接受的低谐波含量和电压变化，但快速充电速率会导致显著的电压谐波和损失。大多数研究往往只集中于电流谐波，应对作为主要关心家用和标准的充电器，因为它们预期具有较高的渗透。然而，在非常有限的研究限于电流谐波着眼于快速充电在连接到同一个供料器[12,13]充电器的簇特异性进行编号。该研究的动机往往是相同的——在高的预期能量需求高峰时段冲击和预期使用。
相当多的文献集中在配电网络尤其是住宅网[14,15]，其中电动汽车充电可能带来额外的严重的电力电子负载和相关的电力质量问题。欧洲标准的公共电源EN50160[16]，设置条件：电压幅度变化，电压谐波，谐波间电压和电压不平衡等。被连接到电力网络的所有负载必须在网络上提供一个足够低的效果，因此，它不会导致违反本标准规定的供电条件。这意味着，在EV充电器，一旦连接到公共网络，必须不影响网络操作，可以从标准引起偏差的程度。在发电机全部擦除，EV充电器必须满足对由电磁兼容性的IEC61000系列标准描述了可连接到电力网络的负载要求。这些标准设置的排放水平，包括一个充电器被允许具有谐波电流或功率因数。施加到低功率的EV充电器的标准是IEC61000-3-2[17]和IEC61000-3-4[18]，它设置限制于由充电器所产生的谐波发射。基于充电商业电动汽车实际测量的另一项研究[8]提出的17.3％为在充电结束一个三级充电器的最大谐波失真，并且最大的19.2％为I级和II还在末端。本刊承认，TDD的使用将提高对失真的影响的结论。来自葡萄牙的案例研究结果[9]研究发现11.6％的THD，在一个快速充电站集成在一个商业设施的恒压充电阶段。一个典型的分销网络有大量的连接到它的不同的非线性负载。文献[19]。认为，来自不同制造商添加的EV充电器可能会导致各种不同的谐波形态图案的多样性可能导致显着的谐波消除当具有不同的相位角谐波提供比单独的谐波幅值较小的大小的总和发生这种效果。不过它相当复杂，为评估这种效果，文献[10]。研究的低电压的非线性负载还表明，消费者的电器消费数量增加更可能的还已经表明，消除谐波是在较高的谐波次数，然后可以占相对较小的THD预期。
在大多数文件，它是相当常见，只有谐波振幅电平观察到，作为公用事业必须保持在给定的限制的谐波水平。文献[20]。但是请注意，如果充电器的多样性是没有考虑到，谐波问题可能被高估。一个在这一领域的第一篇论文实际上由文献 [21] 介绍在网络中的多个不同的EV充电器。据悉，相比于简单观察幅度总和小于10％谐波电流量值的。另一项研究[22]加州SOC和初始充电时刻的多样性。结果表明，占在分析中启动的时间变化和SOC导致谐波电流注入的降低估计。作者认为，传统方法没有考虑这些变化。研究人员表明，从变电站变压器的点来看，电动汽车的影响是功率和能量的主要之一，而不是谐波。对于每个谐波实分量和虚分量分析中参考了描述。[7]其中分析20度费用以及在连接点报告超过40％的THD。在11千伏的中压网络进行模拟用36个充电器，各在8.2千伏安的功率电平，这使得它很难观察到的总抵消效应
还有一个具体指的是快速充电缺乏研究重点集群快速充电器和两个THD1和THD5（电压总谐波失真）的影响。关键是以研究阶段的角度来了解谐波的振幅测量和被认为是集群的一部分(连接到同一个支线)。本研究的主要目的是澄清以下问题:(1)研究电压和电流总谐波失真(THD)引起的电动车快速充电的标准限制。（2）总谐波失真如何引起快速充电器/ EV负载沿充电周期而变化。（3）不造成同时充电的两辆电动汽车快速充电速度降低是由于相位抵消的THD和TDD？
理论背景
谐波失真是电流或电压波形的一个完美的正弦形状的偏差。在非线性负载，如电动汽车充电控制器的情况下，电流畸变是很常见的，因为需要功率电子开关来从交流转换电源为直流形式。这些电流引入配电系统可以扭曲市电电压和昂贵的过载配电设备。为了防止谐波从市电产生负面影响，如标准IEC61000-3-12[23]/ 2-4[24]或IEEE标准519-1992，用来制订建议的既定目标[25]以及在电力系统谐波的治理要求。这些标准，由工业和研究团体广泛采用，描述十足谐波电流失真可能会导致电气系统以及程度内的问题，这些谐波可以通过一个给定的系统容忍。公用事业有义务提供电力质量,其他限制取决于电压连接的电平。另一方面终端用户，负责不通过绘制显著非线性或失真的电流降低有效用的电压。电能质量，在公共耦合（PCC）的具体点谐波影响中利益双方的主体。与消费者/程序接口的PCC是对客户的服务，而其他实用程序客户或可能提供的效用侧的最近点。施加在标准中规定的谐波限制的目的是为了防止一个客户从引起谐波失真到另一个客户或实用程序。
谐波
谐波话题理论是一个良好的覆盖问题。然而，在实践中，它是很难从每个谐波阶评估相位角，因此，做出关于它们加起来时多个设备的交互方式的有效假设。通常情况下，概率方法制成[20,26]，并经常研究将治疗矢量求和考虑高的不确定性或最坏的情况下[27]。为此文献的结果和结论经常不同。例如在图1，两个负载J1，J2连接到与该阻抗Z的网格被考虑。图1矢量u，具有谐波电压顺序小时，将根据公式总结（ ）。 （1.1）说的是与基波的相位角。
但是，如果该角度是未知的，如果存在着没有概率的函数，可以使用一个均匀分布的特性来推断由上下偏差相位角建立如下等式保守求概率的和。
下列等式示出了由所得到的预期平均值
并且在下面的等式相应的标准差是
这可以使上下相位角估计值，如下方程所示：
在统计分布或精确的角度已知的情况下，他们将加在一起时，它们的区别在于以下90°（如果0°完美相加）或减跌破（如果180°互相抵消）。此外每个总和所得角度可以由X和Y分量的分解分析计算。考虑方程两个向量A和B。（1.7） - （1.8）和（1.9） - （1.10），其中A1和A2为向量的幅度和1和2是对应的角度：
获得的 （通过添加X和Y分量）后，将所得的幅度（R）的公式 （1.11）和角度（ ）的公式。 （12）由下式给出
选址标准519，IEC61000和EN50160
IEEE519-1992标准和IEC61000-3-12/ 2-4分别适用于所研究的情况下，美国和国际标准。双方讨论了谐波失真可以对配电资产，特别是变压器，电力电缆，电容器，计量，中继和开关装置的影响。两者提出的电压和电流的失真和各个频率范围的限制。IEEE519给出了电压限制，而且还使THD和TDD概念之间有明显的区别。EN50160提出了主电压电平参数和它们允许的偏差在公共低压和中压配电系统的范围在客户PCC。然而，负载电流是不相关的标准EN50160关于实际电流谐波的限制，欧洲标准是一样的IEC内，因此，只有后者将从该点被称作。表1示出了用于不同电压电平的电压总谐波失真的限制。类似表2示出用于TDD和根据各电压电平单个谐波的限制。表3和4分别示出61000-3-12/ 2-4在IEC设置相同的限制。
ISC/比率表明相比于公用设施系统的负载的相对大小。在一个给定的点（一个线性的假设下）的电源系统可以转化为一个戴维南等效与相关阻抗。的短路，从而也可在短路功率（SCP）在MVA中表达，在该点“量化”的网络的等效阻抗。如果是高（即低SCP）
该网络是“弱”，电压由（谐波）电流的影响;如果它是高（无限），所述阻抗是零，该网络是强和电压不受影响。因此，有必要以计算或测量在其中测量预定的PCC短路电流（）。除了分母TDD和THD是非常相似的，所示方程（13）和（14）。在TDD，谐波表示为 （最大需求负载电流），而明确谐波含量为的％（基波电流）的百分比。对于 ，建议考虑最大平均电流的至少最后6个月15-30分钟间隔的给定消耗。
通常THD首先测量，然后进行比较时的限制，如果有问题，则TDD被计算。这是很少需要转换到TDD和 的百分比，这就是为什么THD要好得多。
测试设计
四个测量在使用快速充电器的全电动车辆上进行。作为测量设备在Fluke 437系列II [28]，使用400赫兹电能质量和能量分析仪，以0.25秒的时间步长的数据采集设置。记录谐波，直到2500赫兹的总谐波失真的电压和电流的分辨率和精确度为0.1％和读数的plusmn;2.5％，而对于相位角是1°与plusmn;Ntimes;的精度1°（其中，n是谐波阶） 。商业快速充电器[29]连接到一台最大63 A插座，230 V，在一端，并在其他50赫兹，与充电器制造商的电缆，一个完整的电动汽车VW型号E-起来，用一个18.7千瓦时电池组。车辆用随机行驶循环排出及在不同的日子进行不同的测量。实验室温度大约是25°C在所有测量。车内所有负载断开连接（空调，收音机，电灯）该系统的平衡被成功验证。42分钟进行的4个组测量从电荷的不同低状态8％，7％，5％，和10％直到最大的到100％的SOC。
在开始测量时，除了相序的验证之前，还要进行初始验证过程。并非所有的测量记录在同一时间，而且不使用电压控制源的事实。一组的三个文件每次测量记录：（ⅰ）无负荷;（ⅱ）只与充电器连接（iii）带负载。这是为了验证：频率波动，电压波动， 空载和仅在连接了快速充电器。
上游侧栅极表示示于图 2，以及其中，被执行的测量点（PCC）。在理论上的PCC往往会在中等电压电平，即服务于用户的配电变压器的初级，而不管变压器所有权或计量系统的位置。在实践中在变压器上次级执行这种测量它往往是更安全或可以访问的，为的是在此分析呈现的情况。本研究认为，用户的区别将在图中所示的PCC点来完成。一种阻抗计（IMP计2）被用来记录 在PCC每个和个测量被确定限制的标准。
为了完成本研究的第一个和第二个目标，进行了测量之后，PowerLog4.2软件[28]用于导入和验证读数。然后从四个组测量数据被出口到电子表格。观察值，并记录TDD的ARMS充电周期中电流波形，结果在下一章中展示。从绝对值和相对值，与标准限值的比较是可能的，也很重要，以模拟的THD和TDD与一个和两个电动车辆一起工
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