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淺談新能源電動汽車充電站有序用電的解決方案與應用

2025-03-10 [434]

安科瑞劉邁

　　摘要：本文基于電動汽車充電站接入配電網的諧波污染問題，在對配電網諧波問題的來源、影響和解決方案進行分析的基礎上，*點研究了電動汽車充電站接入配電網的諧波控制方案。首先，介紹了電動汽車充電技術的發展和接入配電網的必要性及優點，接著對配電網諧波問題的形式和危害進行了歸納總結，然后對電動汽車充電站接入配電網的諧波監測與分析方法、控制策略及諧波*制技術進行了詳細闡述。本文對于推進電動汽車充電技術的發展及解決配電網諧波污染問題具有一定實際意義。

　　關鍵詞：電動汽車；充電站；配電網諧波

　　0引言

　　近年來，電動汽車市場增長迅速，電動汽車充電技術也得到了廣泛的關注和發展。電動汽車充電技術的發展可以分為以下幾個階段：

　?。?）初期階段：傳統的普通充電技術。電動汽車只能使用低功率充電器，需要較長時間才能充滿電。

　?。?）中期階段：快速充電技術的出現?？焖俪潆娂夹g可以使用高功率充電器，可以在較短的時間內將電動汽車充滿電。

　?。?）當前階段：智能化充電技術的發展。智能化充電技術可以將充電器與配電網等其他系統進行連接，實現電能的*效轉移和管理。電動汽車充電技術的不斷進步，為電動汽車行業的不斷發展和壯大提供了強有力的支撐。

　　1配電網諧波問題分析

　　1.1充配電網諧波問題的來源和形式

　　配電網諧波問題的來源主要包括電力電子設備、不對稱電力負載和自然電源等因素，形式主要包括電壓諧波、電流諧波和功率諧波等。

　　1.2配電網諧波問題的影響和危害

　　配電網諧波問題的影響和危害有以下幾個方面：

　?。?）引起設備故障。配電網中的變壓器、開關和繼電器等設備，可能會因頻繁、長時間的諧波信號而出現故障。此外，諧波等影響設備的操作和數據處理能力。

　?。?）降低設備壽命。諧波信號中的高頻成分會加劇設備中的熱膨脹和振動等現象，導致設備壽命縮短，影響電力系統的可靠性和穩定性。

　?。?）增加無功功率。諧波信號中的反復變化導致電路中出現無功功率。這會增加輸電和配電線路的電流，造成線路過載，影響電能質量。

　　（4）造成干擾。諧波信號會對傳感器、信號燈和通訊系統等設備造成干擾，導致它們不能正常運作，從而影響電網的運行安全和效率。綜上所述，配電網諧波問題的影響和危害是多方面的，需要采取措施進行解決。

　　1.3配電網諧波問題的解決方法

　?。?）采用濾波器。在配電網上安裝濾波器可以減少諧波。濾波器是一種能夠減緩諧波波形的元件，在特定頻率范圍內實現對諧波的高阻抗。

　?。?）選擇合適的電源設備。使用具有低諧波輸出的電源設備，如交流直流變換器、變頻器等，可以減少諧波的產生。

　　（3）接地。接地是減少諧波的另一種方法，通過將系統接地，可以更有效地減輕諧波的影響。

　　2電動汽車充電站接入配電網的諧波特性分析

　　2.1電動汽車充電站接入配電網的組成和類型

　　電動汽車充電站接入配電網的組成主要包括：

　?。?）充電設備。包括充電樁、充電機、連接器等，為電動汽車提供充電服務。

　?。?）電源設備。包括變壓器、電容器等，用于保證電動汽車充電設備的穩定運行。

　?。?）監控和控制設備。用于對充電設備、電源設備進行實時監控和控制，確保充電過程的穩定進行。

　　2.2電動汽車充電站接入配電網的諧波危害分析

　　電動汽車充電站接入配電網會產生大量的諧波，會對配電網產生危害和影響，主要包括以下方面：

　?。?）降低功率因數，增加無功功率。諧波電流會增加配電網中電壓總諧波畸變，導致諧波電壓變化，從而產生額外的無功功率。

　?。?）增加電力系統損耗。配電網中電纜、變壓器等元件對高頻諧波電流阻抗較大，因此，隨著諧波電流的增加，這些元件的交流電阻將會*大，進一步增加電力系統的損耗。

　?。?）損壞電力設備。諧波電流會導致電路中產生高溫和高壓，導致電力設備加速老化，降低電力設備壽命，并且容易引起設備故障和損壞。

　?。?）干擾其他設備。諧波電流還會對其他設備產生電磁干擾，干擾到其他電子設備的工作正常。因此，如何有效降低電動汽車充電站接入配電網產生的諧波危害，保障配電網的運行安全和設備壽命，是當前需要解決的重要問題。

　　2.3電動汽車充電站接入配電網的諧波監測與分析方法

　?。?）電動汽車充電站接入配電網的諧波監測。電動汽車充電站接入配電網，其諧波電流是時變的脈沖波形，因此，應用數字采樣、處理技術就能有效分類和分析其諧波成分。①基于數學方法的諧波監測?；跀祵W方法的諧波監測主要通過功率諧波計分析充電站諧波情

　　況。功率諧波計通過測量電路中的電壓和電流并對其進行諧波分析，計算得出每一個諧波分量的功率、電量等參數。這種方法具有計算速度快、分析準確等特點，但需要充分考慮其適用性和誤差分析。②基于模型方法的諧波監測?；谀Ｐ头椒ǖ闹C波監測利用DSP等電力計算機模擬電路，從而得出電路中的各個參數并進行諧波分析。該方法計算精度高，但是需要通過模型仿真才能得到分析結論，計算速度較慢。

　?。?）電動汽車充電站諧波分析方法。①諧波向量圖分析法。諧波向量圖分析法是一種諧波分析方法，通過繪制電路諧波量的向量圖，可以清晰地表明諧波數量、大小和相位關系。這種方法明確直觀，能夠*面反映諧波成分以及基波的變化狀況。②諧波分解法。諧波分解法是通過對原始信號進行數字濾波分解，得到諧波信號和基波信號，然后將諧波信號進行FFT變換，分別得到各個諧波分量的幅度和相位信息，進而分析諧波成分的變化。③諧波掃描法。諧波掃描法也稱為頻點掃描法，是一種比較經典的諧波分析方法。通過對接收到的信號進行諧波分析，可以得到諧波頻率、幅值信息等。諧波掃描法的缺點是對諧波頻率及數量限制較大。

　　總之，針對電動汽車充電站接入配電網使配電網諧波污染問題，進行諧波監測和分析是解決諧波污染問題的基礎，通過合理分析各種諧波監測與分析方法，才能更有效地評估和預防諧波污染問題。

　　3電動汽車充電站有序接入配電網的諧波控制技術

　　3.1電動汽車充電站有序接入配電網的控制策略

　　電動汽車充電站接入配電網的控制策略主要包括電動汽車充電功率控制策略、諧波*制控制策略、功率因數控制策略、電壓控制策略等。

　　（1）電動汽車充電功率控制策略。主要包括動態功率調節和靜態功率調節。動態功率調節實現了電動汽車充電功率的實時調節，節省了電能的使用。靜態功率調節實現電動汽車充電功率的固定設置，方便充電站的管理。

　?。?）諧波*制控制策略。主要采用濾波器進行諧波*制。濾波器可以有效地消除由逆變器等電子設備所引起的諧波。在選擇濾波器時，需要考慮其對系統的負載和功率損耗。在進行濾波器的設計和選型時，應該綜合考慮。

　?。?）功率因數控制策略。電動汽車充電站的功率因數直接關系到系統的運行效率。在選擇變壓器等電氣設備時，應該特別關注其功率因數的影響。能夠控制功率因數，可以降低能源消耗，提高電網的電能利用率。

　　3.2電動汽車充電站有序接入配電網的諧波*制技術

　　電動汽車充電站接入配電網會引起諧波問題，對電網穩定性和輸電設備的運行產生負面影響。因此，需要采取一系列措施來*制諧波的產生和傳輸。下面介紹幾種諧波*制技術。

　?。?）無源濾波技術。無源濾波器是一種基于諧振電路的諧波*制技術。它是通過將一個諧振電路連接到電路上，以濾去*定頻率的諧波。無源濾波器具有較低的成本、體積小、效率高等優點。但是，它只能針對單一諧波，無法同時*制多個諧波，并且其諧振頻率需要調節。

　　（2）有源濾波技術。有源濾波器是一種利用半導體器件實現的可控電路，能夠消除多種諧波。與無源濾波器相比，它的性能更為*越，但需要較高的成本和控制精度。目前，有源濾波器主要應用于高壓交流輸電線路和配電變電站等場合。

　?。?）諧波*制變壓器技術。諧波*制變壓器是一種特殊的變壓器，它能夠在電網負載中產生諧波電壓，加入與電網故障電壓相反的電壓，從而*制諧波電壓。諧波*制變壓器的成本較高，但其諧波*制效果好，并且具有強大的承載能力和*制范圍。

　　總之，電動汽車充電站接入配電網需采取多種諧波*制技術來保證供電的穩定性和可靠性。其中，無源濾波技術和有源濾波技術、諧波*制變壓器技術、多電平變流器技術等是常用的諧波*制技術。

　　3.3電動汽車充電站有序接入配電網的諧波控制方案

　?。?）有源濾波技術。有源濾波器是一種利用半導體器件實現的可控電路，能夠消除多種諧波。與無源濾波器相比，它的性能更為*越，但需要較高的成本和控制精度。目前，有源濾波器主要應用于高壓交流輸電線路和配電變電站等場合。

　　總之，電動汽車充電站接入配電網需采取多種諧波*制技術來保證供電的穩定性和可靠性。其中，無源濾波技術和有源濾波技術、諧波*制變壓器技術、多電平變流器技術等是常用的諧波*制技術。各種技術應根據實際情況進行選擇和組合應用來達到*佳的諧波*制效果。

　　4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

　　4.1平臺概述

　　Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

　　微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

　　4.2平臺適用場合

　　系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

　　4.3系統架構

　　本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

　　5充電站微電網能量管理系統解決方案

　　5.1實時監測

　　微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

　　系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

　　微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

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圖1系統主界面

　　子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

　　5.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

　　本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

　　本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

　　本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

　　本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

　　本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

　　5.1.3風電界面

圖12風電系統界面

　　本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

　　本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

　　5.1.5視頻監控界面

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圖14微電網視頻監控界面

　　本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

　　5.1.6發電預測

　　系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

　　5.1.7策略配置

　　系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

　　具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

基礎參數

計劃曲線-一充一放

圖16策略配置界面

　　5.1.8運行報表

　　應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

　　5.1.9實時報警

　　應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

　　5.1.10歷史事件查詢

　　應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

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圖19歷史事件查詢

　　5.1.11電能質量監測

　　應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

　　1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

　　2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

　　3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

　　5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

　　6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

　　5.1.12遙控功能

　　應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

　　5.1.13曲線查詢

　　應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

　　5.1.14統計報表

　　具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

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圖23統計報表

　　5.1.15網絡拓撲圖

　　系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

　　5.1.16通信管理

　　可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

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圖25通信管理

　　5.1.17用戶權限管理

　　應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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圖26用戶權限

　　5.1.18故障錄波

　　應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。