电动汽车充电对电网影响的研究.doc

电动汽车充电对电网影响的研究摘要：本文分析了电动汽车充电功率特性后，接合大量文献资料，认识到大量电动汽车在充电过程中，不仅会加剧电网系统的谷峰差，同时还会产生大量谐波分量污染电网。对于电动汽车充电过程产生谐波对电网产生影响，可以选用PWM新式整流充电设备，加装滤波器，以及优化电机的投入间隔控制策略等技术加以治理和控制。关键词：电动汽车；充电；谐波0 引言近日，国务院正式发布了节能与新能源汽车产业发展规划 （20122020年）。规划指出，以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。根据规划，在产销方面，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。随着电动汽车的推广普及，充电设施规模将不断扩大，其对电网将产生以下几个方面的影响：（1）临时性快速充电对电网负荷的冲击。由于未来电动汽车规模化应用后电池容量较大，单车快速充电功率将达到数百千瓦以上等级，将对当地配电网产生极大的功率冲击。（2）对电能质量的影响。由于电动汽车充电为变流操作，需要对电动汽车充电设备的谐波等技术指标进行严格控制。（3）对电网规划的影响。智能充电操作在配电网侧能显著平抑电网负荷、频率波动，降低电网峰谷差，提高电网负荷率，降低电网备用发电容量需求，显著改变电网运行方式，因此，需要在电网规划中考虑相关影响（4）对电网交易模式的影响。随着分时电价的实施，电动汽车将采取不同的控制方式在不同时段从电网获取电能补给，因此电网与电动汽车交易模式将由简单变复杂，需要更加先进的电力市场来支撑。1 电动汽车充电功率特性1.1电动汽车充电电池特性比较一般来说，常用电池主要是干电池、蓄电池以及体积小的微型电池。此外，还有金属一空气电池、燃料电池以及其他能量转换电池如太阳电池、飞轮电池、温差电池、核电池等。而真正在安全性、效率、性价比上都能满足电动汽车需要的，除了少部分的汽车使用的是燃料电池与飞轮电池以外，应用最多的正是蓄电池。在电池的大家族中，蓄电池的种类是最多的，共同的特点是可以经历多次充电、放电循环，反复使用，这也正是蓄电池作为电动汽车动力源的基础。当然，并不是所有的蓄电池都适合应用于电动汽车，最常用的还是铅酸电池、镍氢电池以及锂离子电池。镍氢电池是作为电动汽车电池的另一个主要选择，尤其是在混合动力汽车上有着广泛的应用。镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，它是目前最环保的电池之一，其以能吸收氢的金属代替镉(Cd)，不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。镍氢电池相比于铅酸电池和镍镉电池有着较大的能量密度比，这意味着可以在不为电动汽车增加额外重量的情况下，使用镍氢电池能有效地延长车辆的行驶时间。同时镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦基本相似，但又大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应”，这使得镍氢电池可以更方便地使用。镍氢电池放电特性平稳，放电曲线非常平滑，发热量小，这都是镍氢电池的优势，也是电动汽车选用其作为电动汽车蓄电池的依据。但是镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30%或更多，这是制约其在车辆上广泛应用的瓶颈。电动汽车电池充得越满，自放电速率就越高；当电量下降到一定程度时，自放电速率又会稍微下降。电池存放处的温度对自放电速率有十分大的影响。正因如此，长时间不用的镍氢电池最好是充到40%的“半满”状态。此外，镍氢电池较高的成本也是制约其在车辆上广泛应用的瓶颈。相对于传统的铅酸电池与镍氢电池，锂离子电池的历史很短。锂离子电池被称为性能最为优越的可充电电池，号称“终极电池”，受到市场的广泛青睐。锂离子电池的市场需求一直保持相当高的增长速度，市场对于锂离子电池的巨大需求也引导锂离子电池行业的继续走强，也使锂离子电池在电动汽车方面应用成为可能。锂离子电池负极一般是可大量储锂的碳素材料，正极是含锂的过渡金属氧化糖或磷化物，电解质是锂盐的有机溶液。锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟。2 电动汽车充电2.1电动汽车充电设施电动汽车的发展包括电动汽车以及能源供给系统的研究和开发,其中能源供给系统是指充电基础设施,供电、充电和电池系统及能源供给模式。电动汽车充电技术作为一个新的科技领域,世界各国都置身于充电技术的研究,并拟制作充电技术标准,为未来企业发展占据先机。充电系统为电动汽车运行提供能量补给,是电动汽车的重要基础支撑系统,也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。在充电系统中,充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求,结合电动汽车充电模式进行相应的规划和设计。目前电动汽车充电站建设的规模小、数量少,所以电动汽车充电站相关技术大部分还处在实际应用的初级阶段。国际上电动汽车充电系统的标准主要是IEC发布的IEC61851:2001,该标准包括三个部分,分别为:一般要求(partl)、电动车辆与交流/直流电源的连接要求(part2-1)、电动车辆与交流/直流充电站(part2-2)。目前国家电网公司为了规范内部电动汽车的应用,已经颁布了6项与电动汽车充电站相关的企业标准。目前供电、充电和电池系统应用集成技术和相关标准及规范研究的缺乏,仍然是电动汽车推广应用的主要薄弱环节,给电动汽车下一步的发展和充电设施的统一规划带来了很大的困难。能够保证大规模充电站正常运营的充电站监控系统尚无成熟产品,充电站监控系统和充电机间的通信协议和通信接口尚无统一的标准可以遵循,各充电站之间也无信息联系。电动汽车常用充电模式根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性,电动汽车的充电模式存在一定的差别。2.2充电方案1、常规充电：蓄电池在放电终止后,应立即充电(在特殊情况下也不应超过24h),充电电流相当低,大小约为15A,这种充电叫做常规充电(普通充电)。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电,一般充电时间为5-8小时,甚至长达10至20多个小时。因为所用功率和电流的额定值并不关键,因此常规充电的充电器和安装成本比较低;可充分利用电力低谷时段进行充电,降低充电成本;可提高充电效率和延长电池的使用寿命。常规充电模式的主要缺点为充电时间过长,有紧急运行需求时难以满足。2、快速充电：常规蓄电池的充电方法一般时间较长,给实际使用带来许多不便。快速充电电池的出现,为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应急充电,是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内,为其提供短时充电服务,一般充电电流为150400A。快速充电充电时间短;充电电池寿命长(可充电2000次以上);没有记忆性,可以大容量充电及放电,在几分钟内就可充70%80%的电;由于充电在短时间内(约为10-15分钟)就能使电池储电量达到80%-90%,与加油时间相仿,因此,建设相应充电站时可不配备大面积停车场。但是,相对常规充电模式,快速充电也存在一定的缺点:充电器充电效率较低,且相应的工作和安装成本较高;由于采用快速充电,充电电流大,这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的要求,同时计量收费设计也需特别考虑。3、机械充电：机械充电也就是换电池，即电池组快速更换。通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目的。由于电池组重量较大,更换电池的专业化要求较强,需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。电动汽车用户可租用充满电的蓄电池,更换已经耗尽的蓄电池,有利于提高车辆使用效率,也提高了用户使用的方便性和快捷性;对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电,降低了充电成本,提高了车辆运行经济性;解决了充电时间乃至蓄存电荷量、电池质量、续驶里程长及价格等难题;可以及时发现电池组中单电池的问题,进行维修工作,对于电池的维护工作将具有积极意义,电池组放电深度的降低也将有利于提高电池的寿命。2.3 电动汽车充电的特点动力电池特性：不同种类动力电池具有不同的充电特性，最佳充电率在0.22.0C之间变化。电池系统额定电压相同的情况下，最高充电电压由于电池种类、结构型式上的区别也体现出一定的差别。对于不同种类的电池，充电方法及充电控制策略也不同，应根据其电池特性不同采用不同的充电方法。充电时间：不同运行模式的电动汽车对充电时间提出了不同的要求，而充电时间的不同需要不同的充电方式来满足。在电动汽车对充电时间要求不高的情况下，可在停运时间利用电力低谷进行常规充电，延长车辆的续驶里程;在充电时间较为紧迫的情况下，需要采用快速充电或电池组快速更换及时实现电能补充。充电场所及其他环境条件：动力电池充放电工作效率受充电场所及其他环境条件的影响，尤其是受环境温度的影响。在常温下，电池充电接受能力较强，随着环境温度的降低，其充电接受能力逐渐降低。因此，随环境温度降低，充电站功率需求将增加。因而，建设充电站时应尽可能保证其环境不受人为温度条件的影响。3 电动汽车充电对电网的影响3.1 产生谐波的原因晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。3.2 产生谐波影响对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是; 这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。而当你为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量(仟瓦一小时)反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。在导体中非正弦波电流所产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致I2Rac损耗增加。谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。例如: 人造纤维纺织业和一些金属加工业。对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。像五次和七次这种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。机械振动是由振动的扭矩引起的，而扭矩的振动则是由谐波电流和基波频率磁场所造成，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。3.3 减少谐波影响的措施1.加强对谐波的管理：本着限制谐波源向公用电网注入谐波电流，将谐波电压限制在允许范围内的原则，首先要掌握系统中的谐波源及其分布，限制其谐波在允许范围内方可入网，未达标的必须采取治理措施，以防谐波扩散。2.加装滤波装置：包括无源滤波和有源滤波装置。为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防让谐波电流的产生，从而降低谐波电压。3.开关电源干扰的抑制：采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。 采用电源滤波器。减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生的较大电势阻止反向电流上升。参考文献：王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿M. 北京：机械工业出版社. 1998.7 M. S. W. Chan, K. T. Chau, C. C. Chan