減小電動汽車對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的國內(nèi)專利技術(shù)淺析

石會燕

【摘 要】隨著電動汽車的廣泛應(yīng)用和數(shù)量的急劇增長，其隨機充放電行為將為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和電能質(zhì)量帶來挑戰(zhàn)。本文從涉及減小電動汽車對電能質(zhì)量影響的專利申請出發(fā)，統(tǒng)計了近幾年相關(guān)專利申請的概況，探討了近年專利申請的技術(shù)重點和熱點，展望了大規(guī)模電動汽車的城市電網(wǎng)動態(tài)運行機制和可開展的進一步的研究工作。

【關(guān)鍵詞】電動汽車 充放電 電網(wǎng) 電能質(zhì)量 專利

1 引言

電動汽車作為新能源汽車的代表，在環(huán)保、清潔和節(jié)能等方面具有明顯的優(yōu)勢。國家電網(wǎng)公司在其智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃中也指出要大力開展電動汽車充放電關(guān)鍵技術(shù)的研究并全面推廣應(yīng)用。因此，隨著電動汽車和充電站數(shù)量的不斷增加，電動汽車將成為電網(wǎng)中的一種新型的重要負荷。由于大量的電動汽車的隨機性的充電行為，電動汽車接入電網(wǎng)充電對電網(wǎng)的影響問題逐步凸顯，如可能導致配電網(wǎng)絡(luò)局部的負荷變大，甚至導致配電網(wǎng)過負荷。因此，電動汽車接入電網(wǎng)必須考慮對配電網(wǎng)負荷平衡的影響。另外，由于充電設(shè)備中包含大量的電力電子裝置，當電動汽車入網(wǎng)充電時，所產(chǎn)生的諧波對配電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量將產(chǎn)生影響。本文試圖從專利申請的角度，在對國內(nèi)相關(guān)專利申請數(shù)據(jù)進行檢索和分析的基礎(chǔ)上，研究國內(nèi)相關(guān)專利申請的技術(shù)重點和熱點，為相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究提供參考。

2 近年國內(nèi)相關(guān)專利申請概況

利用國內(nèi)專利數(shù)據(jù)庫，對減小電動汽車對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的相關(guān)的發(fā)明專利申請進行了充分檢索，得到了近年（2010-2014）相關(guān)的國內(nèi)發(fā)明專利申請數(shù)據(jù)（共43件）。從圖1中所示的發(fā)明專利申請量變化趨勢可以看出，從2011年開始，相關(guān)的專利申請量有較大的增長，由于專利申請一般是自申請日起滿18個月才公開，所以圖1中的曲線下拐點并不表明相關(guān)的專利申請量的下滑。另外，通過統(tǒng)計申請人可以得知，專利申請量主要集中在國家電網(wǎng)（14件）和華北電力大學（6件），其它大學和公司也有相關(guān)的專利申請，例如上海交通大學、東南大學、廣西電網(wǎng)公司等等，但是并沒有明顯的數(shù)量集中。

圖1 近年發(fā)明專利申請量變化

圖2 主要專利申請人分布

3 相關(guān)專利申請的主要技術(shù)分析

通過對這些發(fā)明專利申請中的主要的發(fā)明專利申請所公開內(nèi)容的分析，從技術(shù)角度可以將它們分為以下幾類：針對充電裝置電路的改進、針對充電裝置主電路控制方法的改進、有源濾波器的使用、電動汽車與新能源發(fā)電的結(jié)合以及電動汽車的充放電的調(diào)度。下面，將對它們進行詳細說明。

（一）針對電動汽車充電裝置電路的改進

通常，電動汽車的充電裝置即充電樁的電路一般是由整流電路和DC/DC變化電路兩級電路組成。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，只有少量的專利申請涉及充電電路的改進。例如，在專利申請CN103078388A中公開了一種新型電動汽車動力電池充電機電路，該充電機電路包括依次連接的Z源網(wǎng)絡(luò)（AC/AC變換器）、π形濾波電路和不可控整流橋。該充電機電路不同于傳統(tǒng)的充電機電路，采用的電力電子器件大大減少，允許橋臂直通或者開路，電壓調(diào)節(jié)范圍大，能夠緩解沖擊并抑制諧波。而在另一專利申請CN103107583A中，公開了一種電動汽車充電站主電路拓撲結(jié)構(gòu)，該專利申請主要針對的是充電站中的主電路的改進，將一般的分布于每輛電動汽車上的整流結(jié)構(gòu)整合為一個高壓PWM整流器，每輛電動汽車上只是存在非隔離型DC/DC變換器，能夠提高了整體效能，減小諧波的產(chǎn)生。涉及充電電路結(jié)構(gòu)改進的專利申請相對較少，這可能與已經(jīng)比較成熟的電力變換技術(shù)有關(guān)。

（二）針對充電裝置主電路控制方法的改進

經(jīng)過統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)，涉及充電裝置的主電路控制方法的改進的專利申請的數(shù)量相對較多，占據(jù)了全部申請量的近17%。例如，專利申請CN103023117A公開了一種高電能質(zhì)量電動汽車充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的PWM整流器的控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和無差拍控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，能夠減少電動汽車充電系統(tǒng)對電網(wǎng)諸如的諧波電流，改善電能質(zhì)量。專利申請CN103647281A以由電壓型PWM變流器和對稱半橋LLC諧振式雙向DC/DC變換器構(gòu)成的主電路為基礎(chǔ)，也是通過采用PWM控制方式使得一級功率變換器電網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波，減小諧波含量。專利申請CN102570566A將高頻整流器和基于高頻變壓器的DC/DC變換器進行組合，對高頻整流器的控制采用內(nèi)環(huán)為交流母線電流、外環(huán)為DC/DC變換器的輸出電壓或電流的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輸入側(cè)無功電流的控制，從而提高功率因數(shù)。專利申請CN103647281A和CN103187729A實質(zhì)上都是基于由雙向PWM變換器和DC/DC變換器構(gòu)成的兩級電路的控制方法的改進，將有源濾波諧波補償方法應(yīng)用于雙向功率變換器的控制，在電動汽車的充電電池與電網(wǎng)的能量能夠雙向流動的同時，實現(xiàn)電網(wǎng)諧波的就地補償。專利申請CN103545899A提出了一種針對電動汽車充放儲一體化電站的無損增值效益控制方法，其利用儲能電池的增值控制或者變流裝置電容的增值控制或者將二者進行比例融合的增值控制，即利用，從而降低非線性負荷產(chǎn)生的諧波和無功。由此可見，由于充電裝置主電路拓撲結(jié)構(gòu)的技術(shù)的成熟，更多地關(guān)注主電路的控制方法的改進也是必然。而且，其中相當多的專利申請是借用了無差拍控制、電流電壓雙閉環(huán)控制、有源濾波諧波補償控制等經(jīng)典控制算法。專利申請CN103545899A提出的利用變流裝置的富余容量對電網(wǎng)諧波和無功功率進行無損增值控制的方法較為獨特。而且，綜合這些專利申請的技術(shù)內(nèi)容，其中的變換器電路都能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車電池與電網(wǎng)之間的能量的雙向流動，即V2G模式。

（三）有源濾波器（APF）的使用

有源濾波器雖然能夠較好地實現(xiàn)諧波補償從而提升電能質(zhì)量，但是其制造和使用成本較高。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，采用有源濾波器的相關(guān)的專利申請主要是關(guān)注如何降低APF的使用成本。例如，CN103872684A公開了一種消除電動汽車諧波的裝置及方法，雖然其采用的主要的裝置仍然是APF，但是其關(guān)注點在于如何減少所使用的APF的數(shù)量。該專利申請將每個充電樁看成一個節(jié)點，如果節(jié)點間引起的諧波相互疊加，則判定節(jié)點間存在一條邊。計算網(wǎng)絡(luò)中所有任意兩點之間的最短路徑，所有最短路徑路過每條邊的次數(shù)為每條邊的介數(shù)，啟動安裝在最大的邊上的有源電力濾波器。這樣，只是采用少量的APF便能消除大量分散的電動汽車充電樁充電時產(chǎn)生的諧波，提高供電質(zhì)量。CN103928930A公開了一種減少電動汽車充放電過程中電網(wǎng)諧波的方法，將有源濾波和無源濾波相結(jié)合并安裝在電網(wǎng)側(cè)，通過采用雙階段間諧波檢測方法，第一階段基于加窗插值FFT方法提取諧波分量，并將其濾除，第二階段再次進行加窗插值FFT方法提取諧波分量，從而去除該間諧波分量，最終將加入電網(wǎng)側(cè)的諧波減小到最小。另外，CN103812109A公開了一種電動汽車充電站并聯(lián)有源濾波器的容量配置方法，其主要是針對充電站并聯(lián)有源濾波器之后的諧波放大效應(yīng)的問題所作出的改進，通過計算描述該放大效應(yīng)的系數(shù)來指導有源濾波器的容量選型。

（四）電動汽車與新能源發(fā)電的結(jié)合

由于新能源發(fā)電的快速發(fā)展，利用能量存儲技術(shù)、并通過合理的調(diào)度電動汽車的充放電，可以使得新能源發(fā)電效率的提升并增強配電網(wǎng)絡(luò)的電壓穩(wěn)定性。例如，CN102361334A公開了光伏儲能電動汽車充電站系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)狀態(tài)切換方法。利用該系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)、電網(wǎng)以及充電系統(tǒng)的能量互動，既提高了充電站對太能能的利用率，還可以保證供電穩(wěn)定性。CN102324752A公開了風力發(fā)電的純電動汽車有序充放電協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將每個充電站的信息傳送至電網(wǎng)調(diào)度中心，由調(diào)度中心判斷當前電力系統(tǒng)的狀態(tài)，生成相應(yīng)的充電控制模式。調(diào)度中心通過充電站集中協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)將調(diào)峰指令發(fā)送給各個電動汽車的動力電池，動力電池接收命令實現(xiàn)調(diào)峰同時向電網(wǎng)反饋剩余電量。

（五）合理調(diào)度電動汽車的充放電

除了對充電裝置的電路結(jié)構(gòu)及控制方法進行改進之外，通過合理地調(diào)度電動汽車的充放電也是提高電能質(zhì)量的措施之一。例如，電子科技大學在CN103855767A中提出一種電動汽車充電的調(diào)度方法，相比于通常的就近調(diào)度策略，其考慮各條道路的交通狀況（非機動車輛的影響、邊摩阻的影響、大型車流量的影響），選擇出更合乎實際情況、更精確的電動汽車駕駛路徑。同時考慮充電站的氣象因素和充電情況，選擇出諧波最小的充電站調(diào)度方案提供給電動汽車，從而優(yōu)化電動汽車充電站的調(diào)度，減小電動汽車充電產(chǎn)生的危害電網(wǎng)的諧波。

4 總結(jié)與展望

由此可見，隨著電動汽車的逐漸普及，其對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響越來越受到相關(guān)企業(yè)的關(guān)注，這也體現(xiàn)在相關(guān)的發(fā)明專利申請的數(shù)量變換上。從專利申請的數(shù)量上看，國家電網(wǎng)公司是申請量最為集中的申請人，這也與其作為電動汽車入網(wǎng)應(yīng)用的主要建設(shè)者和推動者的身份是吻合的。另外，從國內(nèi)的相關(guān)專利申請的技術(shù)信息可以看出，為了降低電動汽車充放電對電網(wǎng)的影響，雖然有少量的關(guān)于充電機主電路拓撲結(jié)構(gòu)的改進，但是近期較多的關(guān)注點仍在于針對充電電路中電力變換器的優(yōu)化控制，而且這些控制方式都是在V2G模式的基礎(chǔ)上進行的，可見，V2G模式相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的開發(fā)。APF已經(jīng)比較成熟，專利申請主要是針對如何減少APF的應(yīng)用成本或者提高其應(yīng)用效率。除此之外，有人提出了通過優(yōu)化電動汽車充電的調(diào)度方法來降低諧波污染的專利申請，在充電裝置的電路結(jié)構(gòu)和控制方法日趨成熟和完善的情況下，進一步開發(fā)電動汽車與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化經(jīng)濟運行可能是今后的一個研究方向。

針對涉及減小電動汽車對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響的發(fā)明專利申請，進行了統(tǒng)計和分析，總結(jié)了近期專利申請的技術(shù)熱點和方向，供技術(shù)人員參考，可以在專利申請公開的技術(shù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進一步開發(fā)，節(jié)約研究成本。另外，將來可進一步開展的工作是針對國外的專利申請的挖掘和分析，以進一步了解國外的技術(shù)動態(tài)并加以利用。

參考文獻：

[1] 趙俊華，文福拴，楊愛民，等，電動汽車對電力系統(tǒng)的影響及其調(diào)度與控制問題[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2011，35（14）； 2-10.