電動汽車充電站電能質(zhì)量采集與分析研究

尹卿，石立民，劉樹軍，溫學(xué)峰，王坤

(內(nèi)蒙古電力(集團)有限責(zé)任公司， 錫林郭勒電業(yè)局， 內(nèi)蒙古， 錫林浩特 026000)

0 引言

目前電動汽車充電站和充電樁之間的電能質(zhì)量存在一定差異，影響電動汽車的使用壽命[1-2]。在國外，電能質(zhì)量問題最早提出于電網(wǎng)的運行，將電能質(zhì)量的評估分為電壓、電流、供電、用電等4個方面，即電力運作時所產(chǎn)生的發(fā)電、輸電、供電三個過程，并對比實際電壓與理想電壓的偏差，判斷電能質(zhì)量。

隨著對電能質(zhì)量研究的不斷深入，目前該領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用電動汽車充電站電能質(zhì)量檢測設(shè)備，如Fluke430系列、1760系列。采用3G和VNP技術(shù)采集電量，加快電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和傳輸[3-6]。在國內(nèi)，對于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和分析研究雖然晚于國外，但是目前已經(jīng)取得了一定的研究成果，如PITE3561便攜式三相電能質(zhì)量分析儀、GKDN800型電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置；采用GPRS終端與PC機相結(jié)合方式采集電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，縮短接入時間、提高傳輸速度和增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍[7-10]。

在上述研究成果的應(yīng)用中，電能采集的準(zhǔn)確性不夠理想，為此提出電動汽車充電站電能質(zhì)量采集的優(yōu)化方法。

1 電動汽車充電站電能質(zhì)量采集與分析

1.1 確定電能質(zhì)量采集標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則

(1) 供電電壓

充電站為電動汽車充電時，會產(chǎn)生電力負荷變化，此時，充電站的有功功率和無功功率處于動態(tài)平衡狀態(tài)，電壓存在一定范圍的波動，即充電站給電動汽車充電時，所產(chǎn)生的供電電壓允許偏差。

因此，設(shè)電壓偏差為ΔU；充電站給電動汽車充電時所產(chǎn)生的實際電壓為U實；電源的輸出電壓上限，即標(biāo)稱電壓為U標(biāo)稱，則有：

(1)

此時，即可根據(jù)式(1)，確定電壓偏差限值，如表1所示。

表1 電壓偏差限值表

(2) 頻率

設(shè)頻率偏差為Δf；充電站給電動汽車充電時，所產(chǎn)生的實際頻率為f實；電源的輸出頻率上限，即標(biāo)稱頻率為f標(biāo)稱，則有：

Δf=f實-f標(biāo)稱

(2)

(3) 三相電壓

設(shè)三相不平衡度為ε;負序分量有效值(V)為U2;正序分量有效值(V)為U1;零序分量有效值(V)為U0，則有：

(3)

此時，式(3)得到的是電壓不平衡度，即三相電壓限值。將負序分量有效值(V)U2、正序分量有效值(V)U1、零序分量有效值(V)U0，替換成電流負序分量有效值(A)I2、正序分量有效值(A)I1、零序分量有效值(A)I0，并將I2、I1和I0代入式(3)，則可得電流不平衡度如式(4)：

(4)

(4) 電壓波動

由于目前充電站在為電動汽車充電時，會產(chǎn)生一種沖擊性負荷，增加電壓波動程度，導(dǎo)致充電過程不穩(wěn)定，需確定電壓波動限值。設(shè)電壓波動限值為d，電壓變化中的相鄰最大值為Umax，最小值為Umin，變電站的標(biāo)準(zhǔn)電壓為U標(biāo)準(zhǔn)，則有：

(5)

(5) 充電站供電時產(chǎn)生的諧波

充電站所安裝的換流、變頻等裝置設(shè)備，會導(dǎo)致電壓發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波，降低充電站電能質(zhì)量[13]。因此設(shè)周期性電壓為u；諧波次數(shù)為h，即h=1,2,3,4…；h次諧波的分量電壓有效值為Uh；基波角頻率為ω1；周期性電流為i，則有：

(6)

式中，t表示時間周期,Ih表示h次諧波的分量電流有效值,αh和βh表示h次諧波的初相和終相。此時，根據(jù)式(6)的計算結(jié)果，計算第h次電壓諧波含有率Ph、諧波電壓含量Hh和諧波電壓總畸變率Dh：

(7)

1.2 電動汽車充電站電能質(zhì)量采集與分析

根據(jù)上述式(1)～式(7)得到，如表1～表4所示的電能質(zhì)量采集分析標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，采集分析電能質(zhì)量，即采集分析電能中各基礎(chǔ)信號，與電能質(zhì)量采集分析標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則進行對比，進而判斷電能質(zhì)量[14-15]。因此,采集分析電能質(zhì)量，即采集分析電能質(zhì)量信號數(shù)據(jù)。

假設(shè)電能質(zhì)量信號數(shù)據(jù)，在[0，T]區(qū)間上，可以采用傅里葉級數(shù)表示電能質(zhì)量信號數(shù)據(jù)條件函數(shù)x(t)，則有：

(8)

(9)

xn(t)=a0+a1(t-tn)+a2(t-tn)2

(10)

式中，a0、a1、a2分別為各項的泰勒系數(shù)。

此時，將式(10)代入式(9)，則有：

(11)

式(11)為電能質(zhì)量信號數(shù)據(jù)最終采集分析公式。根據(jù)式(11)采集分析的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，將其信號數(shù)據(jù)代入相適應(yīng)的電壓、頻率、三相電壓、電壓波動、充電站供電時產(chǎn)生的諧波等5個方面中，即可進行電動汽車充電站電能質(zhì)量采集分析。此次采集分析電動汽車充電站電能質(zhì)量，從電能質(zhì)量采集分析標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則入手，采集分析電能質(zhì)量。

2 實驗結(jié)果與分析

選擇某區(qū)域的電動汽車充電站作為此次電動汽車充電站電能質(zhì)量采集分析方法驗證的實驗對象，設(shè)計實驗并分析實驗結(jié)果。將此次研究的電動汽車充電站電能質(zhì)量采集分析方法作為實驗A組，文獻[3]和文獻[4]方法作為實驗B組和實驗C組。

為了驗證所提方法的有效性，需要比較不同方法在不同擾動信號下的電能采集定位時間，具體的比較結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法在不同擾動時刻下的采集耗時結(jié)果

分析表2可知，所提方法的采集時間明顯低于其他2種方法，并且針對不同的擾動類型，所提方法的電能質(zhì)量采集效率明顯較高。

根據(jù)電動汽車充電站電能質(zhì)量采集分析方法的特點，在同一電流點分析電動汽車充電站電能質(zhì)量電流有效值，比較3種電動汽車充電站電能質(zhì)量采集分析方法與對照組存在的相對誤差。

實驗過程中，電流標(biāo)準(zhǔn)源輸出額定電壓為220 V，額定頻率為50 Hz，選取0.15 A、1.50 A、6.00 A三個電流點進行分析，其電流有效值分析結(jié)果，如表3所示。

表3 電流有效值分析結(jié)果

從表3中可以看出，此次研究的電動汽車充電站電能質(zhì)量采集分析方法，可準(zhǔn)確分析電動汽車充電站，電能質(zhì)量電流有效值，且分析結(jié)果更精準(zhǔn)。

3 總結(jié)

綜上所述，此次提出的電動汽車充電站電能質(zhì)量采集與分析方法具有有效性。但是此次的電動汽車充電站電能質(zhì)量采集與分析研究，未考慮電壓波動過程中產(chǎn)生的閃變值，采集分析電能質(zhì)量時，可能存在的電能信號干擾等問題。

因此在今后的研究中，需計算電壓波動的閃變值，分析充電站為電動汽車充電時，可能對電能質(zhì)量采集分析，存在的信號干擾，提高電動汽車充電站電能質(zhì)量采集分析的精度。