电动汽车充电谐波电流对配电网损耗影响的研究

刘献良

(苏州南洋电缆有限公司，江苏 张家港 215638)

0 引 言

随着电动汽车产业的发展和用户需求的增加，我国电动汽车充电桩的安装越来越多[1-3]。然而，由于充电桩内含典型的电力电子装置，其在工作中将产生大量的谐波电流，而谐波电流将引起配电网电能质量的下降，增加配电网的损耗[4-7]。而控制电能质量并降低配电网损耗是当前配电网在面临充电桩接入时面临的重要问题[8-11]。因此，研究电动汽车充电谐波电流影响配电网损耗的机制与原因，具有至关重要的科学意义与应用价值。

充电桩的接入往往会向配电网中引入大量谐波电流，谐波电流的增加势必会增加配电网的各项损耗，其中最为显著的便是输电线路损耗和配电变压器损耗。然而，上述损耗与充电桩谐波电流及充电桩负荷、台数的关系并不十分明晰，亦缺乏相关的深入研究工作。鉴于此，本文从输电线路与变压器两个维度，分析了电动汽车充电谐波电流与配电网损耗的影响，并获得了相关的影响机制。

1 配电网的典型结构与配置

图1所示为典型的住宅区配电网的电气结构图。该配网存在10 kV与0.38 kV两个电压等级，采用了典型的双电源环网拓扑结构，以保证小区供电的可靠性。图1中：T为配电变压器，共有5台，其原副边电压等级为10 kV/0.38 kV。负荷1～6为小区内的基础负荷，具体负荷情况见表1。电源母线与配电变压器之间、配电变压器与负荷之间均采用电缆连接，为10 kV或0.38 kV电压等级。QF01与QF02为二台联络断路器，用以实现配电网的环网供电方式。

图1 典型住宅区配电网拓扑结构图

表1 小区负荷情况

2 总谐波电流对输电线路损耗的影响

2.1 理论基础

设电流总谐波畸变率THD为:

(1)

式中：I1为基波电流；In为第n次谐波电流有效值；THD为电流总谐波畸变率。假设输电线路阻抗的对线路损耗的影响较小，只考虑等值电阻的影响。当不存在谐波时，单相线路损耗为：

(2)

式中：PW为单相线路损耗；I1为基波电流；R为等值电阻。

当引入谐波后，单相损耗则为：

(3)

式中：PWh为引入谐波后的单相线路损耗；I1为基波电流；In为第n次谐波电流有效值；R为等值电阻;THD为电流总谐波畸变率；p为谐波次数。

由上述两式可得谐波引入带来的额外损耗Ph为

(4)

式中：Ph为谐波带来的额外损耗；PWh为引入谐波后的单相线路损耗；I1为基波电流；THD为电流总谐波畸变率。

由上式可知：输电线路的谐波损耗与线路的等值电阻、基波电流以及总谐波含量均有密切关系；当输电材料不变(等值电阻不变)时，输电线路的谐波损耗只与基波电流和总谐波含量有关，且呈现平方关系。此外，当基波电流(所需负荷电流)一定时，谐波含量越大，则总谐波含量越大，此时谐波电流损耗越大。

2.2 影响分析

为了进一步揭示电动汽车充电谐波电流对输电损耗的影响，以负荷点1为例，研究了私家电动汽车在各个渗透率水平下的充电谐波电流损耗情况。渗透率设定为典型的55%、35%与15%，时间段选为14∶00—22∶00这一典型时段，得到了如图2所示的充电特性图。

由图2可得各渗透率下的动态谐波特性，如图3所示。由图3可知：当渗透率较高(充电的电动汽车较多)时，谐波电流含量较小；渗透率保持不变时，谐波含量随着充电功率增加而下降，但下降的过程有一个转折点，当充电功率达到较大值后，谐波含量不再出现大的改变。由此可见，若谐波含量增大，则输电线路谐波电流损耗也会随之增大。

图2 私家电动汽车不同渗透率下的充电功率

图3 各渗透率下的时序电流畸变率

为了进一步分析谐波损耗与电动汽车接入的关系，采用损耗比进行分析计算。损耗比为谐波电流损耗与总的电流损耗的比值，如式(5)所示。

(5)

式中：α为损耗比；R为等值电阻；I为总电流；I1为基波电流；THD为电流总谐波畸变率。

由此可见，谐波损耗随着谐波含量的增加而增加，根据上述关系，绘制了在各个渗透率水平下的损耗比变化曲线，如图4所示。由图4可知，在渗透率保持恒定不变的前提条件下，充电负荷越多，损耗越小，出现上述情况的原因可能是参与充电的私家电动汽车的增多致使部分谐波电流之间相互作用而抵消掉了一部分谐波电流，因而谐波损耗变小。

图4 损耗比曲线

3 谐波电流对变压器损耗的影响

3.1 理论基础

图5 变压器等效电路图

变压器的损耗主要包括铜耗(短路损耗)和铁耗(空载损耗)，其中空载损耗与励磁回路有关，通常包含涡流损耗和磁滞损耗。通常情况下，铁耗远小于铜耗。因此，本文在分析谐波电流对变压器损耗的影响时，忽略了铁耗，而只考虑谐波引起的铜耗，此时对应的变压器等效电路如图5(b)所示，它是图5(a)所示的变压器τ型等效电路图的简化图[12]。

当n次谐波作用于变压器时，根据电阻、电抗与频率的关系，等效电阻与等效电抗分别为：

(6)

Xn=nX1

(7)

式中：Rn、Xn分别为n次谐波等效电阻与等效电抗；R1、X1分别为基波电阻与基波电抗。根据电路理论，可得n次谐波作用下的变压器等效阻抗：

(8)

式中：R1、X1分别为基波电阻与基波电抗；n为谐波次数；Zn为n次谐波作用下的变压器等效阻抗。

则变压器(均设定为三相)的有功功率损耗为：

(9)

式中：R1为基波电阻；n为谐波次数；In为n次谐波电流。

扣除基波有功损耗外，得到谐波引入带来的有功损耗为：

(10)

式中：R1为基波电阻；n为谐波次数；In为n次谐波电流；RIn为第n次谐波含量。

3.2 影响分析

由式(10)可知：谐波电流含量的大小直接关系到变压器的附加损耗，谐波含量较小则附加损耗较小。由于不同类型充电桩的结构原理与充电特性并不相同，因此在分析电动汽车充电谐波电流对变压器损耗的影响时，需充分考虑充电桩的类型。若充电桩为脉冲宽度调制控制型，则此时各次谐波电流较小，从而造成的谐波电流损耗较小；若充电桩是不控整流型的充电桩，由于其产生大量的谐波电流，则会引起较大的谐波损耗。

图6为计算得到的谐波电流含量与接入的充电桩台数间的关系图。由图6可知，随着充电桩接入台数的增加，谐波含量有所下降；当充电桩台数一定时，低次奇次谐波电流占有更多含量，其中以5次谐波为甚，而高次谐波相对较少。因此，实际运维工作中需要注意降低低频次的谐波，这样有利于减少电动汽车接入对增加变压器损耗的影响。

图6 谐波电流含量与充电桩台数的关联规律

4 结束语

本文研究了电动汽车的充电谐波电流对配电网损耗的影响规律，从谐波电流对输电线路损耗及配电变压器损耗两个维度进行了分析。结果表明：谐波含量越大，谐波电流损耗越大，但随着充电负荷的增加，输电线路损耗减小；充电桩接入数量的增加可使谐波含量有所下降，进而减小变压器损耗，从而提高电能利用效率。研究结果可为小区配电网内电动汽车充电桩的建设与运维提供理论指导与参考依据，具有重要的工程意义与实用价值。