一種充電樁諧波治理裝置的應用

蔣鵬為 張寧愷 阮家鑫

(廣東電網有限責任公司佛山供電局)

0 引言

目前的配電網暫時沒有考慮到隨著大規模充電樁的應用, 產生的諧波如何影響電網的電能質量和安全穩定, 其對電力計量、通信系統也會產生一定的不良影響。

通過在居民實際生活場景里應用充電樁諧波治理裝置, 就是要未雨綢繆, 在電能質量問題大規模影響配電網絡前, 對相應治理的對策進行有效研究, 防微杜漸, 并在實際應用案例中發現新型諧波治理裝置的優點和不足, 確保新能源汽車在城市中的使用, 仍然保有綠色環保優勢, 并兼顧配電網的安全、高效。

目前充電樁主要有直流和交流兩種形式, 分別對應的是快充和慢充兩種充電形式。

直流快充樁一般功率較大, 常見的為100kW 左右, 一般建在專用的電動車充電場地內。比如高速公路的服務區、收費的商場內部停車場以及城市的電動公交車站場等。直流充電樁的外形一般較大, 相應的設計也比較規范。一般來說, 這種類型的充電樁自己可以處理諧波問題, 對充電時產生的諧波進行濾波消除, 對電網不會產生較大的危害。

而交流充電樁一般為單相供電, 從配電網上接出一零一火即可, 功率僅為7kW, 俗稱慢充。這種類型充電樁的原理是采用車載充電機進行整流, 進而給電池模塊充電, 因為交流充電樁外形不大, 一般可以掛在墻壁上, 所以一般居民小區的停車場內采用的都是交流充電樁。

1 問題核實

為驗證城鎮住宅小區內充電樁諧波的問題, 選取廣東某區供電局下轄配電網進行研究驗證。根據配電系統提供的數據和用電客戶反饋, 我們將取樣重點放在了某光小區A 和某城小區B, 因為跟進反饋, 上訴兩個小區在夜晚用電低谷期間, 也會發生配電開關跳閘事件, 在排除其他設備和運行因素以后, 我們重點排查小區內充電樁諧波因素的影響。

根據國家標準, 用戶接火點處注入配網的諧波, 其電流分量允許值不能大于表1 中所標準值。

表1

表2

表3

當接火點的最小短路容量異于標準短路容量時,以上表中, 諧波電流的允許值可以照下面的公式進行換算。

考核點的最小短路容量Sk1異于假定標準最小短路容量Sk2時, 我們應按照相應國標的附錄進行換算,具體的換算公式如下:

根據系統導出的數據, A 小區內報裝的充電樁為11 戶, 總報裝容量為125kW, B 小區內報裝的充電樁為15 戶, 總報裝容量為185kW。根據智能電表反饋的數據, 83%左右的充電樁充電時間為晚上8 點至第二天的凌晨3 點左右。

我們采用的測試設備為日置(HIOKI) 牌, 型號為3198 的電能質量分析儀, 進行測試地點為交流充電樁接入的上級電源點, 即小區內的公用配電站內,采集相應時段低壓母線A、B、C 相線上的電流值,經過分析, 得到以下表格。結果顯示, A、B 小區電流諧波的測試結果如下:

根據上面的表格我們發現, 在被測的A、B 小區中, 諧波電流主要存在于3、5 次中, 其中5 次諧波的電流量最大, 已經超過5.75A 的標準電流限值。B小區的測試結果也較為類似, 排除了不同設備之間的影響。

經過實地驗證, 我們發現現在, 充電樁諧波問題已經是真實存在, 確實存在隱患, 需要進行必要的治理, 為此, 我們提出一種改良方案, 即研發一種充電樁諧波治理裝置。

2 裝置設計

我們研發的直流裝置分為兩種類型, 一種為治理慢充交流充電樁的, 另外一種為直流三相快充交流充電樁的, 均已獲得國家發明專利, 分別適用于不同類型的充電樁。

治理慢充交流充電樁的諧波治理裝置的硬件線路圖如下: D1 為電源側方向, 是公用臺區出來的相線和零線, 非線性負載模塊代表負荷, 對應現場正在工作的交流充電樁, 其在整個充電過程中, 并不是恒定負載, 會不定時的釋放諧波電流。為了簡化, 我們將其表示成一個非線性負載。

虛線框內畫的就是我們設計裝置的核心原理,諧波治理裝置的組成電路原理圖, 裝置的一端和相線相連, 裝置的另外一端是和零線相連的。整個裝置在電路上與非線性負荷一起, 是構成了一個并聯的電路。

裝置的內部還有三條并行的線路, 每一條線路, 分別由L, C 和R 元件, 構成一個基本的諧振電路。每條諧振支路都可以自由開關, 并在控制器的統一管控下, 單獨開啟或者關閉。整個裝置在有了控制器后, 可以運行比較智能, 因為控制器是可以編寫控制程序, 靈活地進行支路開關。在運行過程中, 控制器可以根據非線性負載的工況實時開閉后端的諧振電路。在實際運行中, 如果自身的L、C或R 元件發生故障, 整條諧振支路會在控制器的幫助下, 快速檢測到故障, 并進行關閉切除, 避免發生短路故障。

圖1 單相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

在控制器中, 我們設計的軟件控制流程, 其控制邏輯與判斷流程如下:

諧波治理裝置在接入配電網以后, 上端接的是單相電源的火線, 下端為零線。治理裝置的控制器通過近場通訊, 與裝置后端的智能電表取得聯系。電表的CT 檢測到電流后, 即表明負載已經開始工作, 我們的治理裝置也開啟工作, 并開始檢測后端是否存在諧波。

控制開始工作后, 會檢測諧波量的多少, 對應不同量的非線性負載諧波, 控制器會對應開啟不同大小的內部的部分濾波元件, 并開始濾波工作, 當濾波器檢測到還有更高頻次、更大量的諧波通過零線時, 諧波控制器會開啟更多的濾波器件, 降低諧波含量。

3 安裝使用

為了驗證充電樁諧波治理裝置的實際使用效果,我們來到了之前某光小區A 和某城小區B。根據后臺系統提供的數據和用電客戶熱線反饋, 這兩個小區曾經在夜晚9 -12 點左右發生配電開關跳閘事件, 并導致小區一片停電, 居民意見比較大。

我們翻查事件記錄系統后發現, 在有跳閘事件的當天, 小區內的負荷和其他小區一樣較為正常, 并未出現過負荷的現象。

接著我們又檢查配電設備, 排除是了因為設備本身的質量問題導致跳閘。

繼續全面排查。從系統后臺我們導出了全部用戶的數據, 發現在某光小區A 里面, 除了一般的居民用電、消防及電梯用電外, 在近期還新增了一部分充電樁專用電表。

這些電表中有些為單相電表, 報裝容量7kW;而有些則為三相交流快充電表, 使用的是含CT 模塊的三相電表, 報裝容量為15kW。統計后, 我們發現在A 小區里, 發生開關跳閘事件的臺區下, 一共有11 戶報裝了充電樁專用電表, 總的報裝容量為125kW, 或許這些新增的非線性負荷, 就是造成設備跳閘的主要原因。

因為充電樁專用電表可以享受峰谷電價, 所以大多數充電樁的用戶都是在電壓低谷, 也就是晚上10點以后開始, 給新能源車充電。這個充電高峰, 與跳閘故障存在時間上的關聯。于是我們重點懷疑是這些充電樁負荷, 由于用戶使用的同期率較高, 他們會在差不多同一時間開啟非線性負荷的充電工作, 然后導致了諧波電流耦合振蕩。

這些振蕩諧波經過了配電網的零線, 從而引發開關設備的中性線電流保護跳閘, 經過實地驗證和測量, 我們的猜想的到了證實, 其中非線性負荷中, 5 次諧波的含量最大, 也是我們重點治理的方向。

在B 小區中, 經過分析系統中導出的數據, 我們發現總共有15 戶報裝了充電樁專用電表, 全部報裝容量為185kW, 這里的情況和A 小區類似, 其在配網零線中也存在同樣的情況, 對過這樣的對比, 就消除了不同品牌設備對測量結果的影響。

經過實地勘察, A 小區內11 戶充電樁一共有10戶用戶的電表表前符合, 可以有空位置安裝我們的諧波治理裝置, 而在B 小區一共有13 戶電表表前有足夠空間, 滿足安裝諧波治理裝置的條件。

在設備安裝以后, 我們也對諧波治理裝置的安裝效果進行了復查?？梢园l現治理裝置在后段非線性負荷不工作時, 其電阻大于2500MΩ, 負荷規范; 充電負荷正常工作以后, 后段非線性負荷開啟, 諧波裝置也開始正常工作, 工作功耗僅為50w, 并未產生多余的功耗, 達到了設計要求。

4 效果比較

(1) 技術效益比對

為觀測效果, 我們進行了諧波復測。得到以下表格:

對比安裝前后的數據, 可以明顯的看出, 我們自研的諧波治理裝置, 在抑制充電樁產生的諧波上, 有比較明顯的效果。

(2) 經濟效益比對

諧波治理裝置全部零件如果量產, 可以降到每部裝置1000 元左右。一個臺區如果有30 個充電樁, 安裝成本僅3 萬元左右; 安裝諧波治理裝置后的配網臺區, 可以大大降低由諧波注入導致的開關設備損壞和低壓配電零線纜的故障, 這兩項設備如果損壞, 保守估計修復成本都是20 萬以上。

項目可產生十分明顯的經濟效益, 具體為:

項目經濟效益=項目節省成本-項目發生成本=20 -3 =17 萬元

(3) 社會效益比對

一般來說, 城鎮小區用戶群體對停電事件異常敏感, 導致每次跳閘復電的時間都在1 小時左右, 十分影響用戶感受。且每月基本都會發生3 起上下, 造成的社會影響較為不良。該項發明裝置, 在為保障縣區供電局優質服務的同時, 也助力打造的國內供電可靠性一流供電企業做出先鋒模范作用。

5 結束語

本文通過在兩個小區應用自研的充電樁諧波治理裝置, 成功在試點小區內的對充電樁引起的配網諧波進行了有效治理, 具有十分良好的技術、經濟應用前景。