低压住宅网络中的电动汽车充电和电能质量 - 从个人充电器到车队渗透
| 充电器类型建模 | 等级 2 车载充电器 — 7.2 千瓦, 单相, 家庭安装 |
| 方法论 | 来自测量谐波频谱的概率模型 - 高斯混合模型 - 根据实际充电器测量进行验证 |
| 模拟工具 | OpenDSS — 10 分钟分辨率的时间序列谐波功率流 |
| 不确定性建模 | 蒙特卡罗模拟——可变的启动充电时间, 连接充电状态, 电动汽车在馈线上的位置 |
| 主谐波 | 3rd 谐波 - 在整个充电周期中最强烈，无论渗透水平如何 |
| 主要发现 | 电压不平衡和网络充电率均随着电动汽车普及率的提高而增加——三次谐波是主要驱动因素 |
| 超谐波问题 | |
| 临界阈值 | 高渗透率下不受控制的同时住宅充电可能会使 VUF 超出 2% IN 50160 支线末端总线限制 |
01 背景——问题的规模
道路运输电气化现已成为大多数经合组织国家的政策承诺, 目标范围为 30% 至 100% 2030-2040 年欧洲电动汽车市场份额, 北美, 和亚太地区. 这种转变对 PQ 的影响——就谐波而言, 电压不平衡, 和住宅低压配电网络的高次谐波发射——已被广泛地单独研究, 但馈线级别的组合图片, 考虑充电行为的随机性, 更难量化.
“ 2021 托雷斯等人的研究. 应用能源领域直接解决了这一差距. 从实际电平的测量谐波频谱开始 2 车载充电器, 他们建立了一个概率模型，捕获充电器在整个充电周期中的非线性行为（从高充电状态下的初始连接到完成），然后在 OpenDSS 住宅低压馈线的蒙特卡洛模拟中部署该模型，以评估多种电动汽车普及场景下的 PQ 影响.
等级 1 收费 (1.4–1.9千瓦, 标准家用插座) 产生适度的谐波电流，很容易被配电网吸收. 等级 2 充电于 7.2 kW — 大约是功率的 4-5 倍 — 产生比例更大的谐波电流，可使中性导体饱和, 对馈线造成严重的三次谐波电压畸变, 当三相分布不均匀时，会导致电压不平衡. 作为级别 2 家庭充电成为停放过夜的电动汽车车主的默认选择, 从 Level 的过渡 1 达到水平 2 因为主要的住宅充电模式代表了 PQ 对低压配电网络影响的阶跃变化.
02 水平 2 充电器作为非线性负载
A级 2 电动汽车充电器是一种电力电子转换器，特别是具有功率因数校正功能的单相 AC/DC 整流器 (PFC) 电路——以受控方式从电网汲取电流, 非正弦模式. 电动汽车充电器的谐波电流曲线不是恒定的: 随着电池电压的升高，它在整个充电周期中发生变化，并且充电器的控制算法会调整电流消耗以管理充电状态转换.
概率谐波谱
托雷斯等人. 表征真实能级的谐波频谱 2 使用实验室测量来了解充电器的整个充电周期. 主要发现是谐波谱表现出不规则, 概率行为 - 它们不是可以用谐波阶次和幅度的单个表表示的确定性值. 电池的充电状态, 连接时刻的电网电压波形形状, 以及充电器内部控制状态都会影响谐波频谱. 这就是为什么简化, 电动汽车充电器的确定性谐波模型（仍在规划工具中广泛使用）系统性地低估了馈线层面的实际 PQ 影响.
该研究使用高斯混合模型来表示这种概率行为 (高斯模型) 拟合测量的频谱——捕获平均谐波含量及其跨连接状态的变化. 然后将 GMM 模型嵌入到蒙特卡罗模拟框架中，将谐波不确定性传播到馈线级 PQ 评估.
更广泛的电动汽车充电器文献中发现的一个微妙之处是，电动汽车充电器的谐波发射并不独立于其所连接的电网电压. 当低压馈线已经包含三次谐波电压畸变时—— “扁平正弦曲线” 这是具有多个开关模式电源的住宅电网的典型特征 - 这种失真电压会改变充电器的工作点，并且与在干净的正弦电源上测量的结果相比，可以将某些谐波分量修改 30-300%. 这种双向耦合意味着随着电动汽车渗透率的增加和三次谐波失真的恶化, 充电器发射本身发生变化——标准谐波叠加模型中未捕获的正反馈回路.
03 三次谐波主导——中性导体问题
Torres 等人检查的所有渗透水平和所有充电循环状态. 学习, 三次谐波 (150 赫兹和 50 Hz系统) 始终是电动汽车充电器电流中最强烈的谐波分量. 这并不是电动汽车充电器所特有的——它是所有单相开关模式电源的特征, 包括笔记本电脑充电器, LED驱动器, 以及所有现代消费电子产品中使用的开关电源. 电动汽车充电器只需将更大幅度的三次谐波电流添加到已经由这些较小负载的三重谐波主导的网络中.
为什么三重谐波特别危险
在平衡三相四线系统中, 正序和负序谐波电流 (5日, 7日, 11日, 13日…) 中性线抵消——中性线携带接近零的电流. 三倍谐波 (3路, 9日, 15日…) 是零序的 - 它们在所有三相导线上同相，因此在中性线上进行算术相加. 完美平衡的三相系统，配有三个单相电动汽车充电器——每相一个, 相同的充电器, 相同的充电状态 - 产生零正序中性电流，但 3 次谐波处的中性电流等于 3 次谐波相电流的三倍.
实际结果是，住宅低压网络中的配电变压器和中性导体的大小适合所连接负载的基本电流需求, 具有正常不平衡的热裕度. 高密度单相电动汽车充电的引入会因三次谐波而产生系统性中性过载，这完全超出了现有低压基础设施的设计假设.
04 渗透水平——馈线端效应
Torres 等人的蒙特卡罗模拟结果. 在所有渗透场景中展示一致的空间模式: 电动汽车充电对馈线起始电压质量的影响可以忽略不计 (配电变压器附近) 但可以将电压不平衡推至超出 2% IN 50160 即使在中等渗透水平下，支线末端总线也受到限制. 这是规模上的阻抗参数——距离变压器越远, 馈线阻抗越高, 给定的谐波电流转化为电压畸变的程度越大.
| 电动汽车普及率 | 供料器启动时的效果 | 馈线端效应 | 3谐波电压 | 血管破裂风险 |
|---|---|---|---|---|
| 低的 (<10%) | 微不足道 | VUF 略有增加 | 在限制范围内 | 低的 |
| 中等的 (10–30%) | 微不足道 | 可检测到的 VUF 增加 | 接近极限 | 缓和 |
| 高的 (>30%) — 不受控制 | 轻微变形 | VUF 可能超过 2% | 可能超出限制 | 高的 |
| 高的 (>30%) — 智能充电 | 微不足道 | VUF 控制 | 在限制范围内 | 低的 |
高渗透率, 不受控制的充电场景——电动汽车车主到家后立即插入电源并以最大速率充电——代表了最坏的 PQ 状况，也是, 在没有分时定价或智能充电要求的情况下, 电动汽车用户的自然行为. 在 30%+ 住宅馈线的渗透, 夜间同时充电会产生比现有住宅高峰负荷更大的高峰需求事件, 与现有峰值恰好同时发生, 并引入三次谐波含量，馈线阻抗转化为馈线端的电压畸变. 这并不是未来电网规划的理论上的风险——这种情况已经在挪威的高电动汽车密度住宅区发生, 荷兰, 和加利福尼亚州.
05 超谐波——隐藏的电动汽车充电器排放
超出经典谐波范围 (最多 2 千赫), EV 充电器的高频 PWM 开关级会产生 2–150 kHz 范围内的高次谐波发射. 这些发射与 IEC 解决的经典谐波不同 61000-3-2 目前不受配电网络环境中特定排放限制的约束.
电动汽车充电器超谐波发射与电网之间的相互作用产生了两个具体问题:
- PLC通讯干扰 — 智能计量, 需求响应, 电动汽车充电管理系统通常使用 9-95 kHz 范围内的电力线载波频率 (CENELEC 频段). 电动汽车充电器开关频率可以直接落入这些频段, 扰乱用于管理电动汽车充电本身的通信信号——循环干扰问题
- 与其他设备互调 — 当开关频率略有不同的多个电动汽车充电器连接到同一馈线时, 互调产物出现在和频和差频处 — 如 CS06 超谐波案例研究所示. 这些额外的频率分量可能会干扰不适合该频率范围的设备
- 谐波发射的电网电压反馈 — 住宅馈线上现有的三次谐波电压畸变 (来自开关模式电源) 修改电动汽车充电器的工作点, 与清洁电源的实验室测量结果相比，其谐波发射变化高达 30-300%. 这意味着高密度电动汽车安装的现场测量将与单个充电器的型式测试测量有很大不同
在馈线层面缓解与电动汽车相关的电能质量问题的最有效方法是智能充电——协调充电开始时间, 费率, 以及跨多个电动汽车的相位分配，以避免同时出现峰值需求和不均匀的相位负载. 优化的智能充电可以消除馈线端的 VUF 超标，否则在相同渗透水平的不受控充电下会发生 VUF 超标, 无需在单个充电器或馈线级别进行任何硬件缓解. 相平衡分配——将新的单相充电器连接分配给空闲容量最多的相——是最简单的智能充电形式，具有最高的效益成本比.
06 电能质量视角
电动汽车充电 PQ 问题具有区别于历史 PQ 问题的特定特征: 这既是一个规划问题，也是一个工程问题. 电弧炉和 VFD 由工业客户安装，他们在连接过程中与公用事业公司合作 — 有一个确定的点，在该点进行 PQ 评估并协商缓解措施. 住宅电动汽车充电器由房主安装，连接到任何可用的插座, 不通知配电网络运营商, 如果推出激励计划，利率可能会在一夜之间翻倍.
三次谐波主导发现对于评估现有基础设施的配电工程师来说立即有用. 老式住宅低压网络（尤其是 20 世纪 60 年代和 1970 年代建造的网络）中的中性导体的尺寸是根据传统单相住宅负载预期的不平衡电流来确定的, 不适用于电动汽车充电器的三重谐波电流. 热足够的中性导体 20% 馈线端母线上 15-20% EV 渗透率的三重谐波中性电流可能会导致住宅负载不平衡严重过载.
公用事业公司对电动汽车充电 PQ 的实际反应主要不是技术缓解——而是数据收集. 对于任何配电网络来说，关键的未知因素是每个低压馈线的实时电动汽车实际渗透率, 以及这些充电器的相位分布. 如果公用事业公司知道哪些客户在哪些馈线上拥有电动汽车充电器，以及每个充电器连接在哪个相上，那么它就拥有在投诉出现之前识别馈线端 VUF 风险所需的信息. 没有这个数据, 公用事业公司正在盲目飞行. 智能电表数据, 结合托雷斯等人展示的概率建模方法。, 为电动汽车时代主动低压馈线 PQ 管理提供分析基础.
参考文献
- 托雷斯小号, 杜兰一世, 马鲁兰达A, 帕瓦斯A, 基罗斯-托尔托斯 J. “电动汽车和低压网络中的电能质量: 真实的数据分析和建模。” 应用能源, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718
- 伊克巴尔·明尼苏达等人. “插入式电动汽车充电器的谐波和超谐波发射。” 智慧城市, 飞行. 5, 不. 2, PP. 496–524, 2022. DOI: 10.3390/智慧城市5020027 — 开放获取 CC BY 4.0.
- 乌尔-哈克 A 等人. “电动汽车充电对城市配电网电压不平衡的影响。” 智能工业系统, 飞行. 1, PP. 51–60, 2015.
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共电网供电的电压特性. CENELEC的, 布鲁塞尔.
- 符合IEC 61000-3-2:2018. 电磁兼容性 - 部分 3-2: 谐波电流发射限值. 符合IEC, 日内瓦.
- 符合IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. 电磁兼容性 - 公共低压供电系统中低频传导骚扰的兼容性级别. 符合IEC, 日内瓦.
主要来源: 托雷斯小号, 杜兰一世, 马鲁兰达A, 帕瓦斯A, 基罗斯-托尔托斯 J. “电动汽车和低压网络中的电能质量: 真实的数据分析和建模。” 应用能源, 2021. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117718. 配套参考: 伊克巴尔 MN 等人。, “插入式电动汽车充电器的谐波和次谐波发射,” 智慧城市, 2022, 抄送 4.0.
本案例研究以总结和评论的形式呈现，用于教育目的. SVG 图和 PQ 透视部分 (部分 6) 是 Denis Ruest 的原创 IPQDF 编辑内容, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.