一种充电桩谐波治理装置的应用

2023-11-30蒋鹏为张宁恺阮家鑫

电气技术与经济 2023年8期

蒋鹏为张宁恺阮家鑫

(广东电网有限责任公司佛山供电局)

0 引言

目前的配电网暂时没有考虑到随着大规模充电桩的应用, 产生的谐波如何影响电网的电能质量和安全稳定, 其对电力计量、通信系统也会产生一定的不良影响。

通过在居民实际生活场景里应用充电桩谐波治理装置, 就是要未雨绸缪, 在电能质量问题大规模影响配电网络前, 对相应治理的对策进行有效研究, 防微杜渐, 并在实际应用案例中发现新型谐波治理装置的优点和不足, 确保新能源汽车在城市中的使用, 仍然保有绿色环保优势, 并兼顾配电网的安全、高效。

目前充电桩主要有直流和交流两种形式, 分别对应的是快充和慢充两种充电形式。

直流快充桩一般功率较大, 常见的为100kW 左右, 一般建在专用的电动车充电场地内。比如高速公路的服务区、收费的商场内部停车场以及城市的电动公交车站场等。直流充电桩的外形一般较大, 相应的设计也比较规范。一般来说, 这种类型的充电桩自己可以处理谐波问题, 对充电时产生的谐波进行滤波消除, 对电网不会产生较大的危害。

而交流充电桩一般为单相供电, 从配电网上接出一零一火即可, 功率仅为7kW, 俗称慢充。这种类型充电桩的原理是采用车载充电机进行整流, 进而给电池模块充电, 因为交流充电桩外形不大, 一般可以挂在墙壁上, 所以一般居民小区的停车场内采用的都是交流充电桩。

1 问题核实

为验证城镇住宅小区内充电桩谐波的问题, 选取广东某区供电局下辖配电网进行研究验证。根据配电系统提供的数据和用电客户反馈, 我们将取样重点放在了某光小区A 和某城小区B, 因为跟进反馈, 上诉两个小区在夜晚用电低谷期间, 也会发生配电开关跳闸事件, 在排除其他设备和运行因素以后, 我们重点排查小区内充电桩谐波因素的影响。

根据国家标准, 用户接火点处注入配网的谐波, 其电流分量允许值不能大于表1 中所标准值。

表1

表2

表3

当接火点的最小短路容量异于标准短路容量时,以上表中, 谐波电流的允许值可以照下面的公式进行换算。

考核点的最小短路容量Sk1异于假定标准最小短路容量Sk2时, 我们应按照相应国标的附录进行换算,具体的换算公式如下:

根据系统导出的数据, A 小区内报装的充电桩为11 户, 总报装容量为125kW, B 小区内报装的充电桩为15 户, 总报装容量为185kW。根据智能电表反馈的数据, 83%左右的充电桩充电时间为晚上8 点至第二天的凌晨3 点左右。

我们采用的测试设备为日置(HIOKI) 牌, 型号为3198 的电能质量分析仪, 进行测试地点为交流充电桩接入的上级电源点, 即小区内的公用配电站内,采集相应时段低压母线A、B、C 相线上的电流值,经过分析, 得到以下表格。结果显示, A、B 小区电流谐波的测试结果如下:

根据上面的表格我们发现, 在被测的A、B 小区中, 谐波电流主要存在于3、5 次中, 其中5 次谐波的电流量最大, 已经超过5.75A 的标准电流限值。B小区的测试结果也较为类似, 排除了不同设备之间的影响。

经过实地验证, 我们发现现在, 充电桩谐波问题已经是真实存在, 确实存在隐患, 需要进行必要的治理, 为此, 我们提出一种改良方案, 即研发一种充电桩谐波治理装置。

2 装置设计

我们研发的直流装置分为两种类型, 一种为治理慢充交流充电桩的, 另外一种为直流三相快充交流充电桩的, 均已获得国家发明专利, 分别适用于不同类型的充电桩。

治理慢充交流充电桩的谐波治理装置的硬件线路图如下: D1 为电源侧方向, 是公用台区出来的相线和零线, 非线性负载模块代表负荷, 对应现场正在工作的交流充电桩, 其在整个充电过程中, 并不是恒定负载, 会不定时的释放谐波电流。为了简化, 我们将其表示成一个非线性负载。

虚线框内画的就是我们设计装置的核心原理,谐波治理装置的组成电路原理图, 装置的一端和相线相连, 装置的另外一端是和零线相连的。整个装置在电路上与非线性负荷一起, 是构成了一个并联的电路。

装置的内部还有三条并行的线路, 每一条线路, 分别由L, C 和R 元件, 构成一个基本的谐振电路。每条谐振支路都可以自由开关, 并在控制器的统一管控下, 单独开启或者关闭。整个装置在有了控制器后, 可以运行比较智能, 因为控制器是可以编写控制程序, 灵活地进行支路开关。在运行过程中, 控制器可以根据非线性负载的工况实时开闭后端的谐振电路。在实际运行中, 如果自身的L、C或R 元件发生故障, 整条谐振支路会在控制器的帮助下, 快速检测到故障, 并进行关闭切除, 避免发生短路故障。

图1 单相交流充电桩谐波治理装置电路图

在控制器中, 我们设计的软件控制流程, 其控制逻辑与判断流程如下:

谐波治理装置在接入配电网以后, 上端接的是单相电源的火线, 下端为零线。治理装置的控制器通过近场通讯, 与装置后端的智能电表取得联系。电表的CT 检测到电流后, 即表明负载已经开始工作, 我们的治理装置也开启工作, 并开始检测后端是否存在谐波。

控制开始工作后, 会检测谐波量的多少, 对应不同量的非线性负载谐波, 控制器会对应开启不同大小的内部的部分滤波元件, 并开始滤波工作, 当滤波器检测到还有更高频次、更大量的谐波通过零线时, 谐波控制器会开启更多的滤波器件, 降低谐波含量。

3 安装使用

为了验证充电桩谐波治理装置的实际使用效果,我们来到了之前某光小区A 和某城小区B。根据后台系统提供的数据和用电客户热线反馈, 这两个小区曾经在夜晚9 -12 点左右发生配电开关跳闸事件, 并导致小区一片停电, 居民意见比较大。

我们翻查事件记录系统后发现, 在有跳闸事件的当天, 小区内的负荷和其他小区一样较为正常, 并未出现过负荷的现象。

接着我们又检查配电设备, 排除是了因为设备本身的质量问题导致跳闸。

继续全面排查。从系统后台我们导出了全部用户的数据, 发现在某光小区A 里面, 除了一般的居民用电、消防及电梯用电外, 在近期还新增了一部分充电桩专用电表。

这些电表中有些为单相电表, 报装容量7kW;而有些则为三相交流快充电表, 使用的是含CT 模块的三相电表, 报装容量为15kW。统计后, 我们发现在A 小区里, 发生开关跳闸事件的台区下, 一共有11 户报装了充电桩专用电表, 总的报装容量为125kW, 或许这些新增的非线性负荷, 就是造成设备跳闸的主要原因。

因为充电桩专用电表可以享受峰谷电价, 所以大多数充电桩的用户都是在电压低谷, 也就是晚上10点以后开始, 给新能源车充电。这个充电高峰, 与跳闸故障存在时间上的关联。于是我们重点怀疑是这些充电桩负荷, 由于用户使用的同期率较高, 他们会在差不多同一时间开启非线性负荷的充电工作, 然后导致了谐波电流耦合振荡。

这些振荡谐波经过了配电网的零线, 从而引发开关设备的中性线电流保护跳闸, 经过实地验证和测量, 我们的猜想的到了证实, 其中非线性负荷中, 5 次谐波的含量最大, 也是我们重点治理的方向。

在B 小区中, 经过分析系统中导出的数据, 我们发现总共有15 户报装了充电桩专用电表, 全部报装容量为185kW, 这里的情况和A 小区类似, 其在配网零线中也存在同样的情况, 对过这样的对比, 就消除了不同品牌设备对测量结果的影响。

经过实地勘察, A 小区内11 户充电桩一共有10户用户的电表表前符合, 可以有空位置安装我们的谐波治理装置, 而在B 小区一共有13 户电表表前有足够空间, 满足安装谐波治理装置的条件。

在设备安装以后, 我们也对谐波治理装置的安装效果进行了复查。可以发现治理装置在后段非线性负荷不工作时, 其电阻大于2500MΩ, 负荷规范; 充电负荷正常工作以后, 后段非线性负荷开启, 谐波装置也开始正常工作, 工作功耗仅为50w, 并未产生多余的功耗, 达到了设计要求。