构建绿色充电环境,充电站电能质量监测与治理方案解析

安科瑞徐赟杰18706165067

随着电动汽车保有量呈井喷式增长，充电站作为其能源补给的关键节点，其运行稳定性与电能质量愈发关键。然而，充电站内部大量非线性充电设备接入电网，不可避免地引发了一系列电能质量问题，如谐波污染、无功功率损耗、三相不平衡等。这些问题不仅威胁到充电站自身设备的安全与寿命，降低充电效率，还会对电网的稳定性与可靠性造成冲击，影响其他用户的正常用电。因此，亟需一套行之有效的电能质量监测与治理系统解决方案。

1. 谐波产生的原因

整流装置

大部分电动汽车充电桩都采用整流技术将交流电转换为直流电来为汽车电池充电。在整流过程中，常用的二极管整流桥或晶闸管整流电路属于非线性元件。以二极管整流桥为例，当交流电压输入时，二极管只有在正向电压超过其导通阈值时才会导通，这使得输入电流波形发生畸变。这种畸变导致电流不再是标准的正弦波，而是包含了大量谐波成分。

高频开关电源

许多充电站采用高频开关电源技术，这种电源通过快速地开关功率半导体器件来调整输出电压和电流。在开关过程中，由于这些器件的非线性特性，会产生高频的脉冲电流。这些脉冲电流的频谱包含了大量的高次谐波。

电动汽车电池特性

电动汽车电池在充电过程中有不同的充电阶段，包括恒流充电和恒压充电阶段。在恒流充电阶段，充电桩需要提供相对稳定的电流；在恒压充电阶段，需要根据电池电压的变化调整电流。这种动态的充电需求会导致充电电流的波动。特别是在充电模式切换时，电流的变化会产生暂态过程，从而引起谐波。

负载变化

充电站的负载情况是不断变化的。随着电动汽车的接入和离开，充电功率会发生动态变化。当有新的车辆接入充电时，充电系统需要快速响应并分配功率。这种功率的快速变化会引起电网电流的波动，进而产生谐波。

2.谐波对充电站的影响

对充电设备的影响

缩短设备寿命：谐波电流会使充电设备中的变压器、电抗器等感性元件产生额外的损耗。

干扰设备正常运行：谐波可能会干扰充电设备内部的电子控制电路。许多充电设备都采用了高精度的电子控制器来实现充电过程的控制。谐波电压和电流可能会使这些控制器产生误动作，影响充电设备的正常充电功能。

引起设备故障：过高的谐波含量可能会使充电设备的一些敏感元件损坏。

对电网的影响

降低电网功率因数：谐波电流的存在会使电网的功率因数降低。因为谐波电流在电网的感性和容性元件之间来回流动，导致电网的功率因数下降。这会使电网的输电效率降低，增加输电线路的损耗。

引起电网电压畸变：充电站产生的谐波电流注入电网后，会在电网的阻抗上产生谐波电压降。由于电网是一个相互连接的系统，这些谐波电压会叠加在基波电压上，导致电网电压发生畸变。电压畸变可能会影响同一电网中其他用户的电气设备正常运行。

干扰电网通信和保护系统：谐波可能会干扰电网中的通信信号和保护装置。在现代电网中，电力线通信（PLC）技术被广泛用于电网的监控和数据传输。谐波会在电力线上产生电磁干扰，影响通信信号的传输质量，导致通信数据出错或丢失。同时，电网中的继电保护装置也可能会受到谐波的干扰。

对电动汽车电池的影响

影响电池充电效率：谐波会使充电过程中的实际充电电流和电压波形发生畸变。当充电电流含有谐波成分时，电池内部的极化现象会加剧。极化会导致电池的内阻增加，使得充电过程中的能量损耗增加，从而降低电池的充电效率。

损害电池性能和寿命：长期在谐波环境下充电会对电池的性能和寿命产生不良影响。电池在高次谐波电流的反复作用下，其内部的化学结构可能会发生变化。

3.充电站电能质量监测和治理系统解决方案

3.1电能质量监测与治理系统

3.1.1平台拓扑

电能质量监测与治理系统系统平台主要由电能质量治理设备、物理网关、服务器及服务终端四部分组成，其中电能质量治理设备作为基础实现对数据采集与电能质量补偿等，物理网关实现设备与服务器间的数据传输以及对设备进行策略功能分配，数据经由服务器以服务终端为媒介为用户提供可视化展示。

3.1.2平台展示

电能质量监测与治理系统除作为本地终端为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS企业微电网能效管理平台，为用户提供远程在线服务。

①功能展示-可视化管理

项目站点信息

厂区概况

配电房信息

配电房设备补偿运行状态

语音报警

故障信息弹窗

②效果对比-治理分析

负载侧2-31次谐波柱状图

电网侧2-31次谐波柱状图

负载侧各相电压及电流畸变率

电网侧侧各相电压及电流畸变率

③状态展示-设备运行

设备补偿情况实时监测

设备运行状态

故障分析及描述

④设备展示-运行状态

电容数据实时监测

投切状态

3.2安科瑞电能质量治理产品

电能质量治理解决方案

3.2.1 有源电力滤波器(APF)

功能：有源电力滤波器通过动态补偿谐波，改善电能质量。它可以对2~51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿，具备完善的桥臂过流保护、直流过压保护和装置过温保护功能。

应用：在充电站中，有源电力滤波器可以有效滤除逆变器产生的谐波，提高电能质量，保护其他设备的正常运行。

安科瑞有源电力滤波器分为集中治理型(AnSin，柜式，一般集中治理，安装在低压进线处)和就地治理型(AnAPF或AnSVG-G-A，壁挂式，用于治理某个特定回路)，搭配使用治理效果更好。

3.2.2 静止无功发生器(SVG)

功能：静止无功发生器通过使用全控型电力电子器件（如IGBT），实时检测电网电压的变化，并根据需要快速产生或吸收无功功率，实现无功功率的快速补偿和调节，确保功率因数稳定。

应用：在充电站中，SVG可以提供快速的无功功率补偿，提高系统的功率因数，可在原有常规电容补偿柜基础上增加SVG，达到更加快速平稳的无功补偿控制。

安科瑞SVG产品分为集中治理型(AnCOS，柜式，集中补偿柜，一般安装在低压进线处，位于有源滤波柜之前)和就地治理型(AnSVG或AnSVG-G-A，壁挂式，用于治理某个特定回路)。

3.2.3 电能质量在线监测装置 (APView500)

功能：电能质量在线监测装置APView500实时监测实时监测电网电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、谐波畸变、电压暂升/暂降/短时中断、电压电流瞬态监测等电能质量，记录各类电能质量事件。

应用：在充电站中，APView500可以实时监测系统的电能质量，帮助管理人员及时发现并处理电能质量问题，确保系统的稳定运行，一般安装于需要监测的回路。

以上设备均可接入AcrelEMS企业微电网能效管理系统，实现对企业微电网的实时监测、智能预测、动态调控和实时预警，确保企业电网安全、可靠、低碳运行。

审核编辑 黄宇