隨著電動汽車保有量呈井噴式增長，充電站作為其能源補給的關鍵節(jié)點，其運行穩(wěn)定性與電能質量愈發(fā)關鍵。然而，充電站內部大量非線性充電設備接入電網，不可避免地引發(fā)了一系列電能質量問題，如諧波污染、無功功率損耗、三相不平衡等。這些問題不僅威脅到充電站自身設備的安全與壽命，降低充電效率，還會對電網的穩(wěn)定性與可靠性造成沖擊，影響其他用戶的正常用電。因此，亟需一套行之有效的電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案。
1. 諧波產生的原因
整流裝置
大部分電動汽車充電樁都采用整流技術將交流電轉換為直流電來為汽車電池充電。在整流過程中，常用的二極管整流橋或晶閘管整流電路屬于非線性元件。以二極管整流橋為例，當交流電壓輸入時，二極管只有在正向電壓超過其導通閾值時才會導通，這使得輸入電流波形發(fā)生畸變。這種畸變導致電流不再是標準的正弦波，而是包含了大量諧波成分。
高頻開關電源
許多充電站采用高頻開關電源技術，這種電源通過快速地開關功率半導體器件來調整輸出電壓和電流。在開關過程中，由于這些器件的非線性特性，會產生高頻的脈沖電流。這些脈沖電流的頻譜包含了大量的高次諧波。
電動汽車電池特性
電動汽車電池在充電過程中有不同的充電階段，包括恒流充電和恒壓充電階段。在恒流充電階段，充電樁需要提供相對穩(wěn)定的電流；在恒壓充電階段，需要根據電池電壓的變化調整電流。這種動態(tài)的充電需求會導致充電電流的波動。特別是在充電模式切換時，電流的變化會產生暫態(tài)過程，從而引起諧波。
負載變化
充電站的負載情況是不斷變化的。隨著電動汽車的接入和離開，充電功率會發(fā)生動態(tài)變化。當有新的車輛接入充電時，充電系統(tǒng)需要快速響應并分配功率。這種功率的快速變化會引起電網電流的波動，進而產生諧波。
2.諧波對充電站的影響
對充電設備的影響
縮短設備壽命：諧波電流會使充電設備中的變壓器、電抗器等感性元件產生額外的損耗。
干擾設備正常運行：諧波可能會干擾充電設備內部的電子控制電路。許多充電設備都采用了高精度的電子控制器來實現充電過程的控制。諧波電壓和電流可能會使這些控制器產生誤動作，影響充電設備的正常充電功能。
引起設備故障：過高的諧波含量可能會使充電設備的一些敏感元件損壞。
對電網的影響
降低電網功率因數：諧波電流的存在會使電網的功率因數降低。因為諧波電流在電網的感性和容性元件之間來回流動，導致電網的功率因數下降。這會使電網的輸電效率降低，增加輸電線路的損耗。
引起電網電壓畸變：充電站產生的諧波電流注入電網后，會在電網的阻抗上產生諧波電壓降。由于電網是一個相互連接的系統(tǒng)，這些諧波電壓會疊加在基波電壓上，導致電網電壓發(fā)生畸變。電壓畸變可能會影響同一電網中其他用戶的電氣設備正常運行。
干擾電網通信和保護系統(tǒng)：諧波可能會干擾電網中的通信信號和保護裝置。在現代電網中，電力線通信（PLC）技術被廣泛用于電網的監(jiān)控和數據傳輸。諧波會在電力線上產生電磁干擾，影響通信信號的傳輸質量，導致通信數據出錯或丟失。同時，電網中的繼電保護裝置也可能會受到諧波的干擾。
對電動汽車電池的影響
影響電池充電效率：諧波會使充電過程中的實際充電電流和電壓波形發(fā)生畸變。當充電電流含有諧波成分時，電池內部的極化現象會加劇。極化會導致電池的內阻增加，使得充電過程中的能量損耗增加，從而降低電池的充電效率。
損害電池性能和壽命：長期在諧波環(huán)境下充電會對電池的性能和壽命產生不良影響。電池在高次諧波電流的反復作用下，其內部的化學結構可能會發(fā)生變化。
3.充電站電能質量監(jiān)測和治理系統(tǒng)解決方案
3.1電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)
3.1.1平臺拓撲
電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)系統(tǒng)平臺主要由電能質量治理設備、物理網關、服務器及服務終端四部分組成，其中電能質量治理設備作為基礎實現對數據采集與電能質量補償等，物理網關實現設備與服務器間的數據傳輸以及對設備進行策略功能分配，數據經由服務器以服務終端為媒介為用戶提供可視化展示。
3.1.2平臺展示
電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質量監(jiān)測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務。
①功能展示-可視化管理
項目站點信息
廠區(qū)概況
配電房信息
配電房設備補償運行狀態(tài)
語音報警
故障信息彈窗
②效果對比-治理分析
負載側2-31次諧波柱狀圖
電網側2-31次諧波柱狀圖
負載側各相電壓及電流畸變率
電網側側各相電壓及電流畸變率
③狀態(tài)展示-設備運行
設備補償情況實時監(jiān)測
設備運行狀態(tài)
故障分析及描述
④設備展示-運行狀態(tài)
電容數據實時監(jiān)測
投切狀態(tài)
3.2安科瑞電能質量治理產品
電能質量治理解決方案
3.2.1 有源電力濾波器(APF)
功能：有源電力濾波器通過動態(tài)補償諧波，改善電能質量。它可以對2~51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償，具備完善的橋臂過流保護、直流過壓保護和裝置過溫保護功能。
應用：在充電站中，有源電力濾波器可以有效濾除逆變器產生的諧波，提高電能質量，保護其他設備的正常運行。
安科瑞有源電力濾波器分為集中治理型(AnSin，柜式，一般集中治理，安裝在低壓進線處)和就地治理型(AnAPF或AnSVG-G-A，壁掛式，用于治理某個特定回路)，搭配使用治理效果更好。
3.2.2 靜止無功發(fā)生器(SVG)
功能：靜止無功發(fā)生器通過使用全控型電力電子器件（如IGBT），實時檢測電網電壓的變化，并根據需要快速產生或吸收無功功率，實現無功功率的快速補償和調節(jié)，確保功率因數穩(wěn)定。
應用：在充電站中，SVG可以提供快速的無功功率補償，提高系統(tǒng)的功率因數，可在原有常規(guī)電容補償柜基礎上增加SVG，達到更加快速平穩(wěn)的無功補償控制。
安科瑞SVG產品分為集中治理型(AnCOS，柜式，集中補償柜，一般安裝在低壓進線處，位于有源濾波柜之前)和就地治理型(AnSVG或AnSVG-G-A，壁掛式，用于治理某個特定回路)。
3.2.3 電能質量在線監(jiān)測裝置 (APView500)
功能：電能質量在線監(jiān)測裝置APView500實時監(jiān)測實時監(jiān)測電網電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諧波畸變、電壓暫升/暫降/短時中斷、電壓電流瞬態(tài)監(jiān)測等電能質量，記錄各類電能質量事件。
應用：在充電站中，APView500可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的電能質量，幫助管理人員及時發(fā)現并處理電能質量問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，一般安裝于需要監(jiān)測的回路。
以上設備均可接入AcrelEMS企業(yè)微電網能效管理系統(tǒng)，實現對企業(yè)微電網的實時監(jiān)測、智能預測、動態(tài)調控和實時預警，確保企業(yè)電網安全、可靠、低碳運行。