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[摘 要]电动汽车作为新能源汽车，对于节能减排具有重要意义。电动汽车的普及已成为一种趋势。电动汽车规模的不断增长，对电力系统提出了新的挑战，也提供了新的機遇。本文在介绍电动汽车充电模式的基础上，分析电动汽车的接入对电力系统的综合影响。
[关键词]电能质量 电动汽车 充电桩
中图分类号：U64 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0327-01
1 引言
随着国民经济的迅速发展和工业化、城镇化进程的加速，人们对汽车的需求量越来越大。我国已经连续五年成为世界汽车产销第一大国。与此同时，能源需求不断增长，汽车尾气排放已经占据二氧化碳排放总量的20%。化石能源的日益枯竭及环境污染的不断加剧，使得作为新能源汽车的电动汽车得到了大力的推广和发展。然而，数量庞大的电动汽车接入电力系统，势必带来一系列的技术问题，其中电动汽车充电引起的电能质量问题是一个不可忽视的方面。
目前，对于电动汽车接入电网的研究可归结为以下3个方面[1，2]：
（1）电动汽车充电复合建模与仿真计算。
（2）研究电动汽车接入对电力系统的影响。
（3）研究电动汽车的充放电控制与利用。
本文从电动汽车的充电方式出发，对比了几种充电方式的优缺点，并将充电引起的电能质量问题做了全面具体的分。，最后，总结了未来电动汽车的大规模接入，将给电力系统规划和运行带来不可忽视的影响。
2 电动汽车的四种充电方式（快充，慢充，换电，无线）
2.1 慢速充电也叫常规充电，一般充电时间为5h～8h，甚至长达10h～20h。充电电流和功率都较低，对电池寿命影响和对电网冲击都较小，还可以充分利用电力低谷时段充电，降低成本。优点：充电器和安装成本比较低，而且可提高充电效率和延长电池使用寿命；缺点：充电时间过长，当车辆有紧急运行需求时难以满足。而且城市建筑密度也无法满足电动汽车对充电桩的需求，城市建筑结构以高层为主，地面停车场数量有限，这样会造成有车充不上电的情况。这种充电模式通常适用于设计电动汽车的续航里程尽可能大，能满足车辆一天运营需要，仅利用晚间停运时间充电。
2.2 快速充电又称应急充电，充电电压高，且为直流电压充电。需要通过整流装置将交流电变换为直流电，对电池组的耐压性和保护提出更高要求；充电电流大，是常规充电电流的十倍甚至几十倍，对电池组产生巨大的电流冲击，会降低电池组的循环寿命；充电一般不达到满充状态。优点：充电时间短；缺点：降低电池使用寿命。目前电动汽车使用的大都是锂电池，锂元素很活跃，快充易使锂元素太过活跃，从而使电池中的电解液发生沉淀，产生气泡现象，也就是人们平时所看到的电池身上易凸起“小包”，摸上去有手感发热等情况，严重的会导致电池爆炸等安全事故。
2.3 换电是直接用充满电的电池组更换能量已耗尽的电池组，更换所需时间约10分钟。换电模式需要标准化的电池，以及简易化，专业化的更换程序。优点：电能补充耗时最短，一定程度上弥补了电动汽车续航里程短和充电时间长的缺陷。缺点：小型车辆由于设计紧凑，更换往往更为复杂。因此需要做好电动汽车的设计改进、换电站的区域建设和联网管理，以及标准化电池的流通管理、电池质量的定量评价等工作。
2.4 无线充电是将需要充电的汽车开到固定位置，而不需要接触充电电缆。该装置由电池、充电感应器、交直流转换器和控制系统组成，以地面充电板作为媒介给电池“喂食”交流电，大约20分钟就可以充满电，如果用家用的照明电，则一般要6-8小时才可以充满。优点：操作简便，彻底避免了漏电、跑电等安全隐患；缺点：成本高，可靠性差，因为无线充电会产生强大的磁场。当人或动物位于电动车和充电装置之间时，有可能带来电磁伤害，所以确保无线充电系统的安全性也是一个关键点（表1）。
3 充电引起的电能质量问题
3.1 电动汽车充电站对电网的影响有正反两方面；
正面影响：在用电低谷对动力电池充电，可以减少电网峰谷差，提高配电系统设施的实际利用率，拓展终端电能消费市场；
负面影响：动力电池充电属于非线性装置，会对供电系统产生谐波污染，导致功率因数下降，对供电系统的电能质量带来不利影响，在用电高峰充电时，会加重供电系统的负担。
3.2 电动汽车充电引起的电能质量问题主要包括谐波、三相电压不平衡以及电压偏差，而目前的研究主要集中在谐波方面。
采用交流充电桩的慢充站内的主要电能质量问题为电压偏差以及三相电压不平衡，其主要原因是三相间负荷的不均匀分补。当充电站变压器选择不当时，会进一步加重两类电能质量问题，而目前车载充电机均配备有APFC装置，因此，交流充电站，较少存在谐波问题。
采用三相非车载充电机的直流快充站，因充电机本身的特点，充电站不存在三相不平衡超标问题，而是否存在谐波问题则主要依据充电站内锁采用的充电机。
3.3 产生谐波的危害
谐波会对电网造成危害，引起线路或变压器附加损耗增加和发热，造成电网中局部的电感、电容发生谐振，使谐波进一步放大。谐波对充电站设备也存在威胁：对电费计量系统来说，若将谐波电流计为有功电流，可能造成用户多支出电费；对计算机和一些其他电子设备来说，较高的谐波可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断；对开关和继电保护设备来说，谐波可能导致电子保护式低压断路器之固态跳脱装置不正常跳闸，可能对有序分量滤过器组成启动元件的保护及自动装置产生干扰。
3.4 负荷不均衡冲击
当充电站的电动汽车采用大电流快速充电时，会形成较大的电流，这可能会造成电网不稳定，并且过分密集的集中充电可能会导致充电站瞬时负荷过大，对电网的负荷调节能力、载荷能力以及电源容量均造成考验。
4 结语和展望
发展电动汽车是缓解环境污染、减少对石油资源依赖的重要途径之一。随着政府有关支持政策的相继出台，随着充电设备和相关技术的不断进步，电动汽车正在不断普及。电动汽车规模的不断增长，对电力系统安全运行各方面提出了新挑战，也提供了新机遇。本文对电动汽车接入电网对电能质量的影响建立了综合的数学模型并总结分析了这些主要影响及其相应策略措施。对于负荷增长加重电力系统的负担，电动汽车负荷的非线性和不确定性对电能质量的影响，电网运行优化控制等问题还有待于进一步研究。
短期看，电动汽车的接入会对电力系统带来谐波等影响，但未来将是国家智能电网建设不可或缺的一部分。未来电网建设将逐渐形成以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源、智能小区等为“局域网”的结构，并通过开放互联、能量交换实现能源的双向按需传输和动态平衡，构建“能源互联网”。
而未来实现充电汽车与智能电网的相连，即所谓的V2G[3]，将是充电技术以及电动汽车商业运行模式的趋势。当电网负荷过高时，由电动汽车向电网馈电，而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量。通过这种方式，电动汽车用户可以赚取峰谷时电费差价，获得一定收益。电网公司也可以将电动汽车作为可移动储能装置和调峰系统缓解用电压力，提高电网运行效率和可靠性。
参考文献
[1] 林海雪.现代电能质量基本问题[J].电网技术，2001，25（10）：5-12.
[2] 胡泽春，宋永华，徐智威，等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报，2012.32（4）：1-9.
[3] Sortomme E，El-Shaikawi M A.Optimal charging strategies for unidirectional vehicle-to-grid[J].IEEE Trans.on Smart Grid，2011，2（1）：131-138.
[关键词]电能质量 电动汽车 充电桩
中图分类号：U64 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0327-01
1 引言
随着国民经济的迅速发展和工业化、城镇化进程的加速，人们对汽车的需求量越来越大。我国已经连续五年成为世界汽车产销第一大国。与此同时，能源需求不断增长，汽车尾气排放已经占据二氧化碳排放总量的20%。化石能源的日益枯竭及环境污染的不断加剧，使得作为新能源汽车的电动汽车得到了大力的推广和发展。然而，数量庞大的电动汽车接入电力系统，势必带来一系列的技术问题，其中电动汽车充电引起的电能质量问题是一个不可忽视的方面。
目前，对于电动汽车接入电网的研究可归结为以下3个方面[1，2]：
（1）电动汽车充电复合建模与仿真计算。
（2）研究电动汽车接入对电力系统的影响。
（3）研究电动汽车的充放电控制与利用。
本文从电动汽车的充电方式出发，对比了几种充电方式的优缺点，并将充电引起的电能质量问题做了全面具体的分。，最后，总结了未来电动汽车的大规模接入，将给电力系统规划和运行带来不可忽视的影响。
2 电动汽车的四种充电方式（快充，慢充，换电，无线）
2.1 慢速充电也叫常规充电，一般充电时间为5h～8h，甚至长达10h～20h。充电电流和功率都较低，对电池寿命影响和对电网冲击都较小，还可以充分利用电力低谷时段充电，降低成本。优点：充电器和安装成本比较低，而且可提高充电效率和延长电池使用寿命；缺点：充电时间过长，当车辆有紧急运行需求时难以满足。而且城市建筑密度也无法满足电动汽车对充电桩的需求，城市建筑结构以高层为主，地面停车场数量有限，这样会造成有车充不上电的情况。这种充电模式通常适用于设计电动汽车的续航里程尽可能大，能满足车辆一天运营需要，仅利用晚间停运时间充电。
2.2 快速充电又称应急充电，充电电压高，且为直流电压充电。需要通过整流装置将交流电变换为直流电，对电池组的耐压性和保护提出更高要求；充电电流大，是常规充电电流的十倍甚至几十倍，对电池组产生巨大的电流冲击，会降低电池组的循环寿命；充电一般不达到满充状态。优点：充电时间短；缺点：降低电池使用寿命。目前电动汽车使用的大都是锂电池，锂元素很活跃，快充易使锂元素太过活跃，从而使电池中的电解液发生沉淀，产生气泡现象，也就是人们平时所看到的电池身上易凸起“小包”，摸上去有手感发热等情况，严重的会导致电池爆炸等安全事故。
2.3 换电是直接用充满电的电池组更换能量已耗尽的电池组，更换所需时间约10分钟。换电模式需要标准化的电池，以及简易化，专业化的更换程序。优点：电能补充耗时最短，一定程度上弥补了电动汽车续航里程短和充电时间长的缺陷。缺点：小型车辆由于设计紧凑，更换往往更为复杂。因此需要做好电动汽车的设计改进、换电站的区域建设和联网管理，以及标准化电池的流通管理、电池质量的定量评价等工作。
2.4 无线充电是将需要充电的汽车开到固定位置，而不需要接触充电电缆。该装置由电池、充电感应器、交直流转换器和控制系统组成，以地面充电板作为媒介给电池“喂食”交流电，大约20分钟就可以充满电，如果用家用的照明电，则一般要6-8小时才可以充满。优点：操作简便，彻底避免了漏电、跑电等安全隐患；缺点：成本高，可靠性差，因为无线充电会产生强大的磁场。当人或动物位于电动车和充电装置之间时，有可能带来电磁伤害，所以确保无线充电系统的安全性也是一个关键点（表1）。
3 充电引起的电能质量问题
3.1 电动汽车充电站对电网的影响有正反两方面；
正面影响：在用电低谷对动力电池充电，可以减少电网峰谷差，提高配电系统设施的实际利用率，拓展终端电能消费市场；
负面影响：动力电池充电属于非线性装置，会对供电系统产生谐波污染，导致功率因数下降，对供电系统的电能质量带来不利影响，在用电高峰充电时，会加重供电系统的负担。
3.2 电动汽车充电引起的电能质量问题主要包括谐波、三相电压不平衡以及电压偏差，而目前的研究主要集中在谐波方面。
采用交流充电桩的慢充站内的主要电能质量问题为电压偏差以及三相电压不平衡，其主要原因是三相间负荷的不均匀分补。当充电站变压器选择不当时，会进一步加重两类电能质量问题，而目前车载充电机均配备有APFC装置，因此，交流充电站，较少存在谐波问题。
采用三相非车载充电机的直流快充站，因充电机本身的特点，充电站不存在三相不平衡超标问题，而是否存在谐波问题则主要依据充电站内锁采用的充电机。
3.3 产生谐波的危害
谐波会对电网造成危害，引起线路或变压器附加损耗增加和发热，造成电网中局部的电感、电容发生谐振，使谐波进一步放大。谐波对充电站设备也存在威胁：对电费计量系统来说，若将谐波电流计为有功电流，可能造成用户多支出电费；对计算机和一些其他电子设备来说，较高的谐波可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断；对开关和继电保护设备来说，谐波可能导致电子保护式低压断路器之固态跳脱装置不正常跳闸，可能对有序分量滤过器组成启动元件的保护及自动装置产生干扰。
3.4 负荷不均衡冲击
当充电站的电动汽车采用大电流快速充电时，会形成较大的电流，这可能会造成电网不稳定，并且过分密集的集中充电可能会导致充电站瞬时负荷过大，对电网的负荷调节能力、载荷能力以及电源容量均造成考验。
4 结语和展望
发展电动汽车是缓解环境污染、减少对石油资源依赖的重要途径之一。随着政府有关支持政策的相继出台，随着充电设备和相关技术的不断进步，电动汽车正在不断普及。电动汽车规模的不断增长，对电力系统安全运行各方面提出了新挑战，也提供了新机遇。本文对电动汽车接入电网对电能质量的影响建立了综合的数学模型并总结分析了这些主要影响及其相应策略措施。对于负荷增长加重电力系统的负担，电动汽车负荷的非线性和不确定性对电能质量的影响，电网运行优化控制等问题还有待于进一步研究。
短期看，电动汽车的接入会对电力系统带来谐波等影响，但未来将是国家智能电网建设不可或缺的一部分。未来电网建设将逐渐形成以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源、智能小区等为“局域网”的结构，并通过开放互联、能量交换实现能源的双向按需传输和动态平衡，构建“能源互联网”。
而未来实现充电汽车与智能电网的相连，即所谓的V2G[3]，将是充电技术以及电动汽车商业运行模式的趋势。当电网负荷过高时，由电动汽车向电网馈电，而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量。通过这种方式，电动汽车用户可以赚取峰谷时电费差价，获得一定收益。电网公司也可以将电动汽车作为可移动储能装置和调峰系统缓解用电压力，提高电网运行效率和可靠性。
参考文献
[1] 林海雪.现代电能质量基本问题[J].电网技术，2001，25（10）：5-12.
[2] 胡泽春，宋永华，徐智威，等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报，2012.32（4）：1-9.
[3] Sortomme E，El-Shaikawi M A.Optimal charging strategies for unidirectional vehicle-to-grid[J].IEEE Trans.on Smart Grid，2011，2（1）：131-138.