第46卷第1期电力系统保护与控制V ol.46 No.1 2018年1月1日Power System Protection and Control Jan. 1, 2018 DOI: 10.7667/PSPC162038
邓 磊，刘 敏，应丽云，孙江山
(贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025)
摘要：当前越来越多的电动汽车充电设施接入电网，不同充电模式的充电设施接入电网产生的谐波污染将对电网造成不同的影响。对电动汽车充电站内不同充电模式充电机之间的相互影响进行Simulink仿真和谐波分析。首先，建立电动汽车动力电池的仿真模型。其次，建立电动汽车不同充电模式充电机的仿真模型。然后，将动力电池仿真得到的充电曲线直接等效成时变电阻，并作为连续信号直接输入充电机模型进行仿真。最后，在不同充电场景下对不同充电模式充电机进行仿真，分析了不同充电模式的充电机工作时相互影响的谐波规律。
关键词：充电模式；动力电池；充电机；谐波分析；Simulink仿真
Simulation and harmonic analysis of electric vehicle charging station under different charging modes
DENG Lei, LIU Min, YING Liyun, SUN Jiangshan
(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)
Abstract: More and more electric vehicle charging facilities are connected to the power grid now, and the harmonic pollution caused by the charging facilities under different charging modes will exert different effects on the power grid.
This paper researches the Simulink simulation and harmonic analysis of the mutual influence between different charging modes charger in the charging station. Firstly, the simulation model of the electric vehicle power battery is established.
Secondly, the simulation model of the electric vehicle charger under different charging modes is established. Thirdly, the power battery charging curve by simulation is equivalent to time-varying resistance, and it is input as a continuous signal to the charger model for simulation. Finally, different charging modes in different charging scenes are simulated, and harmonic mutual influence law of different charging modes charger on working is analyzed.
This work is supported by Guizhou Science and Technology Foundation (No. J[2012]2157).
Key words: charging mode; power battery; battery charger; harmonic analysis; Simulink simulation
0 引言
随着电动汽车不断普及，越来越多的充电机将接入电网为电动汽车提供充电服务。电动汽车充电机作为非线性用电设备，其产生的谐波污染越来越值得关注。电动汽车充电模式主要分为快充和慢充两种模式[1-2]。慢充模式充电电流低，约为15 A，充电时间长，约为8~10 h；快充模式充电电流大，约为150~400 A，充电时间短，约为20 min~2 h。因此，电动汽车充电模式不同，充电产生的谐波影响也有可能不同。现有研究中，文献[3]建立了电动汽车充电站仿真模型，并提出一种采用线性分段函数近似等效充电机非线性电阻的方法计算谐波。文献[4]建立了单台三相不可控整流充电机模型，并
基金项目：贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2012]2157号) 分析了多台充电机的谐波特征。文献[5]建立了单台充电机和充电站仿真模型，研究了各次谐波电流含有率、电流总谐波畸变率和功率因数随电动汽车充电功率的变化规律及其随充电机台数增加的变化规律。文献[6]分析了由不同整流装置构成的充电机接入系统产生的谐波影响。文献[7]建立了含车载充电机的住宅区传统三相配电网和新型单相配电网仿真模型，分析了车载充电机接入小区低压配电网产生的谐波特征。以上关于充电站谐波仿真研究多是将充电机的等效时变电阻进行离散化处理或线性分段函数处理，未能体现电动汽车动力电池充电曲线的连续性，同时当前研究单台充电机等效模型和多台同类型充电机同时工作的文献较多，而研究不同类型充电机及不同充电模式充电机同时工作产生谐波影响的文献较少。由于电动汽车快充与慢充模式与充电机功率、动力电池充电特性及温度等紧密相关。
- 88 - 电力系统保护与控制
本文对电动汽车充电站内不同充电模式充电机的相
互影响进行Simulink仿真和谐波分析。首先，建立
了电动汽车动力电池的仿真模型并得出充电特性曲
线；其次，建立了电动汽车不同充电模式充电机的
仿真模型；再次，将动力电池的充电曲线直接等效
成时变电阻，并作为连续信号直接输入充电机模型
进行仿真；最后，在不同充电场景下分析了不同充
电模式的充电机同时工作时的谐波规律，并从谐波
影响角度考虑了如何选择充电机不同组合配置的方
法，对于研究电动汽车接入电网的影响及指导电动
汽车充电系统建设有积极意义。
1 电动汽车动力电池模型及仿真
电动汽车的动力电池主要有三种，即铅酸电池、
镍氢电池和锂离子电池。2006年以来，由于锂离子
电池技术的迅速发展，特别是安全性方面的大幅度
提高，锂离子电池已逐步被应用于纯电动车和混合
动力车[8]。本文选择2016年最新上市的日产Leaf
纯电动汽车动力电池参数进行仿真，具体参数如表
1和表2所示。
表1 日产Leaf动力电池性能指标
Table 1 Performance indicators of Nissan Leaf power battery
电池容量/kWh电池单体数目电池类型
30 48 复合锂离子电池
电池组额定电压/V 能量密度/(W•h/kg) 功率密度/(kW/kg)
345 140 2.5
表2 日产Leaf动力电池充电模式
Table 2 Charging modes of Nissan Leaf power battery
充电模式充电电压充电电流充电时间
模式一120 V AC 12 A 16 h
模式二240 V AC 15~30 A 4~8 h
模式三480 VDC 100~400 A
15~25 min
1.1锂离子电池等效电路
本仿真采用RINT模型，模型设计简洁，计算简单，如图1所示。该模型用理想电压源E作为电池开路电压，R为电池内阻，V为电池与外电路接通后的端电压[9]。
图1 RINT模型
Fig. 1 RINT model 1.2 锂离子电池仿真
电动汽车动力电池充电时，其荷电状态变化[10-11]如式(1)。
d i t
SOC SOC
Q
=+
⎰
(1)式中：SOC0为初始荷电状态；SOC为当前荷电状态；i为充电电流；Q为电池容量。
动力电池电压和荷电状态SOC的函数关系[12]为
(1)
e BQ SOC SOC
K
E E A
SOC SOC
--+
=-+
-
(2)
=-⋅
V E R i(3) 式中：E是电池的开路电压；
E
是电池内电势；
K 是偏置电压；A是指数电压；B是指数容量；R是内阻；V是电池两端的直流电压。根据式(1)—式(3)对电动汽车动力电池充电进行仿真，其Matlab仿真模型如图2所示。
图2 动力电池仿真模型
Fig. 2 Simulation model of power battery
电动汽车动力电池的充电方式与充电机的充电电流和电池本身充电性质紧密相关。在动力电池充电电流可接受范围内，充电机的功率越大，其充电电流越大，动力电池充电越快，充电完成时间越短[13-16]。本文以容量为30 kWh的日产Leaf电动汽车动力电池在不同充电电流下充电为例进行仿真，其最快15 min、400 A快充模式和最慢8 h、15 A慢充模式的充电曲线如图3所示。
图3 动力电池慢充与快充模式充电 Fig. 3 Slow charge and fast charge mode of power battery
邓 磊，等 不同充电模式下电动汽车充电站的仿真与谐波分析 - 89 -
2 不同充电模式充电机模型及仿真
2.1 充电机等效模型
目前，主要研究和使用的电动汽车充电机结构如图4所示。三相桥式不可控整流电路对三相交流电进行整流[17-18]，滤波后为高频DC-DC 功率变换电路提供直流输入[19]，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为动力蓄电池充电。
图4 高频充电机的结构
Fig. 4 Structure of high frequency charger混合电动车
现将图4中功率变换器部分进行等效，从而进行仿真。相对工频周期而言，电动汽车动力电池充电时间较长，所以在一个或几个工频周期内，都可以将充电机的输出电流和输出电压视为恒定的直流，即图4中的I 0、U 0均为常数。因此，可以认为高频功率变换环节工作在恒功率状态，当输入电压U B 升高时，输入电流I 1必然降低，其输入阻抗表现为负阻抗特性。在低频范围内，可以用一个非线性电阻R C
来近似模拟高频功率变换环节的等效输入电阻[20-23]，非线性电阻R C 可近似表示如式(4)。充电机等效模型如图5所示。
图5 高频充电机等效模型
Fig. 5 Equivalent model of high frequency charger
充电功率与等效电阻关系如式(4)所示。由式(4)可知，小电阻对应大功率充电，大电阻对应小功率充电[3]。
222
B B B B
C 11
000U U U U R I P P U I ηη==== (4)
式中，η为充电机效率。
2.2 充电机仿真模型
根据图5所示充电机的等效模型，对电动汽车充电机进行Simulink 仿真，电动汽车充电机的仿真模块如图6所示，其中等效电阻R C 的时变仿真模块如图7。
图6 电动汽车充电机模块
Fig. 6 Electric vehicle charger module
图7 等效电阻R c 的时变模块
Fig. 7 Time varying module of equivalent resistance R c
根据2010年国家电网公司发布的《电动汽车充
电设施典型设计》中的设计标准[24-25]
，
现将典型的5 kW/35 kW/100 kW/200 kW 这4种功率的充电机在本文中作为不同充电模式的充电机进行Simulink 仿真。电动汽车动力电池的充电模式与动力电池充电特性及充电机功率紧密相关。在第1节中，仿真的日产Leaf 动力电池最大充电电流可以达到400 A ，最大充电功率可以达到近200 kW 。因此，在接下来的仿真中，可认为日产Leaf 动力电池可以接受5 kW/35 kW/100 kW/200 kW 这4种功率充电机的最大电流进行充电，则4种充电机对日产Leaf 动力电池充电时，其输出功率仿真结果如图8所示。
图8 4种充电机的输出功率 Fig. 8 Output power of four chargers
- 90 - 电力系统保护与控制
根据式(4)和图8中4种充电机的输出功率，可以得到4种不同充电模式充电机对应的等效电阻R C 如图9所示。
图9 4种充电机的等效电阻
Fig. 9 Equivalent resistance of four chargers
将图9中4种不同充电模式充电机对应的等效电阻R C的时变曲线作为各充电机内部的等效电阻R C信号，分别对4种充电机进行Simulink仿真，5 kW充电机仿真模型如图10，同理可得其他3种充电机仿真模型，其各自的电流总谐波畸变率如图11—图14所示。
由图11可知，单台5 kW充电机对第1节中动力电池充电需要8 h，其高压侧电流总谐波畸变率为0.2652，其最大值为0.33；谐波电流含量为0.1951 A，其最大值为0.2475 A。
由图12可知，单台35 kW充电机对该动力电池充电需要70 min，其高压侧电流总谐波畸变率为0.2251，最大值为0.35；谐波电流含量为0.5294 A，最大值为0.7245 A。
由图13可知，单台100 kW充电机对该动力电池充电需要25 min，其高压侧电流总谐波畸变率为0.2182，最大值为0.3；谐波电流含量为1.4469 A，最大值为2.179 A。
由图14可知，单台200 kW充电机对该动力电池充电需要15 min，其高压侧电流总谐波畸变率为0.2067，最大值为0.242；谐波电流含量为2.7408 A，最大值为3.528 A。
图10 单台5 kW充电机仿真图
Fig. 10 Simulation diagram of 5 kW charger
图11 单台5 kW充电机谐波电流畸变率 Fig. 11 Harmonic current distortion rate of 5 kW charger
图12 单台35 kW充电机谐波电流畸变率 Fig. 12 Harmonic current distortion rate of 35 kW charger
图13 单台100 kW充电机谐波电流畸变率
Fig. 13 Harmonic current distortion rate of 100 kW charger
图14 单台200 kW充电机谐波电流畸变率
Fig. 14 Harmonic current distortion rate of 200 kW charger
由此可知，当大功率充电机进行大电流快充时，充电电流越大，产生的谐波电流越大，电流总谐波畸变率越小。
邓磊，等不同充电模式下电动汽车充电站的仿真与谐波分析- 91 -
3 充电站内不同充电模式充电机仿真及谐
波分析
3.1 7台5 kW充电机同时运行仿真
当7台5 kW充电机同时工作时，其产生的谐波电流和谐波畸变率如图15、图16所示。由图15、图16可知，高压侧电流总谐波畸变率为0.45，谐波电流含量为1.3 A，该谐波电流含量小于单台5 kW 充电机工作时谐波含量的7倍代数值，这符合充电机产生的谐波存在相互抵消的现象，充电机台数的增加可能致使各次谐波含量减小[5]。同时在相同充电需求下，7台5 kW充电机同时工作产生的谐波电流含量和电流总谐波畸变率都大于单台35 kW充电机工作时产生的谐波。
图15 7台5 kW充电机同时工作谐波电流
Fig. 15 Harmonic current of seven 5 kW chargers
图16 7台5 kW充电机同时工作谐波电流畸变率
Fig. 16 Harmonic current distortion rate of seven 5 kW
chargers working simultaneously
3.2 4台不同充电模式充电机同时运行仿真
当4种不同充电模式充电机同时工作时，其Simulink仿真图如图17所示，其产生的谐波电流和谐波畸变率如图18、图19所示。由图18、图19可知，其总谐波畸变率为0.21，最大值为0.35；谐波电流含量为4 A，最大值为5 A。该总谐波畸变率的最大值不超过任意单台充电机的最大值，其最小值小于任意单台充电机的最小值。
充电机的功率越大，输出电流越大，对谐波电流及谐波畸变率影响越大，以上4种充电机同时工作时，200 kW充电机占主要影响，5 kW充电机的影响几乎不明显。
图17 4台不同充电模式充电机同时工作仿真图
Fig. 17 Simulation diagram of four chargers working simultaneously under different charging modes
图18 4台不同充电模式充电机同时工作谐波电流
Fig. 18 Harmonic current of four chargers working
simultaneously under different charging modes
图19 4台不同充电模式充电机同时工作谐波电流畸变率 Fig. 19 Harmonic current distortion rate of four chargers
working simultaneously under different charging modes
3.3 不同充电模式充电机定时投入运行仿真
1) 当单台200 kW充电机从0 min时开始工作，在15 min时将100 kW充电机投入工作，在40 min 时将35 kW充电机投入工作，在65 min时将5 kW 充电机投入工作。具体谐波电流含量及谐波电流畸变率的仿真结果如图20、图21所示。
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