电动汽车对电网运行的影响研究.doc

1、分类号：TG434.1 密级：UDC：621.8 学校代码：11065硕士学位论文电动汽车对电网运行的影响研究指导教师 （教授）学科专业名称 电力系统及其自动化论文提交日期 2013年5月25日论文答辩日期 2013年6月1日答辩委员会主席 高级工程师摘要电动汽车具有环保、节能、清洁等优点，因此发展电动汽车成为解决环境和能源问题的主要途径，电动汽车的使用必然对电网造成复杂的影响，影响到电力系统的正常运行，因此研究电动汽车对电网运行的影响具有十分重要的意义。本文研究了电动汽车充电站对电网的谐波影响和电动汽车对电力系统机组组合的影响，研究内容包括：1）研究电动汽车充电站对电网的谐波影响。首先从谐波

2、理论入手，分析单台电动汽车充电机向电网注入谐波的特点，分析得出充电机主要产生5、7、11、13等高次谐波，还在理论上分析多台充电机组成充电站产生谐波的特点；然后使用Matlab/Simulink软件建立单台充电机的仿真模型和由5台充电机组成充电站的仿真模型，通过模型的仿真得到仿真结果，由仿真结果总结出充电机和充电站谐波变化的特点和规律；最后根据分析和仿真结果制定合理的充电站谐波治理方案。2）研究电动汽车充放电对电力系统机组组合的影响。构造含电动汽车的电力系统机组组合的数学模型，采用改进粒子群算法和优先顺序法对数学模型进行求解。改进粒子群算法是通过动态调整惯性权重和学习因子对基本粒子群算法进行改

3、进，提高了算法的优化效果；根据粒子群算法多维空间搜索能力不强的缺陷，采用了优先顺序法对机组出力进行排序。在算例仿真中，分别对不含电动汽车的10机组系统、电动汽车自由性充放电的10机组系统、电动汽车限制性充放电的10机组系统进行了机组组合仿真，通过仿真结果对比分析，验证了数学建模的合理性和求解策略的正确性，证明了电动汽车对电力系统机组组合具有积极影响。关键词：电动汽车 谐波 机组组合 粒子群算法AbstractAs Electric vehicles have the advantages of environmental protection, energy saving, clean, et

4、c., the development of electric vehicles has been a main way to solve environmental and energy issues, the using of electric vehicles will certainly lead to a complicated impact on the grid, and affect the normal operation of power system, so the study of electric vehicles on the grid operation has

5、a very important significance. This paper studies on the harmonic effect which is produced by the electric vehicle charging station to the grid and the influence of electric vehicles to the power system unit commitment, the study includes:Study the harmonic effect of the electric vehicle charging st

6、ation on the grid. firstly, the harmonic theory, analyzing the characteristics of a electric vehicle charger harmonics which are injected to the grid, the result of the analysis is that the charger mainly produces the 5,7,11,13 high harmonic, and theoretically analyzing the characteristics of harmon

7、ic which is produced by charging stations composed of more than one charger; then using the Matlab/Simulink software to establish the simulation model of a single charger and a simulation model of charging station which are composed of five chargers, and getting the results from the simulation of th

8、e simulation model, and summed up the characteristics and regular patterns of the harmonic which are produced by the charger and the charging station by the simulation result; Finally, made up a reasonable control plan of harmonic of charging station according to the analysis of simulation results.S

9、tudy the influence of charging and discharging power of electric vehicles to the power system unit commitment. Construct a mathematical model of power system unit combination that containing the electric vehicles, and solving the mathematical model by the priority list method and the improved partic

10、le swarm optimization. The improved particle swarm optimization improves the basic particle swarm optimization by adjusting heavy inertia weight and learning factor, and improve the effect of optimization of algorithm; according to particle swarm algorithm is lack of search capability in multi-dimen

11、sional spatial, using the priority list method to sequence the unit output. In the example simulation, respectively simulating the 10 generating units system excluding electric vehicles and the 10 generating units system including electric vehicles which are charged and discharged freely and the 10

12、generating units system including electric vehicles which are charged and discharged limitly, by comparing and analyzing the simulation results, verifying the rationality of the mathematical model and the correctness of the solving strategy, and proving the positive impact which is made by electric

13、vehicles to the power system unit commitment.Key Words: Electric Vehicles; Harmonic; Unit Commitment; PSO Optimization目录摘要iAbstractii第一章 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 电动汽车发展现状31.2.1 国内电动汽车发展现状31.2.2 国外电动汽车发展现状41.2.3 电动汽车充电站发展现状41.3 电动汽车接入对电网运行的影响研究现状61.3.1国外研究现状61.3.2国内研究现状71.4 本文主要的研究工作7第二章 电动汽车充电站接入对电网的谐波影

14、响92.1 谐波对电力系统的影响92.2 电动汽车接入对电网的谐波影响理论分析102.2.1 谐波分析102.2.2 电动汽车充电机谐波理论分析112.2.3 电动汽车充电站谐波理论分析142.3 充电站仿真分析152.3.1 仿真软件选择152.3.2 单台充电机仿真模型152.3.3 单台充电机谐波仿真结果分析192.3.4充电站仿真模型232.3.5 充电站谐波仿真结果分析242.4充电站谐波抑制措施302.5 本章小结31第三章 电动汽车接入对电力系统机组组合的影响323.1 含电动汽车的电力系统机组组合数学模型323.1.1 目标函数323.1.2约束条件343.2 含电动汽车的电力

15、系统机组组合数学模型的求解策略363.2.1 粒子群优化算法基本原理363.2.2 粒子群算法流程373.2.3 改进粒子群算法383.2.4 电力系统机组组合的控制策略393.2.5 含电动汽车的机组组合模型的算法步骤413.3 算例仿真分析413.3.1 仿真算例参数423.3.2仿真结果433.3.3 结果分析473.4 本章小结48第四章 总结与展望504.1 总结504.2 展望51参考文献52作者简历57致谢58学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明59第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题研究背景和意义随着人民生活水平的不断提高，人们对能源问题和环境问题的关注也在不断提高，空

16、气污染是环境污染中特别重要的一个部分，空气污染不仅会危害人类的身体健康，还会影响植物的生长、改变地球的气候，给人类的日常生活带来非常严重的不利影响。空气污染物主要包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、粒子状污染物等几个部分，他们主要来源于工业生产、人类的日常生活、交通运输及自然灾害等。影响空气质量的因素中比较严重是机动车运行时排放的汽车尾气，机动车行驶过程中不仅向大气排放一氧化碳、氮氧化物、烟尘颗粒等污染物，还加重了石油的消耗，使能源问题变得更加严重1。2012年2月，国务院颁布新的环境空气质量标准，标准增加了细颗粒物监测指标，即PM2.5值监测，在这一年的监测结果中可以看出，我国部分城市的PM2

17、.5较高，表明这些城市的空气污染也较严重，有些城市已达到中度污染甚至重度污染的地步。空气质量变差对我国居民的日常生活和工作造成严重的影响，增大了居民的恐惧感。从可持续发展角度看，要解决日趋严重的空气污染和能源危机，交通运输业需要向着环保、清洁、节能的方向发展。电动汽车（Electric Vehicle，简称EV）以电动机代替燃油机，即汽车运行过程中的动力来源于电能，因此在行驶过程中不会消耗石油和排放汽车尾气，电动汽车还具有噪声低、能源效率高、电能来源多元化、结构简单维修方便等优点，因此大力发展电动汽车将会对紧张的能源和环境问题的起到一定的缓解2-3。电动汽车（Electric Vehicle，

18、 EV）可以分为纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和燃料电池汽车（Fuel Cell Electrical Vehicle，FCEV）三种类型。纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）的驱动电能来源于车载可充电蓄电池等储能设备；混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）的动力来源可以来源于可消耗的燃料，也可以来源于车载可充电蓄电池等储能设备；燃料电池汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是使用燃料电池中的氢

19、气和空气中的氧气在催化剂的作用下经电化学反应产生的电能作为主要动力。电动汽车的性能主要由电池可以提供多大动力及持续时间决定，随着电动汽车技术的进步，有些电动汽车的性能和经济性比较接近燃油汽车的性能，未来电动汽车将在全球范围内得到大范围推广，电动汽车取代燃油汽车也成为业界共识，我国已将发展电动汽车作为新能源汽车战略的主要发展方向4-6。电动汽车组成装置包括：电池、驱动电动机、电动机调速控制系统、传动装置等机械装置和完成既定任务的工作装置等，其中电动汽车与燃油汽车的最大区别是电力驱动和控制系统，而且电动汽车优点明显 7 ：a) 环境污染小电动汽车最突出的优点是在行驶过程中不会产生汽车尾气，对大气造

20、是无污染的。电动汽车依靠电能驱动，而地球上像水能、风能、太阳能、核能、潮汐能等类型的新能源都可以转化为电能，如果使用这些电能作为电动汽车的动力来源，电动汽车在行驶时就不存在污染问题；即使电动汽车使用来源于火电厂的电能，因为电动汽车的能量利用率高于燃油汽车，所以使用电动汽车还是降低了环境污染；如果利用电动汽车实现削峰填谷，也会减少能源浪费和降低环境污染。b) 行驶过程中噪声低汽车噪声成为城市噪声污染的重要组成部分，降低噪声也成为汽车技术发展的重要环节。电动汽车使用电动机代替燃油汽车的发动机，在一定程度上降低了噪声，使得电动汽车在行驶过程中比较安静，特别适合治理城市的噪声污染。c) 能源利用率高目

21、前城市交通状况较差，道路拥挤且经常碰到红绿灯，因此车辆在行驶时会不断停车、启动，加大燃油汽车的能源消耗，向大气排放出更多尾气；假如道路上行驶的是电动汽车，汽车减速时通过电磁效应将动能转化为电能储存在电池或其他储能设备中，使电动汽车在停车过程中，不让电动机空转，大大提高了能源利用率，而且电动汽车在静止时不会消耗电能，这点是燃油汽车无法做到的，也起到节约能源的作用。d) 结构简单，维修方便，使用范围广和燃油汽车相比，电动汽车结构简单，无需更换机油、油泵、消声装置和添加冷却水，汽车运转传动部件相对较少，因此维修起来比较方便。在不通风、冬天低温场所或者高海拔缺氧等特殊环境下，电动汽车依然能够正常工作，

22、因此电动汽车的使用范围广。发展电动汽车的重要性不言而喻，我国在电动汽车推广和创新等方面已取得一定成绩。2009年初，科技部、财政部、发改委、工信部等部门联合组织启动了十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程，提供专项财政补贴，力争在2012年使新能源汽车的保有量占到汽车市场份额的12%8；在2008年北京奥运会和2010年上海世博会期间，电动汽车也成为重要的交通工具。电动汽车的推广使用在全国很多城市普及开来，城市道路上电动汽车越来越常见，电动汽车已成为城市交通运输领域不可或缺的组成部分。对于电动汽车快速发展来说，至关重要的工作则是电动汽车充电站的建设，并且做到与电动汽车其他领域的协调发展，为此

23、全国很多地方政府制定出台了相关政策来推动电动汽车充电站的建设工作，一些企业也参与到电动汽车充电站的设计建设工作。电动汽车充电站内是由充电机来完成电动汽车的充电任务的，而充电机是由整流器、直直变换器等电力电子装置构成，这就相当于在电动汽车和区域电网之间连接了电力电子设备，这必然在电动汽车的充电过程中对区域电网带来一定的不利影响，例如向供电网络注入谐波，降低供电系统的功率因数和电能质量。为了降低电动汽车充电过程中对电网造成的谐波影响，有必要对充电机和大型充电站产生的谐波影响进行研究，找到治理谐波的对策，从而保障供电系统的电能质量，满足电力用户对电能质量的要求，这是研究电动汽车充电站接入对电网造成的

24、谐波影响的意义所在。电动汽车在充放电过程中对电力系统的机组出力会产生影响，电动汽车充电时相当于负荷，会增大电力系统的负荷需求，而电动汽车放电时相当于发电机组，可以减少电力系统的负荷需求，控制电动汽车的充放电状态可以调节电网负荷，通过调节火力发电厂机组的运行状态和出力大小，使发电机组的出力满足负荷要求。调节火力发电厂机组运行状态和出力大小，使发电厂的发电成本及排放成本最小，这样既节约发电成本，又降低了对环境的影响，这就是分析电动汽车充电站接入对电力系统机组组合影响的重要意义。1.2 电动汽车发展现状1.2.1 国内电动汽车发展现状从九十年代开始，我国部分高校、汽车研究所及生产企业联合开发电充电电

25、池和纯电动汽车，开始了电动汽车部分关键技术的研发；进入“十五”，“电动汽车重大专项”被科技部列入“国家高技术研究发展计划（863计划）”，从而电动汽车的开发和研究得到国家的大力支持，政府部门联合高校、企业和科研机构，重点进行新一代电动汽车的科技创新，“电动汽车重大专项”提出“三纵三横”研究开发布局，“三纵”就是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车，“三横”就是多能源动力总成控制系统、电机驱动系统、电池及电池管理系统，“十五”电动汽车重大科技专项取得的成绩，使我国成功地走出了电动汽车实现产业化的第一步；步入“十一五”，“节能与新能源汽车重大项目”又被列入“863”计划，使得我国基本形成了完整的

26、新能源汽车研发示范布局，使我国在“十二五”期间基本可以实现电动汽车产业化的目标9-11。在2007年，国家科技部将“新型洁净能源汽车”列入国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年），电动汽车的开发也被列入国家“十二五”科学和技术发展规划，为加快推动电动汽车的科技发展，2012年3月27日，国家科技部印发了电动汽车科技发展“十二五”专项规划，“纯电动汽车”成为我国新能源汽车技术发展的主要方向。图1.1 “十五”电动汽车重大专项“三纵三横”研发布局1.2.2 国外电动汽车发展现状在国外，石油危机和环境污染的日益严重，使世界发达国家不惜投入巨资进行研究开发电动汽车，并制定了一些相关的政

27、策、法规来推动电动汽车的发展，汽车公司也投入人力、物力和财力开发电动汽车，并推出新产品来适应市场的需求。早在20世纪70年代，日本政府就将发展电动汽车列入汽车工业的产业规划，并且制定了详细的实施计划，1991年和1996年，日本通产省分别制定了“第三届电动汽车普及计划”和电动汽车购买鼓励政策13，用于推动电动汽车的普及和应用，现在日本多款电动汽车在全球上市，在电动汽车市场拥有主导地位。美国电动汽车的研发工作起步也很早，1976年7月，美国国会通过了电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令，以立法、政府资助和财政补贴等方式推动电动汽车的发展，美国三大汽车公司和美国电力研究院于1991年签订协议

28、，成立美国先进电池合作体，研究电动汽车车用先进电池14。德国政府积极倡导电动汽车，在2009年8月19日，颁布了国家电动汽车发展计划，目标是到2020年使德国电动汽车保有量超过100万14。法国政府与法国电力公司、雪铁龙和雷诺汽车公司签署协议，共同开发和推进电动汽车，合资组建了电动汽车电池公司。其他国家和地区也开展了电动汽车的研发工作。1.2.3 电动汽车充电站发展现状建造电动汽车充电站是电动汽车普及的基础条件，为了加快电动汽车的发展，需要在全国范围内抓紧建设电动汽车充电站，国家电网公司在2009年制定和颁布了国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见，将建造电动汽车充电站作为建设智能电网的重要

29、组成部分，在全国范围内开展了电动汽车充电站的建设工作。2009年8月，国家电网公司投资建设的上海漕溪电动汽车充电站顺利完成并投入使用，这是我国第一座可以实现商业运营的电动汽车充电站；2009年12月，南方电网公司也在深圳建设了两座电动汽车充电站。国家电网公司和南方电网公司在其他城市和地区也开始建设电动汽车充电站，并陆续建设完成投入运营。充电站的主要功能是完成电动汽车电池电能的补给，充电站按功能可划分为四个子系统模块。图1.2 充电站功能系统划分图在电动汽车充电站建设如火如荼之际，国家为推动整个电动汽车产业健康快速发展，国家有关部门也在积极制定电动汽车充电的相关标准，电动汽车相关标准的统一为电动

30、汽车基础设施建设和电动汽车产业发展提供重要的技术和标准支撑，对我国电动汽车示范试点和电动汽车协调发展的促进工作具有非常重要的意义。1.3 电动汽车接入对电网运行的影响研究现状大量电动汽车接入将给电网运行带来很大影响，国内外的科研人员对电动汽车接入带来的影响做了大量的研究和探索。1.3.1国外研究现状在国外，电动汽车接入对电网运行的影响研究主要集中在以下几方面：1）电动汽车充电对输电网络的影响15-19，研究现有和规划的发电容量能否满足电动汽车充电造成的负荷增长需求。Hadley S W，Tsvetkova A基于美国能源部橡树岭实验室的竞争性调度模型，研究了由北美可靠性委员会（North Am

31、erican Reliability Council，NARC）和美国能源部的能源信息管理机构制定的13个区域2020年和2030年PHEV在电力需求、供应、电源结构、电价以及相应的排放情况等方面的潜在影响，对每个区域的2020年和2030年7种不同的场景进行分析，得出每个区域为了应对电动汽车充电带来的电力需求，都需要进行额外的电源建设或者应用需求响应；Jason W，Lincoln P基于上述场景对加州电力市场进行研究，得出电力负荷在高、低电动汽车增长方案下将分别增长2%和8%；Steven L研究了美国佛蒙特州在最优充电模式、夜间充电模式和1 d内2次充电模式等3种场景下电动汽车充电对电力

32、负荷的影响；Meyers M.K，Schneider K，Pratt R研究了美国电网对电动汽车充电的承受能力，分为24 h均可充电和12 h可充电2个场景，结果表明美国现有电网最多能够承受73%的电动汽车负荷需求；美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）根据不同插入式电动汽车发展场景研究了电动汽车负荷对6个区域电网的影响，通过模型分析表明不进行额外电力基础设施建设，这6个区域电网可以支撑50%的电动汽车充电，引起5%10%的电能需求增加。2）电动汽车充电对配电网的影响20-21，电动汽车的聚集性充电可能会导致局部地区的负荷

33、紧张；电动汽车充电时间的叠加或负荷高峰时段的充电行为将会加重配电网负担。Taylor J，Maitra A，Alexander M等人针对配电网过负荷问题建立了通用研究框架，从确定性和随机性2个方面细致分析了电动汽车充电对配网负荷平衡、电压调节、三相平衡的影响，提出了系统影响分析框架。图1.3 系统影响分析框架3）电动汽车充放电对经济调度的影响22-24。Saber A Y，Venayagamoorthy G K研究了电动汽车充放电过程对经济调度的影响，建立了可以容纳有V2G功能电动汽车的优化调度模型，使用离散型二进制粒子群算法对含电动汽车的电力系统机组组合的数学模型进行研究，但没有计及潮流约

34、束。1.3.2国内研究现状在国内，电动汽车接入对电网运行的影响研究也较多：1）电动汽车充放电对负荷曲线的影响25-26。文献25建立了电动车参与负荷平抑的数学模型，以负荷曲线的均方差最小为目标函数，在考虑电动车充放电功率及可用容量等约束条件的前提下，应用基于子向量的改进粒子群算法求解。文献26研究了电动汽车三种充放电方式对深圳电网日负荷曲线的影响。2）电动汽车充放电对经济调度的影响27-31。文献27构建了计及电动汽车和风电机组不确定性的随机经济调度模型，文献28研究了电动汽车充电的负荷特性以及不同充电方式对电网的影响，在此基础上建立了多时间尺度的电动汽车-风电协同调度数学模型。文献29构造了

35、一个可以同时计及具有V2G功能的电动汽车、风电和光伏发电系统出力不确定性的电力系统协同调度模型，以平抑可再生能源在一天中的出力波动。文献30研究了计及可入网电动汽车的电力系统机组最优组合问题。文献31研究了计及可入网电动汽车和网络安全约束的电力系统机组组合问题。3）电动汽车充电站对谐波的影响32-35。文献32建立了纯电动公交充电站谐波电流污染供电网和用电设备问题的仿真模型。文献33利用商用电动汽车充电机收集的数据对谐波电流进行计算，再利用概率统计学大数定律和中心极限定理，建立多谐波源谐波分析数学模型，研究多台电动汽车充电机同时工作产生的谐波电流及其概率特性。文献34介绍产生谐波污染的原因，并

36、指出谐波污染的危害。综上所述，从国内外研究的现状可以看出，电力汽车对电力系统的影响研究已经取得了很大的发展，而且研究方法也多种多样，各种优化算法与电动汽车优化问题的结合应用越来越多。1.4 本文主要的研究工作本课题研究电动汽车充电站接入对电网造成的影响，主要有两部分组成，第一部分是电动汽车充电站接入对电网的谐波影响，第二部分是电动汽车充电站接入对电力系统机组组合的影响。第一章：绪论部分；根据文献资料，分析目前电动汽车的发展现状和我国电动汽车充电站的建设状况，认识课题研究的重要性和必要性，制定课题的研究内容和研究方案。第二章：分析电动汽车充电站接入对电网的谐波影响；介绍谐波对电网的危害，从理论上

37、阐述充电站对电网造成的谐波污染，通过Matlab/Simulink软件构造充电机和充电站仿真平台，得出电动汽车充电过程中的谐波仿真结果，并对仿真结果进行总结，最后提出相应的谐波抑制方法。第三章：分析电动汽车充放电对电力系统机组组合的影响；构造含电动汽车充电站的电力系统机组组合数学模型，采用改进粒子群和优先顺序法对数学模型进行求解。对含电动汽车的电力系统机组组合和不含电动汽车的电力系统机组组合分别进行仿真计算，计算结果中包括各机组出力、电动汽车充放电状况、发电总成本、排放总量及二者之和，通过分析仿真结果，得出电动汽车对电力系统机组组合的影响。第四章：对课题内容进行归纳总结，陈述文中所得结论，也对

38、研究不足进行总结，展望未来的课题和后续工作。59第二章 电动汽车充电站接入对电网的谐波影响第二章 电动汽车充电站接入对电网的谐波影响 本章主要研究充电站为电动汽车车用电池充电时产生的谐波对电力系统造成的影响，这是因为电动汽车充电站中的充电机是由整流器、直直变换器等电力电子装置组成的，这些电力电子装置在整流和变换过程中会向电网注入谐波，对电网会造成一定的谐波污染，降低电网的电能质量，因此十分必要研究电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波影响。本章最初介绍谐波给电网带来的影响，然后进行充电机充电过程中向电网注入谐波的理论分析，再利用Matlab/Simulink仿真工具建立单台充电机和五台充电机的仿

39、真模型，使用快速傅里叶变换模块（FFT）对电流进行谐波分析，将仿真数据与理论分析相对比得出结论，最后根据充电站产生谐波的性质，提出相应的谐波治理措施。2.1 谐波对电力系统的影响在理想电网中，电流和电压都是正弦，但是由于谐波电压和谐波电流的出现和注入，使得公用电网并没有那么理想，电压和电流均出现了畸变，这必然会引起各种故障和事故的发生，谐波污染的严重性已得到人们的高度重视，因此需要分析谐波对电力系统的危害。谐波对电力系统的影响主要有以下几点36-37：1) 谐波会增加设备（输电线路、旋转设备、电力变压器、电容器等）的附加损耗，造成电能浪费，降低设备的经济性。对输电线路而言，谐波频率是基波频率的

40、整数倍，谐波的存在将会使线路的电阻增大，谐波在集肤效应和邻近效应的作用下，增大了线路的附加损耗；旋转设备的铁心和绕组会由于谐波频率比较高而增大涡流损耗、磁滞损耗，缩短旋转设备的寿命，降低旋转设备的效率；谐波电流还会增加电力变压器的铜损、铁损和杂散损耗，降低变压器的实际使用容量，使变压器在使用过程中产生的噪声增大；谐波增大了电容器的损耗系数，增大了电容器的附加损耗。2) 谐波对设备（输电线路、旋转设备、电容器）造成的损坏，引发供电事故的发生。谐波使输电线路的损耗增大，导体的发热加重，加剧输电线路的绝缘老化，而且谐波容易在线路中形成谐振，产生过电压或过电流，导线会承受很大的电动力，严重时导致导体变

41、形甚至损坏；旋转设备中存在共振的可能性，当谐波频率和机械频率重合发生谐振后，增大了旋转设备的机械应力，严重时造成旋转设备损坏；当谐波电压加在电容器两端之后，谐波能够导致电感和电容发生谐振，使谐波被放大，增大电容器流过的电流，使电容器的温度升高甚至达到不允许的地步引起爆炸，缩短了电容器的使用寿命。3) 谐波引起自动装置和继电保护装置拒动或者误动，降低装置的选择性和可靠性，严重时将威胁电网的安全稳定运行，造成大面积停电事故。自动装置和继电保护装置的整定值小、灵敏度高，当谐波注入电网后，引起系统谐振，使电网谐波电压升高，引发系统故障，造成自动装置和继电保护装置误动；在输电线路中广泛采用电力线载波纵联

42、保护，谐波通过电磁耦合在电力线路上产生干扰电压，从而影响电力载波通信的正常工作，使继电保护装置的闭锁设备无法工作，从而无法判断是否动作，这必然造成继电保护装置动作失误。4) 谐波降低通信质量，产生噪声干扰，甚至使通信系统无法正常工作。电力线路流过奇次谐波后，通过电磁耦合在邻近的通信线路上产生干扰电压，从而影响通信系统的正常工作，降低通话质量，谐波还会和基波共同作用，产生电磁噪声，降低通话清晰度，通信质量的降低还会进一步影响电网运行的安全性。5) 谐波对计量仪表和用电设备的影响。谐波会加大计量仪表的误差，使仪表指针指示不准确，使用户的用电量增多，造成用户多缴纳电费；谐波还会使计算机等设备的画面、

43、亮度变得模糊，影响显像设备的影像质量，造成元件发热增加，使元件老化加剧，使设备的使用寿命严重缩短。6) 降低电网的电能质量，影响电网的安全运行。电能质量由电压质量、频率质量和畸变率三部分组成，畸变率是通过计算基波和谐波的比例得来的，谐波含量越高，畸变率越高，畸变率过高将使电网的安全运行能力严重降低。世界各国和组织都对谐波问题进行了认真的研究，多次召开有关谐波问题的国际学术会议，制定相关标准等，目的是降低谐波造成的危害。我国从1985年起，也开始起草制定谐波国家标准GB/T14549-93电能质量公用电网谐波，并于1994年3月起实施，标准规定所有负荷接入电网之前都必须满足谐波要求。2.2 电动

44、汽车接入对电网的谐波影响理论分析2.2.1 谐波分析谐波是指对周期性非正弦量进行傅里叶级数分解而得到除了频率与工频分量相同之外的其他分量，把一个复杂的周期函数看成是许多不同频率的周期函数的叠加。对于周期为的非正线电压，可以进行傅里叶级数分解，得到一个收敛的无穷三角函数（即傅里叶级数）：， 2-(1)式中：， 2-(2)其中常数项称为的直流分量；称为一次谐波（又称基波分量），其频率与原函数的频率相同；，依次称为二次谐波，三次谐波，n次谐波幅值为，n次谐波角频率为，n次谐波相位角为。n次谐波含有率（Harmonic Ratio for ）为， 2-(3)电流谐波含量为， 2-(4)谐波总畸变率（T

45、otal Harmonic Distortion）为， 2-(5)式中：为基波电流幅值，为n次谐波电流幅值。2.2.2 电动汽车充电机谐波理论分析目前使用的电动汽车充电机一般是高频充电机，高频充电机结构框图如图2.1所示，这种充电机由三相不可控整流环节、滤波环节和DC/DC变换环节（有高频变压器）等构成38-39，充电机由三相不可控整流装置对输入的交流电进行整流，输出的直流电滤波后再经过高频DC/DC功率变换单元进行直直变换，最后经过输出滤波环节后，为电动汽车动力蓄电池提供充电电源。图2.1 高频充电机结构框图设电网电压分别为：；2-(6)以、和表示整流装置中二极管的开关函数，其中表达式和傅里

46、叶级数表达式为：， 2-(7)当分别以和代替式中的时，即可分别得到和的傅里叶级数表达式： ， 2-(8)， 2-(9)由此可得整流装置输出电压为：， 2-(10)其中，、为整流装置输出电压的直流分量和谐波分量。将式2-(6)、2-(7)、2-(8)和2-(9)代入式2-(10)中，可得：， 2-(11)整流装置直流侧电流可以表示为：， 2-(12)其中，、分别为直流阻抗和n次谐波阻抗，且，。将式2-(7)、2-(8)、2-(9)、和式2-(11)代入2-(12)中，可得：， 2-(13)系统为三相平衡系统，充电机的a、b、c三相电流波形为正负半周各宽、前沿相差且相位依次相差的矩形波，其有效值为

47、：，其中为整流装置直流侧电流。对a相电流进行傅里叶级数分解得：， 2-(14)从上述分析，可以看出交流侧谐波主要有以下特点：1) 经过高频充电机的整流器对交流电进行整流输出后，整流装置主要产生5、7、11、13等次谐波，即交流电的充电电流波形主要是由基波和次谐波构成的；2) 随着谐波次数的升高，整流器交流侧谐波电流的幅值逐渐降低，因此在谐波之中幅值最大的是5次谐波，其次是7次谐波，再次是11次谐波，即随着谐波次数中k的增大，幅值减小；3) a、b、c三相电流的基波电流和谐波电流的有效值与a、b、c三相电压有效值U、滤波电路的电感、电容和充电电池的等效输入阻抗有关。4) 基波和各次谐波的有效值之间的关系会随着负载和滤波电感的变化而变化，谐波有效值与负载和滤波电感是负增长关系。2.2.3 电动汽车充电站谐波理论分析