電動(dòng)汽車充電設(shè)備計(jì)量準(zhǔn)確性探析

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摘要：針對(duì)不同充電模式和方法下的動(dòng)態(tài)特性對(duì)計(jì)量產(chǎn)生的影響問(wèn)題，以分析電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)影響因素、改進(jìn)電動(dòng)汽車充電計(jì)量準(zhǔn)確度，研究電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)計(jì)量的影響因素以及電動(dòng)汽車高速充電沖擊性負(fù)荷的特性，提出針對(duì)電動(dòng)汽車充電諧波計(jì)量和沖擊負(fù)荷計(jì)量的方法，通過(guò)仿真分析進(jìn)行了驗(yàn)證，小波變換計(jì)量的基波和諧波的精度較FFT算法低，但對(duì)非穩(wěn)態(tài)波（三角形沖擊波）的計(jì)量精度較FFT算法更高。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電；電能計(jì)量；FFT

0引言

電動(dòng)汽車是以低碳環(huán)保技術(shù)推動(dòng)節(jié)能減排的重要著力點(diǎn)之一，在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中占據(jù)重要位置，愈加受到關(guān)注和重視。近年來(lái)，依靠國(guó)家政策扶持和先進(jìn)技術(shù)支撐，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)儲(chǔ)備得到大幅提升。在可見(jiàn)的未來(lái)，電動(dòng)汽車的推廣程度將越來(lái)越廣泛，因此，對(duì)電動(dòng)汽車充電特性的研究必不可少。電動(dòng)汽車充電特性對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響密不可分，也將深刻改變電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行。按照現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可將電動(dòng)汽車充電分為三種，分別是慢充、常規(guī)充電和快充[1]，根據(jù)充電模式的不同，其充電負(fù)荷特性也不相同。電動(dòng)汽車蓄電池充電屬非線性負(fù)載，充電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波，諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，引起線路或變壓器附加損耗增加和發(fā)熱，造成系統(tǒng)的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波進(jìn)一步放大。另外，當(dāng)電動(dòng)汽車采用大電流快速充電時(shí)，會(huì)形成20～120A的大電流，這可能會(huì)造成電網(wǎng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生大量非穩(wěn)態(tài)波，并且過(guò)分密集的集中充電可能導(dǎo)致充電站瞬時(shí)負(fù)荷過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力、載荷能力以及電源容量均造成考驗(yàn)。在快速充電模式下，充電站會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊性負(fù)荷，其對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在使波形畸變嚴(yán)重、無(wú)規(guī)律，可能造成不同周期內(nèi)的波形存在幅值、相位和頻率的波動(dòng)。功率的迅速變化，容易造成系統(tǒng)電壓閃變，使電壓波形出現(xiàn)凹陷或突出。所以，沖擊性負(fù)荷也給電能計(jì)量表計(jì)量誤差帶來(lái)很大的隨機(jī)性[2]。

1快速傅里葉變換算法

目前諧波計(jì)量方式多是采用含有諧波的離散積分算法，通過(guò)這種積分算法計(jì)算出來(lái)的總有功功率是基波功率和各同次諧波功率以及不同次諧波電流電壓之間產(chǎn)生的功率的和。通過(guò)理論分析，這種整周期的積分計(jì)算，各不同次諧波之間產(chǎn)生的功率在一個(gè)周期內(nèi)平均功率為零，積分算法的總功率包括基波功率和同次諧波功率，它無(wú)法分離出諧波功率及其正負(fù)[3]。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中的電壓、電流信號(hào)包含有多次諧波分量，且基波頻率會(huì)發(fā)生漂移。快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）算法采用頻譜分析，檢測(cè)出諧波分量，具有響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)處理能力高、計(jì)算精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是因信號(hào)截?cái)嗪头峭讲蓸?、非整周期采樣使得FFT算法存在頻譜泄漏。為了減小頻譜泄漏，可采用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)來(lái)減小信號(hào)截?cái)嘁鸬念l譜泄漏誤差，但同時(shí)也增加了計(jì)算量，或者采用插值算法對(duì)FFT運(yùn)算結(jié)果（幅值、相位）進(jìn)行修正，減小柵欄效應(yīng)導(dǎo)致的峰值觀測(cè)點(diǎn)上的偏差。通過(guò)對(duì)FFT算法進(jìn)行修正，提高諧波檢測(cè)的精度。對(duì)一任意函數(shù)f（t），可讓f（t）進(jìn)行傅里葉變換的條件有且只有狄里赫利（Dirichlet）條件滿足且絕對(duì)可積。換一個(gè)說(shuō)法理解，就是傅里葉變換可以一個(gè)波形分解成很多個(gè)不同頻率的正弦波，然后在把這些正弦波進(jìn)行疊加就得到原波形。數(shù)學(xué)理論上可用下公式表示：（1）式中：f（t）是給定的，f贊（姿）是f（t）的傅里葉變換。周期為T的信號(hào)x（t）用周期函數(shù)表示為：該周期函數(shù)的頻率為，角頻率為，滿足狄里赫利條件可分解為如下的傅立葉級(jí)數(shù)：（3）式中，a0為直流分量，an為n次諧波的余弦項(xiàng)系數(shù)，bn為n次諧波的正弦項(xiàng)系數(shù)。（4）根據(jù)歐拉定理將式（3）轉(zhuǎn)為：（5）把n擴(kuò)大后，傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)數(shù)形式為：（6）式中，傅里葉系數(shù)X（n棕0）為：（7）式（7）也由可復(fù)數(shù)積分得到：（8）通過(guò)無(wú)窮大的伸展信號(hào)的周期T后，使得諧波頻率的間隔棕0也無(wú)窮接近于0，式（8）中信號(hào)x（t）的頻譜密度函數(shù)就是傅里葉系數(shù)，它是一個(gè)頻率為棕的連續(xù)函數(shù)。即（9）式中，而這時(shí)的時(shí)域信號(hào)x（t）換做來(lái)表示：（10）由式（9）和式（10）可以看出，通過(guò)傅里葉變換以后，時(shí)域內(nèi)的連續(xù)函數(shù)變換成頻域內(nèi)的非周期頻譜，對(duì)應(yīng)的反變換也是成立的，把時(shí)域內(nèi)的非周期函數(shù)變換成頻域內(nèi)連續(xù)的譜密度函數(shù)，這兩個(gè)公式即為連續(xù)時(shí)間非周期信號(hào)的傅里葉變換對(duì)。

2修正小波算法

小波變換采用時(shí)間尺度分析方法，具有時(shí)域和頻域局部化、方向選擇性、可變的時(shí)頻域分辨率的特點(diǎn)，克服了FFT方法會(huì)把局部信號(hào)在整個(gè)域里平滑掉的缺點(diǎn)，能反映信號(hào)的細(xì)節(jié)特征[4]。對(duì)于電力諧波信號(hào)f（t），將其分解為低頻特征的逼近信號(hào)和高頻特征的細(xì)節(jié)信號(hào)。將f（t）按照如下公式進(jìn)行j尺度分解：（11）式中，漬（*）為尺度空間函數(shù)；鬃（*）為小波母函數(shù)；為尺度上的投影，實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)低頻部分的分解；為小波空間上的投影，實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)高頻部分的分解[6]。多分辨率分解劃分每一層的頻帶，可獲得逼近參數(shù)與局部特征參數(shù)分別為：（12）（13）式中，cj，k為j尺度上的逼近參數(shù)，dj，k為j小波空間上的局部特征參數(shù)；k為諧波序號(hào)；鬃a，子（*）為小波基函數(shù)，a為尺度因子，子為平移因子；m為尺度離散化的冪級(jí)數(shù)；h（*）為尺度空間濾波函數(shù)，體現(xiàn)信號(hào)低通特性；g（*）為小波空間濾波函數(shù)，體現(xiàn)信號(hào)高通特性。小波變換算法流程圖如圖1。

3電動(dòng)汽車充電樁充電電能計(jì)量

電動(dòng)汽車直流充電和交流充電最大的不同便在于前者的基波頻率為0Hz，但由于充電環(huán)境較為復(fù)雜，例如大規(guī)模集中充電，在通常伴有一次函數(shù)和二次函數(shù)類型的信號(hào)。通過(guò)驗(yàn)算和實(shí)驗(yàn)分析：小波變換從復(fù)雜信號(hào)分解重構(gòu)得到的直流分量精確度比FFT算法更高，所以在直流分量和非穩(wěn)態(tài)信號(hào)電能的計(jì)量采用小波變換，穩(wěn)態(tài)信號(hào)的電能計(jì)算采用FFT算法，最后將基波、紋波、非穩(wěn)態(tài)諧波電能累計(jì)相加，得到最終的總電能。動(dòng)汽車直流充電中基于傅里葉變換與修正小波算法的改進(jìn)型全波計(jì)量算法流程選取311V電壓（有效值220V，為交流充電的常用電壓），22A電流（有效值16A，為交流充電的常用電流）電流采樣頻率fs＝6400Hz，電壓和電流的基波頻率均為f0=50Hz，考慮含有基波、3次諧波、7次諧波以及非穩(wěn)態(tài)諧波的情況，選取分析小波db40、5層小波變換對(duì)諧波電能計(jì)量仿真。設(shè)電壓電流信號(hào)如下：u（t）=311sin（2π×50t）+68sin（2π×150t）+20sin（2π×350t）（14）i（t）=22sin（2π×50t）+2.8sin（2π×150t）+0.9sin（2π×350t）（15）在電壓和電流信號(hào)內(nèi)分別加入電壓沖擊型非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，其中T為基波周期。圖3為原始電壓的各次信號(hào)波形圖，三次諧波，五次諧波，非穩(wěn)態(tài)諧波和綜合信號(hào)。小波算法分析各次電壓和電流信號(hào)的重構(gòu)波形如圖4所示。由圖2可知，在諧波次數(shù)比較低的情況下，對(duì)電動(dòng)汽車交流充電信號(hào)進(jìn)行分解、計(jì)算。小波變換計(jì)量的基波和諧波的精度較FFT算法低，但對(duì)非穩(wěn)態(tài)波（三角形沖擊波）的計(jì)量精度較FFT算法更高。就總值而言，由于側(cè)重的時(shí)域不同，單獨(dú)使用FFT和小波變換，誤差反而大于直接積分，但改進(jìn)型全波電能計(jì)量算法的精度是最高的，這對(duì)后期的算法改進(jìn)有指導(dǎo)作用。

4結(jié)論

通過(guò)采集電動(dòng)汽車充電實(shí)際數(shù)據(jù)，分析了充電曲線包含的各個(gè)成分，通過(guò)分析電動(dòng)汽車充電計(jì)量的誤差特性，找到現(xiàn)有算法的不足，在FFT算法的基礎(chǔ)上，利用小波變換進(jìn)行修正，通過(guò)仿真分析進(jìn)行了驗(yàn)證，小波變換計(jì)量的基波和諧波的精度較FFT算法低，但對(duì)非穩(wěn)態(tài)波（三角形沖擊波）的計(jì)量精度較FFT算法更高。

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[2]盧艷霞，張秀敏，蒲孝文．電動(dòng)汽車充電站諧波分析[J]．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006，18（3）：51-54．

[3]黃梅，黃少芳．電動(dòng)汽車充電機(jī)諧波的工程計(jì)算方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（20）：20-23．

[4]李紅延，周云龍，田峰，等.一種新的小波閾值函數(shù)去噪算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2015，36（10）：2200-2206.

作者:趙巖 單位:國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司