本發(fā)明屬于充電機(jī)仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮隨機(jī)特性的充電機(jī)諧波特性分析仿真方法。

背景技術(shù)：

電動汽車充電離不開充電機(jī)，而充電機(jī)是由大量電力電子設(shè)備構(gòu)成的非線性設(shè)備，其運(yùn)行時勢必會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。隨著電動汽車的普及應(yīng)用，大規(guī)模電動汽車充電機(jī)或充電站工作時的諧波對用電設(shè)備、電能質(zhì)量、變壓器等產(chǎn)生的影響和危害不容忽視。

充電機(jī)是充電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，主要功率轉(zhuǎn)換單元和充電控制單元組成。隨著高頻電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型充電機(jī)層出不窮，而由大量電力電子器件組成的充電機(jī)是典型的非線性設(shè)備，勢必會對電網(wǎng)造成諧波污染。

其中，充電機(jī)的諧波電流幅值大小與充電機(jī)的類型、運(yùn)行方式及負(fù)載變化有關(guān)。其中，運(yùn)行方式包括充電機(jī)充電時間因素。目前，對于集中式、采用常規(guī)充電方式的大型充電設(shè)施，由多臺充電機(jī)并聯(lián)組成，當(dāng)前缺少研究具有隨機(jī)特性的大規(guī)模電動汽車充電的諧波特性分析，也未考慮充電機(jī)充電時間的隨機(jī)性對充電機(jī)諧波特性的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種考慮隨機(jī)特性的充電機(jī)諧波特性分析仿真方法。該方法考慮了充電機(jī)充電時間的隨機(jī)性，適用于大規(guī)模電動汽車充電的諧波特性分析，得到充電機(jī)的相應(yīng)諧波特性，有利于指導(dǎo)充電機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程，能夠有效抑制諧波電流。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種考慮隨機(jī)特性的充電機(jī)諧波特性分析仿真方法，所述充電機(jī)設(shè)置于充電站內(nèi)，該仿真方法具體包括：

步驟(1)：根據(jù)充電者的充電行為隨機(jī)概率性來預(yù)測充電機(jī)投入情況，所述充電機(jī)投入情況包括每臺充電具體的投入時刻和每段時間內(nèi)投入充電的總數(shù)；

步驟(2)：根據(jù)充電機(jī)的充電參數(shù)，配置充電機(jī)相應(yīng)參數(shù)，在仿真軟件中構(gòu)建出充電機(jī)模型；根據(jù)預(yù)測充電機(jī)投入情況來構(gòu)建充電機(jī)投入時間控制電路模型；所述充電參數(shù)包括充電額定電壓和充電額定電流；

步驟(3)：再根據(jù)充電機(jī)所在的實(shí)際充電站或預(yù)設(shè)充電站特性，修改充電機(jī)相應(yīng)參數(shù)，最后運(yùn)行充電機(jī)模型及充電機(jī)投入時間控制電路模型，仿真出充電機(jī)的諧波特性，進(jìn)而得到充電機(jī)的各個諧波的概率密度函數(shù)分布曲線。

進(jìn)一步的，在所述步驟(1)中，考慮分時電價以及充電者的充電行為，假設(shè)分時電價以及充電者的充電行為都是隨機(jī)變量，那么分時電價以及充電者的充電行為都服從一定的分布規(guī)律。

進(jìn)一步的，所述分布規(guī)律為泊松分布規(guī)律。其中，泊松過程是表示隨機(jī)事件發(fā)生次數(shù)的累計的隨機(jī)過程。

進(jìn)一步的，在所述步驟(1)中，將充電機(jī)投入情況作為隨機(jī)事件，假設(shè)在(s,s+t)時間段內(nèi)，出現(xiàn)充電機(jī)投入情況的次數(shù)為k次的概率為：

其中，ns+t和ns分別為在s+t和s時刻出現(xiàn)的充電機(jī)投入情況的次數(shù)；t表示時間；λ為單位時間內(nèi)充電機(jī)工作的頻率。

本發(fā)明將充電機(jī)投入情況作為隨機(jī)事件，根據(jù)充電者的充電行為服從泊松分布規(guī)律，進(jìn)而得到電動汽車充電機(jī)工作的隨機(jī)分布特性。

進(jìn)一步的，在所述步驟(2)中，利用pscad中的自定義元件建立充電機(jī)模型。

pscad采用時域分析求解完整的電力系統(tǒng)及微分方程(包括電磁和機(jī)電兩個系統(tǒng))，結(jié)果不僅非常精確。更值得一提的是它允許用戶在一個完備的圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型，進(jìn)行仿真分析，用戶在仿真的同時，可以改變控制參數(shù)，從而直觀地看到各種測量結(jié)果和參數(shù)曲線，極大地方便用戶提高仿真的樂趣和效率。pscad里面提供豐富的元件庫，從簡單的無源元件到復(fù)雜的控制模塊，以致電機(jī)、facts裝置、電纜線路等模型都有涵蓋。

其中，在所述步驟(2)中，充電機(jī)投入時間控制電路模型為斷路器控制電路，包括邏輯與非器件，所述邏輯與非器件的輸入端與充電電流判斷模塊和充電機(jī)投入時刻判斷模塊分別相連；

所述充電電流判斷模塊包括第一比較器，所述第一比較器的第一輸入端和第二輸入端分別與充電電流信號采集電路和電流閾值輸入電路相連，第一比較電路將接收到信號進(jìn)行比較并輸出高電平信號或低電平信號至邏輯與非器件；

所述充電機(jī)投入時刻判斷模塊包括第二比較器，所述第二比較器的第一輸入端和第二輸入端分別與充電機(jī)投入時刻脈沖信號輸入電路和投入時刻閾值脈沖信號輸入電路相連，第二比較電路將接收到信號進(jìn)行比較并輸出高電平信號或低電平信號至邏輯與非器件；所述邏輯與非器件對接收的信號進(jìn)行邏輯處理，輸出觸發(fā)信號來控制斷路器的開閉。

本發(fā)明采用邏輯控制電路結(jié)構(gòu)簡單可靠且硬件配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可有效實(shí)現(xiàn)對充電機(jī)主要參數(shù)的采集和控制，并通過斷路器的通斷控制充電機(jī)投運(yùn)。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，充電機(jī)的諧波特性表現(xiàn)為：諧波電流幅值隨著諧波次數(shù)的增加而減小。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，充電機(jī)的諧波特性還表現(xiàn)為：電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波特性與諧波次數(shù)相關(guān)，次數(shù)越大，方差越小，并且在均值附近的該次諧波電流的概率密度愈大。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，充電機(jī)的諧波特性還表現(xiàn)為：隨著同一時間段內(nèi)接入電網(wǎng)的充電機(jī)臺數(shù)逐漸增多，諧波電流增加幅度也逐漸加大。

進(jìn)一步的，在所述步驟(3)中，當(dāng)充電站中包括多個充電機(jī)時，那么充電機(jī)之間相互獨(dú)立。

進(jìn)一步的，在相同的充電技術(shù)條件下工作，每個充電機(jī)的各個諧波電流也是相互獨(dú)立的。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)該方法考慮了充電機(jī)充電時間的隨機(jī)性，適用于大規(guī)模電動汽車充電的諧波特性分析，得到充電機(jī)的相應(yīng)諧波特性，有利于指導(dǎo)充電機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程，可調(diào)整充電機(jī)的投入時間，擴(kuò)大投入時間間隔，降低同時在線充電機(jī)臺數(shù)，可有效抑制諧波電流。

(2)本發(fā)明將充電機(jī)投入情況作為隨機(jī)事件，根據(jù)充電者的充電行為服從泊松分布規(guī)律，進(jìn)而得到電動汽車充電機(jī)工作的隨機(jī)分布特性。

(3)根據(jù)充電機(jī)所在的實(shí)際充電站或預(yù)設(shè)充電站特性，修改充電機(jī)相應(yīng)參數(shù)，最后運(yùn)行充電機(jī)模型，仿真出充電機(jī)的諧波特性，進(jìn)而得到充電機(jī)的各個諧波的概率密度函數(shù)分布曲線，能夠更加直觀地觀察到充電機(jī)的諧波特性，其表現(xiàn)為：諧波電流幅值隨著諧波次數(shù)的增加而減小；電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波特性與諧波次數(shù)相關(guān)，次數(shù)越大，方差越小，并且在均值附近的該次諧波電流的概率密度愈大；隨著同一時間段內(nèi)接入電網(wǎng)的充電機(jī)臺數(shù)逐漸增多，諧波電流增加幅度也逐漸加大。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1是考慮隨機(jī)特性的充電機(jī)諧波特性分析仿真方法的流程圖；

圖2是各次諧波的概率密度函數(shù)分布曲線；

圖3是各時段充電機(jī)投入的臺數(shù)和電池的初始容量；

圖4是考慮隨機(jī)特性的60臺充電機(jī)諧波特性分布圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

圖1是考慮隨機(jī)特性的充電機(jī)諧波特性分析仿真方法的流程圖。

如圖1所示，本發(fā)明的考慮隨機(jī)特性的充電機(jī)諧波特性分析仿真方法，所述充電機(jī)設(shè)置于充電站內(nèi)，該仿真方法具體包括：

步驟(1)：根據(jù)充電者的充電行為隨機(jī)概率性來預(yù)測充電機(jī)投入情況，所述充電機(jī)投入情況包括每臺充電具體的投入時刻和每段時間內(nèi)投入充電的總數(shù)。

在所述步驟(1)中，考慮分時電價以及充電者的充電行為，假設(shè)分時電價以及充電者的充電行為都是隨機(jī)變量，那么分時電價以及充電者的充電行為都服從一定的分布規(guī)律。

其中，分布規(guī)律為泊松分布規(guī)律。其中，泊松過程是表示隨機(jī)事件發(fā)生次數(shù)的累計的隨機(jī)過程。

在所述步驟(1)中，將充電機(jī)投入情況作為隨機(jī)事件，假設(shè)在(s,s+t)時間段內(nèi)，出現(xiàn)充電機(jī)投入情況的次數(shù)為k次的概率為：

其中，ns+t和ns分別為在s+t和s時刻出現(xiàn)的充電機(jī)投入情況的次數(shù)；t表示時間；λ為單位時間內(nèi)充電機(jī)工作的頻率。

本發(fā)明將充電機(jī)投入情況作為隨機(jī)事件，根據(jù)充電者的充電行為服從泊松分布規(guī)律，進(jìn)而得到電動汽車充電機(jī)工作的隨機(jī)分布特性。

步驟(2)：根據(jù)充電機(jī)的充電參數(shù)，配置充電機(jī)相應(yīng)參數(shù)，在仿真軟件中構(gòu)建出充電機(jī)模型；根據(jù)預(yù)測充電機(jī)投入情況來構(gòu)建充電機(jī)投入時間控制電路模型；所述充電參數(shù)包括充電額定電壓和充電額定電流。

在所述步驟(2)中，利用pscad中的自定義元件建立充電機(jī)模型。

pscad采用時域分析求解完整的電力系統(tǒng)及微分方程(包括電磁和機(jī)電兩個系統(tǒng))，結(jié)果不僅非常精確。更值得一提的是它允許用戶在一個完備的圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型，進(jìn)行仿真分析，用戶在仿真的同時，可以改變控制參數(shù)，從而直觀地看到各種測量結(jié)果和參數(shù)曲線，極大地方便用戶提高仿真的樂趣和效率。pscad里面提供豐富的元件庫，從簡單的無源元件到復(fù)雜的控制模塊，以致電機(jī)、facts裝置、電纜線路等模型都有涵蓋。

其中，在所述步驟(2)中，充電機(jī)投入時間控制電路模型為斷路器控制電路，包括邏輯與非器件，所述邏輯與非器件的輸入端與充電電流判斷模塊和充電機(jī)投入時刻判斷模塊分別相連；

所述充電電流判斷模塊包括第一比較器，所述第一比較器的第一輸入端和第二輸入端分別與充電電流信號采集電路和電流閾值輸入電路相連，第一比較電路將接收到信號進(jìn)行比較并輸出高電平信號或低電平信號至邏輯與非器件；

所述充電機(jī)投入時刻判斷模塊包括第二比較器，所述第二比較器的第一輸入端和第二輸入端分別與充電機(jī)投入時刻脈沖信號輸入電路和投入時刻閾值脈沖信號輸入電路相連，第二比較電路將接收到信號進(jìn)行比較并輸出高電平信號或低電平信號至邏輯與非器件；所述邏輯與非器件對接收的信號進(jìn)行邏輯處理，輸出觸發(fā)信號來控制斷路器的開閉。

本發(fā)明采用邏輯控制電路結(jié)構(gòu)簡單可靠且硬件配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可有效實(shí)現(xiàn)對充電機(jī)主要參數(shù)的采集和控制，并通過斷路器的通斷控制充電機(jī)投運(yùn)。

步驟(3)：再根據(jù)充電機(jī)所在的實(shí)際充電站或預(yù)設(shè)充電站特性，修改充電機(jī)相應(yīng)參數(shù)，最后運(yùn)行充電機(jī)模型及充電機(jī)投入時間控制電路模型，仿真出充電機(jī)的諧波特性，進(jìn)而得到充電機(jī)的各個諧波的概率密度函數(shù)分布曲線。

一次側(cè)電流其諧波電流可以用向量形式表達(dá)，隨著功率變化諧波電流的向量也發(fā)生變化，得出諧波向量隨功率變化的曲線，使用多項式曲線擬合方進(jìn)行擬合，得到總諧波電流的向量表達(dá)形式。

假設(shè)定義xh和yh為一個充電機(jī)工作時h次諧波電流向量表達(dá)式中的實(shí)部和虛部，分別是以功率p作為自變量。設(shè)有n個隨機(jī)變量以ik表示，其中k＝1，2，3，…，n，則

ik＝xh,k+jyh,k(k＝1，2，3，…，n)

在日常生活中，電動汽車到達(dá)充電站的時間基本是隨機(jī)的，充電時間也是隨機(jī)的。該分布規(guī)律與分時電價以及居民充電的日常行為方式有關(guān)。由于電動汽車行駛里程基本滿足正態(tài)分布，充電時間也基本符合正態(tài)分布。一定規(guī)模集聚的電動汽車集中充電時產(chǎn)生的諧波時，可以采用概率統(tǒng)計的方法進(jìn)行分析。

假設(shè)充電站有n個充電機(jī)，它們相互獨(dú)立，在相同的充電技術(shù)條件下工作，諧波電流ik(k＝1，2，3，…，n)是相互獨(dú)立的。當(dāng)電動汽車集中充電的規(guī)模很大時，根據(jù)概率統(tǒng)計學(xué)大數(shù)定律和中心極限定理，xh和yh的分布服從正態(tài)分布。

式中：

xh和yh的聯(lián)合分布密度函數(shù)為：

其中，

cov(xh,yh)為xh和yh的協(xié)方差，對于獨(dú)立隨機(jī)變量的和的協(xié)方差等于相對應(yīng)的獨(dú)立隨機(jī)變量的協(xié)方差的和。所以得出：

隨機(jī)變量總的幅值為：

假設(shè)諧波相位角為θ，則yh＝zhsinθ，則隨機(jī)變量的概率密度分布函數(shù)為：

則h次諧波電流幅值的期望值和方差分別為：

以20臺充電機(jī)為例：其產(chǎn)生的諧波電流的概率密度分布函數(shù)，得到其變化曲線，如圖2所示。由圖2可見，諧波電流幅值隨著諧波次數(shù)的增加而減小，如5次諧波電流的幅值大于13次諧波電流。電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波特性與諧波次數(shù)相關(guān)，次數(shù)越大，方差越小，并且在均值附近的該次諧波電流的概率密度愈大。

此外，充電機(jī)的諧波特性表現(xiàn)為：諧波電流幅值隨著諧波次數(shù)的增加而減小。

充電機(jī)的諧波特性還表現(xiàn)為：隨著同一時間段內(nèi)接入電網(wǎng)的充電機(jī)臺數(shù)逐漸增多，諧波電流增加幅度也逐漸加大。

在所述步驟(3)中，當(dāng)充電站中包括多個充電機(jī)時，那么充電機(jī)之間相互獨(dú)立。

在相同的充電技術(shù)條件下工作，每個充電機(jī)的各個諧波電流也是相互獨(dú)立的。

具體仿真案例：

根據(jù)人們的日常生活習(xí)慣，一般早上開車去上班，在辦公地點(diǎn)的停車之類的可以進(jìn)行補(bǔ)充充電，絕大部分人選擇晚上下班回家后進(jìn)行充電，即19:00～22:00。假設(shè)90％用戶在19:00～22:00，其余10％用戶選擇隨機(jī)充電。假如有60臺充電機(jī)在各個時段充電的比例按照表1分布。

表1充電機(jī)起始充電時間分布

充電電池的初始容量可在20％～40％之間隨機(jī)選取。根據(jù)以上假設(shè)得到18:00～22:00之間各時段充電機(jī)投入的臺數(shù)和電池的初始容量如圖3所示。

圖4是考慮隨機(jī)特性的60臺充電機(jī)諧波特性分布圖。可以看出，5次諧波電流幅值最大，7次次之，11次最小。同時可以看出隨著同一時間段內(nèi)接入電網(wǎng)的充電臺數(shù)逐漸增多，諧波電流增加幅度也逐漸加大。在21:30左右同時工作的充電機(jī)數(shù)量達(dá)到最大，諧波電流也達(dá)到最大。然后逐漸有電池充滿，充電機(jī)退出運(yùn)行，諧波電流開始下降。所以在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，可調(diào)整充電機(jī)的投入時間，擴(kuò)大投入時間間隔，降低同時在線充電機(jī)臺數(shù)，可降低充電站峰值功率，從而抑制諧波電流。

大量的諧波電流將使電流波形畸變，降低功率因數(shù)。當(dāng)充換電站的站用變壓器采用△/y接線形式時，諧波電流將在變壓器繞組中產(chǎn)生環(huán)流，增大鐵心損耗，降低變壓器效率，有時可能導(dǎo)致變壓器局部嚴(yán)重過熱；諧波電流還會使輸變電線路的阻抗變大，線路過熱，絕緣老化，影響線路的運(yùn)行安全；諧波可能引起電網(wǎng)中局部并聯(lián)或者串聯(lián)諧振，放大諧波電流，可能會出現(xiàn)諧振過電壓或過電流，甚至引起電網(wǎng)事故；諧波還會導(dǎo)致繼電保護(hù)或自動化裝置設(shè)備出現(xiàn)誤動作，電力計量儀器儀表計量誤差擴(kuò)大，結(jié)果不準(zhǔn)確；諧波還可能會對周圍通信系統(tǒng)、通信設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，影響通信質(zhì)量。

國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(gb/t14549-1993)中，明確界定了公共連接點(diǎn)的各次諧波電流注入允許值，如表2所示。

表2注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

(1)當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量與表2-10基準(zhǔn)短路容量不同時，應(yīng)按下列公式修正表2中的諧波電流允許值：

式中：sk1為公共連接點(diǎn)的最下短路容量，單位為mva；

sk2為基準(zhǔn)短路容量，單位為mva；

ih為表2-10中的第h次諧波電流允許值，單位為a；

ihp為短路容量為sk1時的第h次諧波電流允許值，單位為a。

(2)當(dāng)公共電網(wǎng)連接點(diǎn)有多個用戶時，各用戶的諧波電流允許值應(yīng)按協(xié)議容量與公共連接點(diǎn)的供電容量之比進(jìn)行分配。計算公式如下：

ihi＝ih(si/st)^1/α

式中：ih為第h次諧波電流允許值，單位為a；si為第i個用戶的用電協(xié)議容量，單位為mva；st為公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量，單位為mva；α為相位迭加系數(shù)，按表3取值。

表3諧波相位疊加系數(shù)

(3)單個交流充電樁注入公共電網(wǎng)連接點(diǎn)諧波限值應(yīng)滿足表4的規(guī)定。

表4單個交流充電樁注入公共電網(wǎng)連接點(diǎn)諧波限值

本發(fā)明的該方法考慮了充電機(jī)充電時間的隨機(jī)性，適用于大規(guī)模電動汽車充電的諧波特性分析，得到充電機(jī)的相應(yīng)諧波特性，有利于指導(dǎo)充電機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程，可調(diào)整充電機(jī)的投入時間，擴(kuò)大投入時間間隔，降低同時在線充電機(jī)臺數(shù)，可有效抑制諧波電流。

本發(fā)明根據(jù)充電機(jī)所在的實(shí)際充電站或預(yù)設(shè)充電站特性，修改充電機(jī)相應(yīng)參數(shù)，最后運(yùn)行充電機(jī)模型，仿真出充電機(jī)的諧波特性，進(jìn)而得到充電機(jī)的各個諧波的概率密度函數(shù)分布曲線，能夠更加直觀地觀察到充電機(jī)的諧波特性，其表現(xiàn)為：諧波電流幅值隨著諧波次數(shù)的增加而減?。浑娋W(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波特性與諧波次數(shù)相關(guān)，次數(shù)越大，方差越小，并且在均值附近的該次諧波電流的概率密度愈大；隨著同一時間段內(nèi)接入電網(wǎng)的充電機(jī)臺數(shù)逐漸增多，諧波電流增加幅度也逐漸加大。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。