摘要:如今电动汽车作为新型绿色能源逐渐领先脱颖而出，并具备了新时代最环保、最绿色的发展前景和方向，是国家政策性扶持在一定的场所和地点配套新建电动汽车充电站、专供电动汽车如同加油站一样充电使用的新兴项目。目前在云南能投的主导下，昆明地区正大力建设充电站配套设施。然而，绝大部分建成的充电站配套设施，因电动汽车尚未广泛使用，基本都处在轻载或空载的状态，给供电企业的电能计量正确性和客户端功率因数的提高及无功补偿方式带来了新的问题。现就围绕电动汽车充电站在轻载和空载时功率因数极低的无功补偿问题展开分析和探讨，并提出相应的解决措施。
关键词：电动汽车，充电站及充电桩，电能计量，无功补偿
1充电站轻载或空载时暴露出的问题及分析
电力设备的设计安装都有电力技术规范和相关要求，按照电能计量装置技术规程和南方电网计量装置典型设计规范，10kV供电客户计量装置设计安装优先都是采用V/V型计量方式。2019年在开展两起电动汽车充电站计量装置安装过程中，投运后处于轻载或空载时，从智能电能表面板显示分析判断出电能表或电流互感器A相或C相极性接反的情况，经过检查确定电能表和互感器极性接线完全正确。现场记录如下表：
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从表格上分析可知客户端功率因数极低，COSΦ仅为0.305，功率因数、电流、有功功率和无功功率A相或C相同为反向，并且无功功率反向较大。现场反复的多次采取手动或自动投切传统补偿装置电容器组都无法得到良好的改善，这就给普偏在客户端一般采用设计安装传统补偿装置电容器组进行无功补偿带来了补偿不足或无效果的新问题。数据分析还说明了（1）记录的总功率发生了扣减抵消，记录的使用功率不是真实的使用功率；（2）记录发生的反向无功数据大于正向无功数据或可能会两相都出现反向无功，发生了无功功率过补偿问题，客户端负载呈现容性负载；（3）客户功率因数极低并且投切补偿装置电容器组及容量无法改善呈现纯电容性负载状态。
这也就能初步的说明了电动汽车充电站的充电桩是属于电容性负载设备，感性负载极少。电动汽车的充电一般可采用直流快充与快换方式并行的充电方式，在充电站与纯电动汽车数量不平衡的情况下，大部分充电桩处于空载或轻载的待机状态。充电站根据所需容量配置采用10kV电压等级供电，其计量方式采用V/V型接线高供高计的末端计量方式，也就是两表法测量记录电能量。由于充电桩的负载特性属于电容性负载，当投入的直流充电桩待机数量为四台以下时，功率因数正常，当投入的充电桩待机数量等于大于4台时，便出现功率因数COSΦ<0.5的情况，此时，电能表显示A相或C相功率因数和无功功率为负值。另外，因系统功率因数低带来的过大无功功率未能即时得到补偿和良好改善，就会给客户带来因电能质量导致的一系列用电问题，客户因功率因数不达标也会受到国家力率调整电费政策的相应处罚，增加客户的电费支出。
客户端安装传统的补偿装置电容器组即时投切作为无功功率补偿，这种补偿模式下在电力系统中起到提高电网功率因数的作用，但它只能解决感性所需无功功率的补偿问题，从补偿原理上可知并不能解决容性无功功率的补偿问题。当系统呈现容性负载或处在容性与感性负载反复变化的状态，并达到纯电容性负载的情况下，在使用这种方式即时投切电容器组作为无功功率补偿，显然只会更增加了系统的容性负载特性，使电流的相位更加超前于电压相位更大的相位角，功率因数降得更低，甚至使系统呈现或达到纯容性负载的状态，并失去补偿效果。这种情况在一次充电站现场实际的计量参数测量中就能够得到肯定和证实。实测数据是Uab与Ia的相位角-58.45°，Ucb与Ic的相位角-118.83°，A相反向无功功率-63.429kVar，C相反向无功功率-65.245kVar，COSΦ低至0.02，从这组现场实测数据可看出：功率因数极低，反向无功较大出现过补偿特性，客户端负载接近或呈现纯电容性负载状态。如下图片向量图所示：
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2客户端无功补偿的改善及措施
既然充电桩是属于容性负载设备，负载电流超前于负载电压一个相位差特性，其接入电网时必然产生的是容性无功功率，系统就会呈现或处在了容性状态，这是由于充电桩自身结构造成的。再习惯性的采用传统的补偿方式显然是无法解决的，只能根据负载特性考虑采用其它的补偿方式。于是，在传统的补偿方式启发下，考虑到是否能在容性负载的系统采取并联电抗器的方式、对其产生的容性无功功率进行补偿？经过多次探讨，反复测量、试验及实践，最终确定在充电站输出端或充电桩输入端采用集中或分散加装SVG静止无功发生器来解决系统容性无功补偿问题，结果系统的容性负载和感性负载都得到了平衡和补偿，提高了功率因数达到了国家力率调整标准及以上。如下测试数据一目了然：SVG投运前当加上3台充电桩待机运行时，系统产生的是反无功（容性无功）功率为：-19.34kVAR，功率因数未达到0.78，SVG投运后转变成正向无功（感性无功）功率为1.34kVAR；功率因数提高到了0.997左右。
SVG静止无功发生器的补偿原理是通过外部电流互感器实时检测负载电流，并通过内部DSP数字信号处理和CPLD编程逻辑计算来分析负载电流的无功含量，再根据设置值来控制PWM信号发生器发出控制信号、给内部IGPT触发信号使逆变器发出与系统无功电流大小相等、相位相反并且满足要求的无功补偿电流，最终使系统的容感性负载实现动态的无功补偿。另外，SVG静止无功发生器是采用了元器件式产品设计理念，无需安装大容量的电容器和电抗器做储能，配套电容器组不需要设置滤波器组，不存在谐振现象；该装置是有源型补偿装置，采用可关断器件IGBT构成的电流源型装置，从机理上避免了谐振现象。并且该装置能实时动态双向连续调节无功功率，即从额定感性工况到容性工况连续输出无功，与固定电容器组合可构成任意范围的连续补偿，补偿系统容感性负载功率因数达到0.99级的补偿效果，能有效避免过补偿和欠补偿的问题。选择其做充电站及充电桩的容性负载补偿装置可是相对理想的补偿装置。
3总结
SVG静止无功发生器是能够全过程根据系统无功电流变化，实时动态跟踪做到即时对系统的感性和容性无功全部进行补偿的装置。在国家政策的扶持下电动汽车产业将会很快的得到发展和壮大，给电力系统无功补偿带来一系列的新问题。通过围绕新建充电站在轻负载或空负载时的无功补偿问题展开测试、探讨和分析，从其负载性质分析了充电桩在轻负载或空负载情况下、无功补偿方式不合理或不足导致功率因数极低。经过分析结果表明当电动汽车充电站规模较大时，空负载或轻负载的待机充电桩将给电力系统的客户端功率因数造成极低，给电能质量造成一定的影响。这就需要采取和选择合理的无功补偿方案：安装SVG静止无功发生器来解决电网的经济运行，保证客户端的电能质量，对电网与客户是一个双赢的结果。
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论文作者:唐慧荣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6