电动汽车智能充电谐波测量、分析与影响评估：对电网电能质量的新挑战

《IEEE Open Journal of Vehicular Technology》：Harmonics Measurement, Analysis, and Impact Assessment of Electric Vehicle Smart Charging

本研究针对电动汽车(EV)智能充电引发的谐波污染问题，开展了深入的实验测量与分析。研究人员对八款主流EV车型在不同智能充电电流(从最小值以1A增量至最大值)下的谐波发射进行了全面测量，并对比了国际电工委员会(IEC)等标准中的总谐波失真(THDI)和个体谐波限值。结果表明，充电电流降低会导致THDI显著升高；在多车同时充电场景下，谐波相角抵消效应会使聚合THDI有所降低，但在最坏情况下仍可高达25%，半数受测车辆超出个体谐波限值。此研究为制定谐波感知型智能充电策略和更新相关标准提供了关键数据支撑。

　　

随着全球各国设定雄心勃勃的气候中和目标，交通领域的电气化转型已成为减少温室气体排放的关键举措。电动汽车(EV)的广泛普及被视为实现这一目标的重要路径。然而，大规模电动汽车的接入也给老化的电网系统带来了巨大挑战，尤其是无序充电可能导致电网拥堵、电压跌落以及变压器过载等问题。在此背景下，智能充电(Smart Charging)技术应运而生，它通过灵活调整充电时间或功率，旨在平抑负荷曲线、延缓电网升级投资，并为用户节省电费。各国政府也正积极推动相关法规，要求充电桩必须具备智能充电功能。

尽管现有研究多集中于智能充电对电压分布和变压器负载的优化，但其对电网电能质量(Power Quality)的一个重要方面——谐波失真(Harmonic Distortion)的影响却尚未被充分探索。电动汽车作为通过电力电子车载充电器(On-board Charger)接入电网的非线性负载，其充电过程会向电网注入谐波电流。这种“电力污染”若超出标准限值，可能导致电缆过热、变压器寿命缩短、电压不稳定以及电磁干扰等一系列严重后果。尤其值得注意的是，智能充电通过动态调节充电电流（例如，在电网高峰期间降低充电功率）来发挥作用，而谐波发射特性与充电器的运行点密切相关。当前适用于电力电子设备的谐波标准（如IEC 61000-3-2）通常只考核设备在额定功率下的谐波发射，但智能充电引入了大量非额定运行点，这可能导致车载充电器在低功率运行时产生远超标准预期的谐波，形成新的电能质量挑战。因此，深入探究智能充电与谐波发射之间的复杂关系，对于确保电网安全稳定、推动电动汽车的可持续集成至关重要。

本研究发表在《IEEE Open Journal of Vehicular Technology》，旨在填补这一研究空白。为了回答上述问题，研究团队开展了一项系统的实验研究。

研究人员为开展此项研究，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，搭建了包含三种不同类型智能充电桩（Fronius Wattpilot, Zaptec Pro, Keba KeContact P30）和两种高精度电能质量分析仪（Yokogawa WT500, Fluke 437 Series II）的实验平台。其次，选取了八款市场主流的电动汽车模型作为实验样本，其车型年份、电池容量、车载充电器类型（集成式与独立式）和充电类型（单相/三相）均具有代表性。核心实验方法是对每辆电动汽车在其最小至最大充电电流范围内，以1A为步长进行智能充电测试，并同步记录各次谐波电流的幅值和相位角时间序列数据。最后，针对多车充电场景，研究采用了蒙特卡洛模拟(Monte Carlo Simulation)这一概率性方法，随机生成大量不同车型和充电电流组合的充电场景，以评估谐波聚合效应及超标风险。

IV. STATISTICAL DATA ANALYSIS

A. THD ANALYSIS

统计分析显示，所有受测电动汽车的电流总谐波失真(THD_I)与充电电流呈强负相关关系。即充电电流越低，THD_I越高。当充电电流接近车辆允许的最大值时，THD_I最低；而当充电电流降至最低水平（如6A）时，大部分车辆的THD_I会增加三倍以上。例如，Peugeot e-2008在低电流充电时THD_I可高达26%。研究还通过二次回归模型量化了这种关系，为后续优化提供了数学工具。与之形成对比的是，电压总谐波失真(THD_V)在整个充电过程中变化很小（75百分位数在1.5%-2%之间），且始终低于相关标准限值（IEC 61000-2-4为5%）。进一步的对比测试证实，THD_V主要来源于电网侧的背景谐波，而非电动汽车充电本身所产生。

B. AMPLITUDE ANALYSIS

对个体谐波幅值的分析表明，第3、5、7次谐波在所有车辆中均表现出最高的幅值，其中第7次谐波尤为显著。然而，个体谐波幅值与充电电流的关系复杂，并无统一规律：有些谐波幅值随电流增加而增加，有些则减少，还有一些无明显趋势。这凸显了仅依靠THD_I或简单假设进行谐波评估的局限性。

C. PHASE ANGLE ANALYSIS

相位角是决定多个谐波源聚合时是相互叠加还是抵消的关键因素。对关键的3、5、7次谐波的相位角分析发现，不同车型甚至同一车型在不同充电电流下的谐波相位角分布广泛。例如，Peugeot e-2008的3次谐波相位角集中在0-30度，而Nissan Leaf e+的则集中在180-210度，这意味着它们同时充电时会产生显著的抵消效应。圆形统计数据显示，这些谐波的相位角方差在10至50度之间，表明在多车充电场景下，完全抵消虽难实现，但向量和通常会小于算术和。

V. POWER QUALITY ASSESSMENT-SINGLE EV CHARGING

将单辆电动汽车的谐波数据与IEC 61000-3-2标准（适用于每相电流≤16A的设备）进行对比发现，八款车中有四款（Renault Zoe R90, Renault Zoe ZE50, Tesla Model Y Long Range, Peugeot e-2008）的多个个体谐波超出了限值，其中第19次谐波超标最为普遍。一个重要的矛盾现象是：THD_I在低充电电流时最高，但个体谐波超标数量却可能在较高充电电流时更多。例如，Tesla Model Y和Nissan Leaf e+在部分充电区间的THD_I相近，但前者有六个不同次数的谐波超标，而后者则没有。这表明，仅凭THD_I指标不足以全面评估谐波发射的合规性。

VI. POWER QUALITY ASSESSMENT-MULTIPLE EV CHARGING

A. LAB MEASUREMENTS CASE STUDY

通过实验室实测三辆电动汽车（Tesla Model Y, Renault Zoe R90, Peugeot e-2008）同时充电的场景，研究验证了谐波抵消效应。结果表明，在点公共耦合点(PCC)测量到的总THD_I低于部分单个车辆的THD_I，也低于它们算术相加的结果。通过向量求和计算具体谐波（如第3次谐波）证实，由于相位角差异，PCC处的谐波幅值小于各车辆谐波幅值的算术和。该实验证实了在多源谐波情况下考虑相位角的必要性。

B. MONTE CARLO SIMULATION

为了更广泛地评估实际场景，研究进行了大规模的蒙特卡洛模拟。模拟设定了两个案例：案例1模拟高峰时段充电，充电电流随机在6A-10A之间；案例2模拟非高峰时段充电，电流在11A至最大值之间。模拟结果显示，随着同时充电车辆数量的增加，由于谐波抵消效应，PCC处的THD_I中值逐渐下降。然而，在案例1（低电流充电）中，谐波失真水平显著高于案例2，且超出5% THD_I限值的概率也高得多（例如，10辆车时概率约为30%）。对IEC 61000-3-12标准（适用于>16A的设备）中个体谐波的评估也呈现类似趋势，案例1中第13次谐波等超标概率远高于案例2。模拟还指出，最恶劣情况发生在多辆谐波发射严重的车型（如Peugeot e-2008）同时在低电流下充电时，聚合THD_I可高达25%。

VII. CONCLUSIONS AND DISCUSSIONS

本研究通过详尽的实验测量和模拟分析，揭示了电动汽车智能充电与谐波发射之间的内在联系及其对电网电能质量的影响。主要结论包括：智能充电在低功率运行时会显著增加谐波失真，对当前基于额定功率的谐波标准构成挑战；在多车充电场景下，谐波相位角抵消效应会降低总体失真水平，但最坏情况下仍可能对电网造成严重影响；电压谐波主要受背景失真影响，而电流谐波是评估电动汽车影响的关键。

本研究的意义在于为电网运营商、充电设施规划者和标准制定机构提供了至关重要的数据洞察。它强调，未来的智能充电策略必须是“谐波感知型”的，在优化负荷、降低成本的同时，需将谐波影响作为约束条件进行考虑。此外，研究结果强烈呼吁更新现有的谐波标准（如IEC 61000-3-2和IEC 61000-3-12），建议为可控负载（如智能充电的电动汽车）建立基于多个运行点（而不仅是额定点）的谐波发射限值体系，并将此纳入合规性测试流程。最后，论文为未来研究指明了方向，包括考察车辆老化、电网背景谐波、电压跌落及不平衡等更复杂因素对谐波发射的综合影响，以更全面地评估电动汽车并网的电能质量风险。