论文部分内容阅读
【摘 要】随着电动汽车的广泛应用和数量的急剧增长，其随机充放电行为将为电网的安全稳定和电能质量带来挑战。本文从涉及减小电动汽车对电能质量影响的专利申请出发，统计了近几年相关专利申请的概况，探讨了近年专利申请的技术重点和热点，展望了大规模电动汽车的城市电网动态运行机制和可开展的进一步的研究工作。
【关键词】电动汽车 充放电 电网 电能质量 专利
1 引言
电动汽车作为新能源汽车的代表，在环保、清洁和节能等方面具有明显的优势。国家电网公司在其智能电网发展规划中也指出要大力开展电动汽车充放电关键技术的研究并全面推广应用。因此，随着电动汽车和充电站数量的不断增加，电动汽车将成为电网中的一种新型的重要负荷。由于大量的电动汽车的随机性的充电行为，电动汽车接入电网充电对电网的影响问题逐步凸显，如可能导致配电网络局部的负荷变大，甚至导致配电网过负荷。因此，电动汽车接入电网必须考虑对配电网负荷平衡的影响。另外，由于充电设备中包含大量的电力电子装置，当电动汽车入网充电时，所产生的谐波对配电网系统的电能质量将产生影响。本文试图从专利申请的角度，在对国内相关专利申请数据进行检索和分析的基础上，研究国内相关专利申请的技术重点和热点，为相关技术的开发研究提供参考。
2 近年国内相关专利申请概况
利用国内专利数据库，对减小电动汽车对电网电能质量影响的相关的发明专利申请进行了充分检索，得到了近年（2010-2014）相关的国内发明专利申请数据（共43件）。从图1中所示的发明专利申请量变化趋势可以看出，从2011年开始，相关的专利申请量有较大的增长，由于专利申请一般是自申请日起满18个月才公开，所以图1中的曲线下拐点并不表明相关的专利申请量的下滑。另外，通过统计申请人可以得知，专利申请量主要集中在国家电网（14件）和华北电力大学（6件），其它大学和公司也有相关的专利申请，例如上海交通大学、东南大学、广西电网公司等等，但是并没有明显的数量集中。
图1 近年发明专利申请量变化
图2 主要专利申请人分布
3 相关专利申请的主要技术分析
通过对这些发明专利申请中的主要的发明专利申请所公开内容的分析，从技术角度可以将它们分为以下几类：针对充电装置电路的改进、针对充电装置主电路控制方法的改进、有源滤波器的使用、电动汽车与新能源发电的结合以及电动汽车的充放电的调度。下面，将对它们进行详细说明。
（一）针对电动汽车充电装置电路的改进
通常，电动汽车的充电装置即充电桩的电路一般是由整流电路和DC/DC变化电路两级电路组成。经过分析发现，只有少量的专利申请涉及充电电路的改进。例如，在专利申请CN103078388A中公开了一种新型电动汽车动力电池充电机电路，该充电机电路包括依次连接的Z源网络（AC/AC变换器）、π形滤波电路和不可控整流桥。该充电机电路不同于传统的充电机电路，采用的电力电子器件大大减少，允许桥臂直通或者开路，电压调节范围大，能够缓解冲击并抑制谐波。而在另一专利申请CN103107583A中，公开了一种电动汽车充电站主电路拓扑结构，该专利申请主要针对的是充电站中的主电路的改进，将一般的分布于每辆电动汽车上的整流结构整合为一个高压PWM整流器，每辆电动汽车上只是存在非隔离型DC/DC变换器，能够提高了整体效能，减小谐波的产生。涉及充电电路结构改进的专利申请相对较少，这可能与已经比较成熟的电力变换技术有关。
（二）针对充电装置主电路控制方法的改进
经过统计和分析发现，涉及充电装置的主电路控制方法的改进的专利申请的数量相对较多，占据了全部申请量的近17%。例如，专利申请CN103023117A公开了一种高电能质量电动汽车充电系统，该系统的PWM整流器的控制系统采用PI调节电压外环和无差拍控制电流内环的双闭环控制结构，能够减少电动汽车充电系统对电网诸如的谐波电流，改善电能质量。专利申请CN103647281A以由电压型PWM变流器和对称半桥LLC谐振式双向DC/DC变换器构成的主电路为基础，也是通过采用PWM控制方式使得一级功率变换器电网侧电流接近正弦波，减小谐波含量。专利申请CN102570566A将高频整流器和基于高频变压器的DC/DC变换器进行组合，对高频整流器的控制采用内环为交流母线电流、外环为DC/DC变换器的输出电压或电流的双闭环结构，实现输入侧无功电流的控制，从而提高功率因数。专利申请CN103647281A和CN103187729A实质上都是基于由双向PWM变换器和DC/DC变换器构成的两级电路的控制方法的改进，将有源滤波谐波补偿方法应用于双向功率变换器的控制，在电动汽车的充电电池与电网的能量能够双向流动的同时，实现电网谐波的就地补偿。专利申请CN103545899A提出了一种针对电动汽车充放储一体化电站的无损增值效益控制方法，其利用储能电池的增值控制或者变流装置电容的增值控制或者将二者进行比例融合的增值控制，即利用，从而降低非线性负荷产生的谐波和无功。由此可见，由于充电装置主电路拓扑结构的技术的成熟，更多地关注主电路的控制方法的改进也是必然。而且，其中相当多的专利申请是借用了无差拍控制、电流电压双闭环控制、有源滤波谐波补偿控制等经典控制算法。专利申请CN103545899A提出的利用变流装置的富余容量对电网谐波和无功功率进行无损增值控制的方法较为独特。而且，综合这些专利申请的技术内容，其中的变换器电路都能够实现电动汽车电池与电网之间的能量的双向流动，即V2G模式。
（三）有源滤波器（APF）的使用
有源滤波器虽然能够较好地实现谐波补偿从而提升电能质量，但是其制造和使用成本较高。经过分析发现，采用有源滤波器的相关的专利申请主要是关注如何降低APF的使用成本。例如，CN103872684A公开了一种消除电动汽车谐波的装置及方法，虽然其采用的主要的装置仍然是APF，但是其关注点在于如何减少所使用的APF的数量。该专利申请将每个充电桩看成一个节点，如果节点间引起的谐波相互叠加，则判定节点间存在一条边。计算网络中所有任意两点之间的最短路径，所有最短路径路过每条边的次数为每条边的介数，启动安装在最大的边上的有源电力滤波器。这样，只是采用少量的APF便能消除大量分散的电动汽车充电桩充电时产生的谐波，提高供电质量。CN103928930A公開了一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，将有源滤波和无源滤波相结合并安装在电网侧，通过采用双阶段间谐波检测方法，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其滤除，第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取谐波分量，从而去除该间谐波分量，最终将加入电网侧的谐波减小到最小。另外，CN103812109A公开了一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其主要是针对充电站并联有源滤波器之后的谐波放大效应的问题所作出的改进，通过计算描述该放大效应的系数来指导有源滤波器的容量选型。 （四）电动汽车与新能源发电的结合
由于新能源发电的快速发展，利用能量存储技术、并通过合理的调度电动汽车的充放电，可以使得新能源发电效率的提升并增强配电网络的电压稳定性。例如，CN102361334A公开了光伏储能电动汽车充电站系统及储能系统状态切换方法。利用该系统中的储能系统与光伏系统、电网以及充电系统的能量互动，既提高了充电站对太能能的利用率，还可以保证供电稳定性。CN102324752A公开了风力发电的纯电动汽车有序充放电协调控制系统，将每个充电站的信息传送至电网调度中心，由调度中心判断当前电力系统的状态，生成相应的充电控制模式。调度中心通过充电站集中协调控制系统的通信网络将调峰指令发送给各个电动汽车的动力电池，动力电池接收命令实现调峰同时向电网反馈剩余电量。
（五）合理调度电动汽车的充放电
除了对充电装置的电路结构及控制方法进行改进之外，通过合理地调度电动汽车的充放电也是提高电能质量的措施之一。例如，电子科技大学在CN103855767A中提出一种电动汽车充电的调度方法，相比于通常的就近调度策略，其考虑各条道路的交通状况（非机动车辆的影响、边摩阻的影响、大型车流量的影响），选择出更合乎实际情况、更精确的电动汽车驾驶路径。同时考虑充电站的气象因素和充电情况，选择出谐波最小的充电站调度方案提供给电动汽车，从而优化电动汽车充电站的调度，减小电动汽车充电产生的危害电网的谐波。
4 总结与展望
由此可见，随着电动汽车的逐渐普及，其对电网电能质量的影响越来越受到相关企业的关注，这也体现在相关的发明专利申请的数量变换上。从专利申请的数量上看，国家电网公司是申请量最为集中的申请人，这也与其作为电动汽车入网应用的主要建设者和推动者的身份是吻合的。另外，从国内的相关专利申请的技术信息可以看出，为了降低电动汽车充放电对电网的影响，虽然有少量的关于充电机主电路拓扑结构的改进，但是近期较多的关注点仍在于针对充电电路中电力变换器的优化控制，而且这些控制方式都是在V2G模式的基础上进行的，可见，V2G模式相关的技术已经得到了广泛的开发。APF已经比较成熟，专利申请主要是针对如何减少APF的应用成本或者提高其应用效率。除此之外，有人提出了通过优化电动汽车充电的调度方法来降低谐波污染的专利申请，在充电装置的电路结构和控制方法日趋成熟和完善的情况下，进一步开发电动汽车与电网的协调优化经济运行可能是今后的一个研究方向。
针对涉及减小电动汽车对电网电能质量的影响的发明专利申请，进行了统计和分析，总结了近期专利申请的技术热点和方向，供技术人员参考，可以在专利申请公开的技术内容的基础上进一步开发，节约研究成本。另外，将来可进一步开展的工作是针对国外的专利申请的挖掘和分析，以进一步了解國外的技术动态并加以利用。
参考文献：
[1] 赵俊华，文福拴，杨爱民，等，电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题[J]. 电力系统自动化，2011，35（14）； 2-10.
【关键词】电动汽车 充放电 电网 电能质量 专利
1 引言
电动汽车作为新能源汽车的代表，在环保、清洁和节能等方面具有明显的优势。国家电网公司在其智能电网发展规划中也指出要大力开展电动汽车充放电关键技术的研究并全面推广应用。因此，随着电动汽车和充电站数量的不断增加，电动汽车将成为电网中的一种新型的重要负荷。由于大量的电动汽车的随机性的充电行为，电动汽车接入电网充电对电网的影响问题逐步凸显，如可能导致配电网络局部的负荷变大，甚至导致配电网过负荷。因此，电动汽车接入电网必须考虑对配电网负荷平衡的影响。另外，由于充电设备中包含大量的电力电子装置，当电动汽车入网充电时，所产生的谐波对配电网系统的电能质量将产生影响。本文试图从专利申请的角度，在对国内相关专利申请数据进行检索和分析的基础上，研究国内相关专利申请的技术重点和热点，为相关技术的开发研究提供参考。
2 近年国内相关专利申请概况
利用国内专利数据库，对减小电动汽车对电网电能质量影响的相关的发明专利申请进行了充分检索，得到了近年（2010-2014）相关的国内发明专利申请数据（共43件）。从图1中所示的发明专利申请量变化趋势可以看出，从2011年开始，相关的专利申请量有较大的增长，由于专利申请一般是自申请日起满18个月才公开，所以图1中的曲线下拐点并不表明相关的专利申请量的下滑。另外，通过统计申请人可以得知，专利申请量主要集中在国家电网（14件）和华北电力大学（6件），其它大学和公司也有相关的专利申请，例如上海交通大学、东南大学、广西电网公司等等，但是并没有明显的数量集中。
图1 近年发明专利申请量变化
图2 主要专利申请人分布
3 相关专利申请的主要技术分析
通过对这些发明专利申请中的主要的发明专利申请所公开内容的分析，从技术角度可以将它们分为以下几类：针对充电装置电路的改进、针对充电装置主电路控制方法的改进、有源滤波器的使用、电动汽车与新能源发电的结合以及电动汽车的充放电的调度。下面，将对它们进行详细说明。
（一）针对电动汽车充电装置电路的改进
通常，电动汽车的充电装置即充电桩的电路一般是由整流电路和DC/DC变化电路两级电路组成。经过分析发现，只有少量的专利申请涉及充电电路的改进。例如，在专利申请CN103078388A中公开了一种新型电动汽车动力电池充电机电路，该充电机电路包括依次连接的Z源网络（AC/AC变换器）、π形滤波电路和不可控整流桥。该充电机电路不同于传统的充电机电路，采用的电力电子器件大大减少，允许桥臂直通或者开路，电压调节范围大，能够缓解冲击并抑制谐波。而在另一专利申请CN103107583A中，公开了一种电动汽车充电站主电路拓扑结构，该专利申请主要针对的是充电站中的主电路的改进，将一般的分布于每辆电动汽车上的整流结构整合为一个高压PWM整流器，每辆电动汽车上只是存在非隔离型DC/DC变换器，能够提高了整体效能，减小谐波的产生。涉及充电电路结构改进的专利申请相对较少，这可能与已经比较成熟的电力变换技术有关。
（二）针对充电装置主电路控制方法的改进
经过统计和分析发现，涉及充电装置的主电路控制方法的改进的专利申请的数量相对较多，占据了全部申请量的近17%。例如，专利申请CN103023117A公开了一种高电能质量电动汽车充电系统，该系统的PWM整流器的控制系统采用PI调节电压外环和无差拍控制电流内环的双闭环控制结构，能够减少电动汽车充电系统对电网诸如的谐波电流，改善电能质量。专利申请CN103647281A以由电压型PWM变流器和对称半桥LLC谐振式双向DC/DC变换器构成的主电路为基础，也是通过采用PWM控制方式使得一级功率变换器电网侧电流接近正弦波，减小谐波含量。专利申请CN102570566A将高频整流器和基于高频变压器的DC/DC变换器进行组合，对高频整流器的控制采用内环为交流母线电流、外环为DC/DC变换器的输出电压或电流的双闭环结构，实现输入侧无功电流的控制，从而提高功率因数。专利申请CN103647281A和CN103187729A实质上都是基于由双向PWM变换器和DC/DC变换器构成的两级电路的控制方法的改进，将有源滤波谐波补偿方法应用于双向功率变换器的控制，在电动汽车的充电电池与电网的能量能够双向流动的同时，实现电网谐波的就地补偿。专利申请CN103545899A提出了一种针对电动汽车充放储一体化电站的无损增值效益控制方法，其利用储能电池的增值控制或者变流装置电容的增值控制或者将二者进行比例融合的增值控制，即利用，从而降低非线性负荷产生的谐波和无功。由此可见，由于充电装置主电路拓扑结构的技术的成熟，更多地关注主电路的控制方法的改进也是必然。而且，其中相当多的专利申请是借用了无差拍控制、电流电压双闭环控制、有源滤波谐波补偿控制等经典控制算法。专利申请CN103545899A提出的利用变流装置的富余容量对电网谐波和无功功率进行无损增值控制的方法较为独特。而且，综合这些专利申请的技术内容，其中的变换器电路都能够实现电动汽车电池与电网之间的能量的双向流动，即V2G模式。
（三）有源滤波器（APF）的使用
有源滤波器虽然能够较好地实现谐波补偿从而提升电能质量，但是其制造和使用成本较高。经过分析发现，采用有源滤波器的相关的专利申请主要是关注如何降低APF的使用成本。例如，CN103872684A公开了一种消除电动汽车谐波的装置及方法，虽然其采用的主要的装置仍然是APF，但是其关注点在于如何减少所使用的APF的数量。该专利申请将每个充电桩看成一个节点，如果节点间引起的谐波相互叠加，则判定节点间存在一条边。计算网络中所有任意两点之间的最短路径，所有最短路径路过每条边的次数为每条边的介数，启动安装在最大的边上的有源电力滤波器。这样，只是采用少量的APF便能消除大量分散的电动汽车充电桩充电时产生的谐波，提高供电质量。CN103928930A公開了一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，将有源滤波和无源滤波相结合并安装在电网侧，通过采用双阶段间谐波检测方法，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其滤除，第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取谐波分量，从而去除该间谐波分量，最终将加入电网侧的谐波减小到最小。另外，CN103812109A公开了一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其主要是针对充电站并联有源滤波器之后的谐波放大效应的问题所作出的改进，通过计算描述该放大效应的系数来指导有源滤波器的容量选型。 （四）电动汽车与新能源发电的结合
由于新能源发电的快速发展，利用能量存储技术、并通过合理的调度电动汽车的充放电，可以使得新能源发电效率的提升并增强配电网络的电压稳定性。例如，CN102361334A公开了光伏储能电动汽车充电站系统及储能系统状态切换方法。利用该系统中的储能系统与光伏系统、电网以及充电系统的能量互动，既提高了充电站对太能能的利用率，还可以保证供电稳定性。CN102324752A公开了风力发电的纯电动汽车有序充放电协调控制系统，将每个充电站的信息传送至电网调度中心，由调度中心判断当前电力系统的状态，生成相应的充电控制模式。调度中心通过充电站集中协调控制系统的通信网络将调峰指令发送给各个电动汽车的动力电池，动力电池接收命令实现调峰同时向电网反馈剩余电量。
（五）合理调度电动汽车的充放电
除了对充电装置的电路结构及控制方法进行改进之外，通过合理地调度电动汽车的充放电也是提高电能质量的措施之一。例如，电子科技大学在CN103855767A中提出一种电动汽车充电的调度方法，相比于通常的就近调度策略，其考虑各条道路的交通状况（非机动车辆的影响、边摩阻的影响、大型车流量的影响），选择出更合乎实际情况、更精确的电动汽车驾驶路径。同时考虑充电站的气象因素和充电情况，选择出谐波最小的充电站调度方案提供给电动汽车，从而优化电动汽车充电站的调度，减小电动汽车充电产生的危害电网的谐波。
4 总结与展望
由此可见，随着电动汽车的逐渐普及，其对电网电能质量的影响越来越受到相关企业的关注，这也体现在相关的发明专利申请的数量变换上。从专利申请的数量上看，国家电网公司是申请量最为集中的申请人，这也与其作为电动汽车入网应用的主要建设者和推动者的身份是吻合的。另外，从国内的相关专利申请的技术信息可以看出，为了降低电动汽车充放电对电网的影响，虽然有少量的关于充电机主电路拓扑结构的改进，但是近期较多的关注点仍在于针对充电电路中电力变换器的优化控制，而且这些控制方式都是在V2G模式的基础上进行的，可见，V2G模式相关的技术已经得到了广泛的开发。APF已经比较成熟，专利申请主要是针对如何减少APF的应用成本或者提高其应用效率。除此之外，有人提出了通过优化电动汽车充电的调度方法来降低谐波污染的专利申请，在充电装置的电路结构和控制方法日趋成熟和完善的情况下，进一步开发电动汽车与电网的协调优化经济运行可能是今后的一个研究方向。
针对涉及减小电动汽车对电网电能质量的影响的发明专利申请，进行了统计和分析，总结了近期专利申请的技术热点和方向，供技术人员参考，可以在专利申请公开的技术内容的基础上进一步开发，节约研究成本。另外，将来可进一步开展的工作是针对国外的专利申请的挖掘和分析，以进一步了解國外的技术动态并加以利用。
参考文献：
[1] 赵俊华，文福拴，杨爱民，等，电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题[J]. 电力系统自动化，2011，35（14）； 2-10.