智能電網(wǎng)中電動(dòng)汽車(chē)充電站的諧波抑制方法研究

李璨,杭乃善,陳光會(huì),盧珊,吳昕

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023）

為了滿足電動(dòng)汽車(chē)電池充電或更換的需要，電網(wǎng)部門(mén)必須建設(shè)廣泛、方便、快捷的電動(dòng)汽車(chē)充電站。對(duì)電網(wǎng)而言，充電站的充電機(jī)是一個(gè)非線性負(fù)載，隨著充電工作的進(jìn)行，將給電網(wǎng)注入較大的諧波電流[2-4]。諧波的出現(xiàn)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)一系列的危害[5]，所以解決充電站的諧波問(wèn)題，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的推廣有重大意義。

目前，在電力系統(tǒng)中通常采用2種方法進(jìn)行諧波抑制：一是采取措施減少電力電子設(shè)備自身產(chǎn)生的諧波。多脈動(dòng)整流技術(shù)就是典型的通過(guò)改進(jìn)電力電子設(shè)備自身進(jìn)行諧波治理的方法，采用此種方法可以將諧波電流在電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行有效的抵消[6-9]。二是增設(shè)濾波裝置濾除電網(wǎng)中的諧波。在工程中裝設(shè)的濾波裝置包括無(wú)源濾波器和有源濾波器。無(wú)源濾波器價(jià)格相對(duì)低廉，采用電容和電感元件組成濾波電路，在諧振頻率下合成阻抗為0，迫使該次諧波電流流向?yàn)V波支路，不能傳播到電網(wǎng)造成危害，但是其濾波效果有限；有源濾波器在工程應(yīng)用時(shí)要備有諧波發(fā)生源和大功率晶閘管元器件，還要配有跟蹤控制和脈寬調(diào)制系統(tǒng)[10]，雖濾波效能優(yōu)越，但成本費(fèi)用高，技術(shù)難度大。

基于此，本文結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)充電站的實(shí)際特點(diǎn)與濾波裝置的成本，確定出以12脈動(dòng)整流變壓器向電動(dòng)汽車(chē)充電站供電的方案，如果再在12脈動(dòng)整流變壓器的電網(wǎng)側(cè)裝設(shè)一組無(wú)源濾波器，則諧波抑制效果更佳，本文通過(guò)原理分析與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)簡(jiǎn)介

根據(jù)現(xiàn)有的電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的工作原理，可將充電機(jī)分為3類(lèi)：

第一類(lèi)充電機(jī)由三相不控整流與斬波器組成，屬于早期產(chǎn)品。這類(lèi)充電機(jī)電網(wǎng)側(cè)的交流電流畸變嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)注入大量的諧波電流。此類(lèi)充電機(jī)不適合接入電網(wǎng)。

第二類(lèi)由三相不控整流與DC/DC功率變換器組成，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的方式，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型充電機(jī)一般結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The general structure diagram of typical battery charger

此類(lèi)充電機(jī)以常用的6脈動(dòng)不控整流橋作為充電機(jī)的整流電路，充電機(jī)電網(wǎng)側(cè)電流的主要諧波次數(shù)為6k±1，（k=1，2，3，…），電網(wǎng)側(cè)電流總的諧波畸變率可低于35%，較第一類(lèi)充電機(jī)有較大的改善。

第三類(lèi)由PWM整流與DC/DC變換器組成。此類(lèi)充電機(jī)利用了三相PWM整流方法來(lái)抑制電網(wǎng)側(cè)的諧波，網(wǎng)側(cè)電流畸變率可小于5%。但是目前PWM整流技術(shù)還處于研究階段，技術(shù)尚不成熟，而且成本高，設(shè)備復(fù)雜，可靠性低。

2 12脈動(dòng)充電機(jī)的諧波分析

圖2為串聯(lián)型12脈動(dòng)整流充電機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖。2個(gè)橋式電路的電源由一臺(tái)三繞組變壓器供電，二次側(cè)的2個(gè)繞組一個(gè)接成星形，一個(gè)接成三角形，三角形連接組的輸出線電壓超前星形連接組輸出線電壓30°。

圖2 12脈動(dòng)整流充電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of 12 impulsion rectifying battery charger

分析12脈動(dòng)整流變壓器電網(wǎng)側(cè)的諧波時(shí),可將12脈動(dòng)整流變壓器分為2部分進(jìn)行分析，即分別分析Y/Y與Y/Δ變壓器交流側(cè)的電流，再將2個(gè)電流進(jìn)行疊加,計(jì)算出12脈動(dòng)充電機(jī)電網(wǎng)側(cè)的諧波。

以A相電路為例。分析Y/Y變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時(shí)電流近似為方波波形，忽略電流的初相位，標(biāo)幺值形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其傅里葉級(jí)數(shù)為：

當(dāng)Y/Δ變壓器向三相不控整流供電時(shí)，以A相電路為例分析變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時(shí)電流近似為“品”字型波形，標(biāo)幺值形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

展開(kāi)傅里葉級(jí)數(shù)為：

根據(jù)式（2）和式（4），12脈動(dòng)整流三繞組變壓器的電網(wǎng)側(cè)的A相電流為：

此時(shí)電網(wǎng)側(cè)電流中的主要次諧波5次和7次諧波保持抵消狀態(tài)，電流中只含有少量的6k±1（k=1，2，3，…）次諧波。可見(jiàn)，12脈動(dòng)整流變壓器電網(wǎng)側(cè)的諧波電流較6脈動(dòng)整流變壓器有較大改善。

3 無(wú)源濾波器原理分析

對(duì)于采用12脈動(dòng)整流變壓器供電的電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)來(lái)說(shuō)，其電網(wǎng)側(cè)電流已經(jīng)比較趨向正弦。如需進(jìn)一步降低電網(wǎng)側(cè)的諧波含量，就需要另外裝設(shè)無(wú)源濾波器。

圖3為電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化諧波等效電路，圖中I觶n為諧波源的n次諧波電流；I觶Cn為流入濾波器的諧波電流，I觶Sn為流入電力系統(tǒng)的諧波電流。

圖3 電力系統(tǒng)諧波等效電路Fig.3 Equivalent circuit of power system harmonic

可以求出流入系統(tǒng)和濾波器的諧波電流分別為：

如果此時(shí)無(wú)源濾波器處在諧振狀態(tài)下，則此時(shí)的系統(tǒng)和無(wú)濾波器的諧波電流為：

如果此時(shí)滿足nXS＞＞Rfn，則ICn＞＞ISn，諧波幾乎全部流入濾波器，實(shí)現(xiàn)了濾波的效果。

工程中一般常用幾組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器構(gòu)成濾波裝置。在12脈動(dòng)整流電路中，通常分別裝設(shè)一組11次、13次單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器。其參數(shù)選擇原理如下。

1）電容參數(shù)的選取。無(wú)源濾波器的成本與其容量成正比，安裝容量越小，則濾波器投資越少。當(dāng)時(shí)，濾波器在n次諧波發(fā)生諧振。則最小電容器安裝容量所對(duì)應(yīng)的電容大小為：

式中，UC為電容器兩端電壓

2）電阻參數(shù)R的選取。電阻值與濾波器的最佳品質(zhì)因素Q有如下關(guān)系（工程中一般Q按30計(jì)算）：

3）電感參數(shù)選取。考慮到系統(tǒng)諧波阻抗影響后濾波器可能不工作在全諧振的最合理狀態(tài)，因此濾波器中電感值應(yīng)采用偏諧振值，即：

式中，ε為電感偏諧振率，一般取0.015。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上文分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證12脈動(dòng)整流方式的諧波抑制作用，整流實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。圖4（a）為6脈動(dòng)整流電路實(shí)驗(yàn)圖，通過(guò)一臺(tái)雙繞組Y/Y變壓器向一個(gè)三相不控整流橋供電，整流橋的直流負(fù)載為電阻，在變壓器與電網(wǎng)之間并聯(lián)一組5次、7次與高通濾波器；圖4（b）為12脈動(dòng)整流電路實(shí)驗(yàn)圖，通過(guò)一臺(tái)三繞組Y/Y/Δ變壓器向2個(gè)三相不控整流橋供電，整流橋的直流負(fù)載為電阻，在變壓器與電網(wǎng)之間并聯(lián)一組11次、13次與高通濾波器。

圖4 整流實(shí)驗(yàn)電路Fig.4 Experimental circuit of rectifying

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）根據(jù)無(wú)源濾波器的參數(shù)選取方法，設(shè)計(jì)出6脈動(dòng)整流電路的5次、7次和高通濾波器、12脈動(dòng)整流電路的11次、13次和高通濾波器；

2）利用示波器測(cè)量6脈動(dòng)整流時(shí)電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，也就是Y/Y變壓器原邊的電壓電流波形，其波形如圖5所示，此時(shí)無(wú)源濾波器組未投入運(yùn)行；

3）將無(wú)源濾波器組投入運(yùn)行，用示波器測(cè)量此時(shí)電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，其波形如圖6所示；

4）利用示波器測(cè)量12脈動(dòng)整流時(shí)電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，也就是Y/Y/Δ變壓器原邊的電壓電流波形，其波形如圖7所示，此時(shí)無(wú)源濾波器組未投入運(yùn)行；

5）將12脈動(dòng)整流變壓器的無(wú)源濾波器組投入運(yùn)行，用示波器測(cè)量此時(shí)電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，其波形如圖8所示；

圖5 6脈動(dòng)整流時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Fig.5 The voltage and current waveform of power grids of 6 impulsion rectifying

圖6 6脈動(dòng)整流時(shí)濾波后的電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Fig.6 The voltage and current waveform of power grids of 6 impulsion rectifying after filtering

圖8 12脈動(dòng)整流時(shí)濾波后的電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Fig.8 The voltage and current waveform of power grids of 12 impulsion rectifying after filtering

6）將上述測(cè)到的電流波形利用示波器進(jìn)行諧波分析，其諧波畸變率與各諧波百分比如表1所示。

表1 不同情況下的主要諧波百分比Tab.1 Percentage of dominant harmonics under different situations

通過(guò)圖5、6、7、8與表1可知，在未投入無(wú)源濾波器組時(shí)，6脈動(dòng)整流變壓器原邊電流畸變率較大，為30.2%，各特征次諧波含量較高；投入無(wú)源濾波器組后，電流畸變率下降為14.6%，各次諧波含量也相應(yīng)降低，此時(shí)雖然諧波電網(wǎng)側(cè)電流趨向正弦，但是濾波器的效果并不理想，諧波電流仍然會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生危害；12脈動(dòng)整流變壓器的原邊電流畸變率明顯降低，無(wú)需采用任何附加濾波裝置，畸變率降為8.89%，主要次諧波為11、13次；12脈動(dòng)整流變壓器并聯(lián)無(wú)源濾波器組后，變壓器原邊的畸變率僅為2.23%，諧波抑制效果相當(dāng)明顯，滿足了國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14594-93的要求。

5 總結(jié)

電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)將會(huì)進(jìn)入快速的發(fā)展時(shí)期，電動(dòng)汽車(chē)充電站系統(tǒng)的建立將會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)較大的電能質(zhì)量方面的危害，成為影響電動(dòng)汽車(chē)普及的重要因素，解決電動(dòng)汽車(chē)充電站的諧波抑制問(wèn)題的意義重大。

通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后得出以下結(jié)論：12脈動(dòng)整流方式較6脈動(dòng)整流方式的變壓器原邊諧波含量有明顯降低，如果在12脈動(dòng)整流方式下投入無(wú)源濾波器，諧波抑制效果比較理想。

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