電動汽車充電諧波水平評估及治理方案研究

魯月喬 丁 梁 錢祥威 黃 驊

（紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

電動汽車充電諧波水平評估及治理方案研究

魯月喬 丁 梁 錢祥威 黃 驊

（紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

電動汽車的快速發展勢在必行，其接入電網會產生大量諧波，且多位于配網末端，給配網電能質量提出嚴峻挑戰，因此有必要對電動汽車充電設施進行建模仿真，評估其諧波影響水平。本文利用Matlab/Simulink設計了充電機接入電網模型與無源濾波器模型，建立了三相橋式不控整流充電機及無源濾波器的仿真模型，使用快速傅里葉變換進行了濾波前后諧波電流仿真分析。采用無源濾波器后電網側各次諧波電流顯著減少，電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率都有降低。

電動汽車；無源濾波器；Matlab/Simulink仿真；諧波治理

隨著國民經濟和工業技術的發展，居民家庭中電力電子型非線性負荷持續增加。國家能源科技“十二五”規劃中提出建立現代能源產業，促進節能環保、新能源、新能源汽車等戰略性新興產業的發展[1]。隨著電動汽車技術的發展，充電樁、充電站等已大量建設，電動汽車連接在居民配電網絡中已成事實，其充電行為已成為新的分布式諧波來源。配電網分布式諧波電流在電力系統中會引起電壓畸變等各種各樣的電能質量問題[2]。電力系統諧波所引起的電容器燒毀、設備誤操作（如電動機慢速爬行、電話通信干擾和低壓開關誤動作）、家用電器故障不能正常工作等問題在電力系統中是顯而易見的。同時，電力系統諧波也會引起其他潛在影響，如增加能量損耗、降低變壓器壽命、以及影響電能表計量誤差等。大型負荷（如大型電動汽車充換電站）所引起的諧波在實際中是比較容易抑制的，如采取諧波濾波器等措施可有效消除其引起的諧波影響。電動汽車諧波源具有類似的大小并遍布在整個電力網絡中，盡管單獨一個充電樁產生的諧波并不顯著，但大量的類似充電樁和電動汽車充換電站產生的集體諧波卻是非常可觀的，其對電力系統的影響與危害已不可忽視。將給配電網的運營帶來負面影響[3-7]。可見，對電動汽車接入電網產生的諧波進行建模仿真分析是非常急需且有必要的，以利于選定合理的供電方案和抑制諧波的措施。

本文利用Matlab/Simulink仿真平臺對電動汽車電池接入電網充電進行了建模仿真并利用無源濾波器進行濾波。該抑制諧波方法對電動汽車充電引起的電能質量治理方案具有重要意義。

1 電動汽車充電站諧波模型

充電站按照功能可以劃分為4個子模塊：配電系統、充電系統、電池調度系統、充電站監控系統。電動汽車按電能供給模式分為如下3種模式：快速（直流）充電、慢速（交流）充電和快速換電。充電站主要設備包括充電機、充電樁、濾波裝置、電能監控系統。目前一般以20～40輛電動汽車來配置一個充電站。

充電站供電系統一般由110kV或220kV變電站經 10kV側配電網供電。充電站內變壓器額定電壓高壓側為10kV，低壓側為0.38kV，繞組采用DYN-11接線方式，電動汽車充電站和居民小區充電樁群電氣接線如圖1、圖2所示。

圖1 電動汽車充電站電氣接線圖

圖2 居民小區充電樁電氣接線圖

2 充電站（樁）諧波特點

電動汽車產生的諧波主要是充電機產生的。其簡化等效模型如圖3所示。電動汽車在充電過程中其內部電阻一般會隨時間呈非線性變化，且其輸出功率呈下降趨勢。文獻[8]近似處理成三個階段，即每個階段的輸出功率假設恒定不變，各階段簡化模型的電阻值由相應的輸出功率確定，電阻R與輸出功率P0的關系如式（1）所示。

式中，Ui和Ii分別為電阻R兩端電壓和流過電阻R上的電流，Pi為輸入功率，P0為輸出功率，η為轉化率。

圖3 充電機等效模型

在Matlab/Simulink文件中建立3臺相同充電機的系統仿真模型如圖4所示，該系統由電源模塊、測量模塊、變壓器模塊、充電機模塊4部分組成。利用快速傅里葉分析（FFT Analysis）模塊對電力系統交流側電流進行諧波分析。根據文獻[8]設置系統參數（電源每相電壓設為10kV，相位互差120°，變壓器變比為 10kV/0.38kV，充電機的濾波電感為1.5mH，濾波電容取2.115mF，R取值分別為20Ω、50Ω、100Ω），仿真結果顯示交流側三相 A、B、C電流變化規律相同，因此本文只取A相電流分析。當R取20Ω時，電力系統變壓器高低壓側交流電流波形穩定狀態下分別如圖 5（a）、圖 6（a）所示，從圖 5（a）、圖 6（a）可以看出，高低壓側電流波形嚴重偏離標準的正弦波形。用FFT對變壓器高低壓側交流電流進一步分析結果如圖7（a）、圖8（a）所示，從圖7（a）、圖8（a）可知，3臺充電機諧波電流總諧波畸變率為16%且主要為5次、7次、11次、13次，17次，19次，即6n±1次諧波比較嚴重且其幅值依次遞減。表1給出了不同臺數充電機充電時各次諧波電流含有率，由表1可知，隨著充電機臺數的增加，各次諧波含有率逐漸降低，這與理論分析相一致即多臺充電機同時工作時諧波會不同程度的相互補償或抵消，而不是簡單的線性疊加。高低壓側各次諧波電流含有率見表2，6n±1次諧波電流含有率較高，需要進行諧波抑制。

圖4 未加濾波裝置的系統仿真模型

圖5 濾波前后的高壓側電流波形

圖6 濾波前后的低壓側電流波形

圖7 濾波前后的高壓側電流傅里葉分析

圖8 濾波前后的低壓側電流傅里葉分析

表1 不同臺數充電機高壓側各次諧波電流含有率/%

表2 未加濾波裝置的高低壓側各次諧波電流含有率/%

3 基于無源濾波器的諧波治理研究

3.1 諧波治理方案分析

目前主要利用有源濾波器、無源濾波器以及混合濾波器進行諧波治理[9]。有源濾波器產生與它所測到畸變諧波電流相位相反的一組諧波電流，諧波從而被抵消并最終形成一個無畸變的正弦電流，主要用于動態抑制諧波，同時兼顧無功補償的新型電力電子裝置，人們已對其設計及運行性能等方面開展了相關研究[10]，但因結構復雜、設備成本高等因素限制其大范圍應用。無源濾波器利用 LC串聯諧振濾去系統中相同頻率的諧波，憑借其成本低、結構簡單等優點，成為一種應用較廣泛的諧波抑制手段，文獻[11-13]對其進行了研究。有源無源混合濾波器具有無源濾波器和有源濾波器的優勢，但其對控制系統要求較高，而且結構復雜、成本較高。綜上分析，無源濾波器仍是目前工程應用較廣泛的一種濾波裝置。

3.2 無源濾波器設計

本文所設計的無源濾波器為單調諧濾波器，其基本電路如圖9所示。

無源濾波器的主要工作原理為 LC串聯諧振，即L與C產生諧振時該回路阻抗為0。為簡便描述，以5次諧波為例，則圖9中電容電感之間的關系可表示為即仿真時選用電容值C5=116μF，則相應電感值L5=3.497mH。至此，負荷側產生的5次諧波電流將通過LC回路短路，達到濾波的目的。同理可得7、11、13次諧波濾波器參數。

圖9 無源濾波器

根據前述仿真分析可知 5次、7次諧波電流畸變率尤其大，故本文在變壓器低壓側設置了5次、7次無源濾波器，加入無源濾波器的系統仿真模型如圖10所示。裝設無源濾波器后變壓器高低壓側交流電流波形分別如圖5（b）、圖6（b）所示，從圖中可以看出，從圖中可以明顯看出電流波形得到明顯改善，已經非常接近標準的正弦波形。相應的用FFT對變壓器高低壓側電流進一步分析結果如圖7（b）、圖8（b）所示，從圖中可以看出電動汽車充電機諧波電流總畸變率下降到6%，各次諧波電流含有率都有下降，尤其5次、7次諧波含有率下降更加明顯。其諧波含有率都達到了國家標準范圍內。經無源濾波器濾波后的高低壓側各次諧波電流含有率見表3，從表3中也可以看出各次諧波含量均非常小，且高低壓側諧波電流含有率非常接近。

圖10 加入無源濾波器的系統仿真模型

表3 加入無源濾波器后高低壓側各次諧波電流含有率/%

4 結論

論文從電動汽車未來在居民配電網廣泛應用時所引起的集體諧波影響問題出發，建立了充電站或充電樁群的仿真模型。仿真分析充電機工作時對電網電能質量的影響，主要分析研究了各次諧波電流含有率、電流總諧波畸變率隨充電機臺數增加的變化規律及加入無源濾波器后各次諧波電流含有率、電流總諧波畸變率的變化情況。研究表明：

1）電動汽車充電機產生的諧波主要是次諧波，隨著充電機臺數的增加，電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率呈減小的趨向；相同充電機臺數時，5，7，…，19次諧波電流含有率依次減少，即諧波次數越大，其諧波含有率越小。

2）加入5、7次無源濾波器后，電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率都有降低，尤其5、7次諧波含有率降低更加顯著。無源濾波器能夠有效的有針對性的濾去某次諧波，效果顯著且成本低。

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The Study on Harmonic Level Evaluation and Suppression of Electric Vehicles

Lu Yueqiao Ding Liang Qian Xiangwei Huang Hua
(Shaoxing Power Supply Company,Ltd,Shaoxing,Zhejiang 312000)

The rapidly developing electric vehicle industry located at the end of the distribution network will produce a large number of harmonics and put forward severe challenges for power quality of the distribution network,so it is necessary for the electric car charging infrastructure to model and simulate and evaluate the harmonic level of influence.Design the charger connected to the electricity grid model and the model of the filter using Matlab/Simulink.Establish the simulation model of the rectifier charger controlled by the three-phase bridge and the passive filter,using fast Fourier transform to analyse the harmonic current without and with filtering.Every harmonic current is significantly reduced after adopting passive filter,reducing the current total harmonic distortion rate and the containing rate of each harmonic current.

electric vehicle;passive filterl;matlab/simulink simulation;harmonic suppression

魯月喬（1987-），男，浙江省紹興市人，碩士，助理工程師，主要研究方向為電力系統諧波隨機估計。