電動汽車充電機(站)的諧波影響仿真分析

張秀磊，藺 紅

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電動汽車充電機(站)的諧波影響仿真分析

張秀磊，藺 紅

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著現代電動汽車的普及和大容量電池技術的推廣，電動汽車制造的技術成本在逐年降低，數量也將急劇增長。電動汽車充電會對電網產生嚴重的諧波影響，電動汽車充電的大功率充電機采用現代電力電子技術是高度非線性用電設備。基于大量電動汽車充電需求的合理充電技術，防止電網被諧波干擾，研究電動汽車充電機非線性等效模型的可行性，分別對單臺充電機和充電站進行建模，仿真分析了充電機臺數不一樣的情況下產生的諧波特性。仿真結果表明：在一定數目的充電機工作的情況下，充電站需要采用濾波器等諧波抑制裝置，才能保證所建充電機(站)接入系統運行能夠滿足國家諧波標準。

電動汽車；充電機(站)；諧波分析；濾波器

0 引言

近年來，隨著電動汽車的普及，電動汽車充電站帶來的電能質量問題越來越受到人們的重視。電動汽車以電代油，實現了零排放、低噪音，是目前解決能源和環境問題的重要手段。電動汽車作為新的背景下新能源汽車的代表，相對以汽油燃料等傳統能源作為動力的電動汽車而言，在環保、清潔、節能等方面占據明顯的優勢。大力發展電動汽車是落實科學發展觀、實施國家能源戰略和實現節能減排、建設資源節約型和環境友好型社會的戰略措施。其中純電動汽車的發展被認為是汽車工業的未來[1]。

隨著未來大量密集的電動汽車出現，充電樁等非線性設備對公共電網的諧波污染將會對電網的電能質量造成很大影響。由于電動汽車尚處于初期市場推廣階段，充電樁和充電站的數量還是很有限，缺乏實際數據作為研究支撐。長期以來，非線性設備對公共電網造成的諧波污染以及諧波監測和濾波問題受到了廣泛關注。目前國際上尚未在電動汽車充電方面出臺相應的標準，我國各地已建的示范充電站在前沿技術方面均存在差異，官方雖出臺了充電接口的相應標準《GB/T電動汽車傳導式充電接口》等，但并未對充電技術做出明確的解釋說明。國內外學者對這一方面的研究處在探索階段。文獻[2]建立了單臺三相不可控整流充電機模型，并分析了多臺充電機的諧波特征。文獻[3]分析了由不同整流裝置構成的充電機接入系統產生的諧波影響。文獻[4]建立了含車載充電機的住宅區傳統三相配電網和新型單相配電網仿真模型，分析了車載充電機接入小區時產生的諧波影響。文獻[5]利用某一型號充電機參數建立充電機(站)的Matlab仿真模型，然后釆用快速傅里葉變換(FFT)對仿真數據進行諧波分析。以上關于充電站諧波仿真研究多是將充電機的等效電阻進行線性分段來進行研究，未能體現出電動汽車動力電池充電曲線的連續性，另外，當前研究單臺充電機等效模型和多臺同類型充電機同時工作的文獻較多，而研究將有源濾波器加入充電裝置的文獻較少。

本文使用Matlab構建充電機的仿真模型，根據其實際參數和電池的工作過程數據分析其產生諧波的原因，并跟實際觀測數據進行比較，驗證充電機模型方針的可行性；以此為理論依據，建立充電機電力系統整體模型，并分析其產生的諧波特性。從電動汽車充電機(站)對電力系統諧波方面的影響進行了研究。

1 建立充電機(站)的Matlab仿真模型

首先搭建某一型號充電機的單臺充電機仿真模型，進而搭建整個充電機(站)的Matlab仿真模型。

電動汽車充電機是一種非線性設備，工作時產生的諧波電流很高。目前，使用最多的是由三相不可控整流電路與DC/DC功率變換器構成的充電機，其具有成本低、諧波含量高等特點，典型結構見圖1。其工作原理是三相不可控整流電路對三相交流電進行整流，經由電阻f、電感f和電容f組成的濾波電路為DC/DC功率變換電路提供直流輸入，經輸出濾波電路為電動汽車蓄電池提供電源。

圖1 單臺三相不可控整流充電機結構框圖

雖然動力蓄電池的充電過程很長，但在一個微元s中可以認為充電機的輸出電流0和輸出電壓0是恒定的，即可用1個電阻c來近似模擬DC/DC功率變換電路的等效輸入阻抗。

式中：1、1和1分別為高頻功率變換電路的輸入電壓、電流和功率；0、0和0分別為高頻功率變換電路的輸出電壓、電流和功率；為功率變換模塊效率。

單臺三相不可控整流充電機充電機的等效模型如圖2中所示。其中f為線路及電感f等的等效電阻，電阻值一般較小，可忽略不計。

圖2 單臺三相不可控整流充電機等效模型

據式(1)可知，c也隨著動力蓄電池充電過程而發生變化，如圖3所示。

圖3 充電過程中Rc變化曲線

2 充電機(站)仿真模型驗證

對建立的單臺充電機仿真模型和充電站模型進行諧波特性分析，仿真結果表明，建立的仿真模型滿足實際工程計算。

2.1 單臺充電機等效模型驗證

建立充電機仿真等效模型如圖4所示。

建立的非線性等效電阻在整個充電周期內都會發生變化，采用15 kW的某型號充電機進行仿真分析,其輸出功率0()隨動力蓄電池充電過程而變化，如圖5所示。

圖4 充電機仿真等效模型

圖5 充電機輸出功率P0曲線

式中：為時間，單位為min；P0max為最大輸出功率，單位為kW。由式(2)畫出充電機輸出功率曲線，如圖5所示。

對公共電網的電力設備質量的影響，通過對充電器的電源質量測試，計算模型的電力負荷。計算得到在0.4 kV側主要出現了5、7次諧波，實測A相電流及諧波電流值如表1所示。為了驗證仿真模型的有效性，仿真數據與實測數據對比，得到表1。表中數據測量采用GB測量，以95%為標準概率測量周期的每個階段的測量值。

表1 仿真數據與實際數據對比

Table 1 Comparison of simulation data with actual data

由表1可知，仿真計算值與實際測量數據誤差不大于5%，所以仿真模型可以用于工程計算。

保持諧波電路中電阻和的值不變，改變電感f，仿真結果如表2所示。

表2 不同f的基波、各次諧波有效值

Table 2 Different Lf fundamental and subharmonic effective values

仿真結果表明：當c和保持不變時，濾波電感f增大，次諧波阻抗n也會增加大，這樣可以減少THD和諧波電流。

2.2 充電站等效仿真模型驗證

以國家電網諧波標準為數據基礎，對參考電位點的電流電壓分析。由于充電器的三相橋式整流電路為非線性電器元件，將正弦電壓加載在電路上后，得到的電流為非正弦波，在電路阻抗上產生阻抗角，最終系統中會得到畸變的諧波，不考慮畸變，把其定為正弦波形，對諧波進行分析。

搭建充電站仿真模型如圖6所示。

圖6 充電站仿真等效模型

模擬了1臺、5臺、10臺、20臺充電機充電時的狀態，能夠得到以下結論：諧波次數仍然主要為5，7，11，13，而5次的諧波電流最大，7次諧波略小，見圖7。

將諧波和充電站的諧波電流限值比較，如表3所示。因為三繞組變壓器220 kV電源變電站(250 MVA)，高中低三繞組容量比為1:1:1，所以，按照國際標準方法計算，并將諧波值歸算至10 kV側，供電能力與220 kV側、10 kV側相同，供電容量250 MVA，分母太大，諧波限值非常小，如表3所示。因此，5次諧波超標收費站4個充電器同時運行。充電站兩個10 kV電纜在每行，每105個充電器，70%的工作負荷，計算各收費站進線必然超標，因此產生諧波電流，充電站需要提供諧波抑制裝置。

圖7 10臺充電機工作時基波、各次諧波有效值

表3 各次諧波電流的仿真值

由表3可以看出，在滿足國家諧波限值的范圍之內，為減少諧波同時工作的充電機的臺數是一定的。因此，限制了充電站的發展，基于此在多臺充電機與電網相連時加入有源濾波器(APF)可以很大程度上減小諧波。

3 結論

電動汽車充電機(站)會產生電流諧波注入供電網，對電網造成污染。

緊密聯系工程實際問題，本文對充電機(站)充電時產生諧波的問題進行了研究。首先根據某一型號充電機參數建立單臺充電機的Matlab仿真模型。仿真結果表明：充電機在正常工作情況下，0.4 kV側主要出現5、7次諧波，其次仿真值可以用于工程計算，還有電流畸變率THD和諧波電流的大小會受到濾波裝置中電感的影響。對充電站的仿真結果表明：在多臺充電機同時充電的情況下會存在諧波相互抵消的現象，在一定充電機數目的情況下，諧波值滿足國家電網諧波閥限標準，但對于大型充電站的建設，充電機需要加入有源濾波器等諧波抑制裝置來減少諧波，提高電能質量。

通過將仿真數據和實際數據對比，證明了充電機(站)仿真模型的有效性和實用性。

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Modeling and harmonic characteristic analysis of electric vehicle charger (station)

ZHANG Xiulei, LIN Hong

(School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

With the popularization of modern electric vehicles and the promotion of large-capacity battery technology, the technical cost of electric vehicle manufacturing is also decreasing year by year, and the number will also increase dramatically. Electric vehicle charging will have serious harmonic effects on the power grid. The high-power charger for electric vehicle charging adopts modern power electronic technology, which is a highly nonlinear electrical equipment. Based on the reasonable charging technology of a large number of electric vehicle charging requirements, the grid is protected from harmonic interference. This paper studies the feasibility of the nonlinear equivalent model of electric vehicle chargers, models the single charger and charging station respectively, and simulates the harmonic characteristics generated under different conditions of the number of chargers. The simulation results show that the charging station needs to adopt measures such as filters and other harmonic suppression devices to ensure that the built-in charger (station) access system can meet the national harmonic standards.

This work is supported by Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region (No. 2017D01C029).

electric vehicle; charger (station); harmonic analysis; wave filter

2018-07-25；

2018-08-22

張秀磊(1991—)，男，河南，碩士研究生，主要從事電力系統建模及控制策略；E-mail: 2756529382@qq.com

藺 紅(1969—)，女，副教授，碩士生導師，電力系統穩定與控制及風力發電技術工作。E-mail: xjulh69@163.com

新疆維吾爾自治區自然科學基金項目(2017D01C029)