應用感應濾波原理構建的電動汽車充電站直流供電系統

王紹陽，李 勇，劉乾易，羅隆福

?

應用感應濾波原理構建的電動汽車充電站直流供電系統

王紹陽，李 勇，劉乾易，羅隆福

(國家電能變換與控制工程技術研究中心(湖南大學)， 湖南 長沙 410082)

針對當前電動汽車充電站運行效率低、諧波損耗等電能質量問題，提出了一種應用感應濾波方法的電動汽車充電站直流供電系統。該供電系統由感應濾波變壓器和12脈波整流橋構成，在負載側實現了電能質量治理，減少了諧波對電網的影響，降低了諧波對變壓器的損耗。通過介紹應用感應濾波原理構建的直流供電系統及其充電站的拓撲結構，建立了直流供電系統的等效電路模型，利用數學推導進一步分析了感應濾波方法在諧波抑制和無功補償方面的工作機理，得出了實施感應濾波方法的必要條件，最后搭建仿真模型測試了所提出的直流供電系統的濾波效果，驗證了該理論分析的正確性。

電動汽車；諧波抑制；無功補償；多脈波整流；感應濾波；直流供電系統

0 引言

電動汽車作為一種綠色無污染的交通工具，有著能源利用效率高、無移動廢棄排放等特點，已經成為緩解能源危機、推進可持續發展的重要手段[1-2]。現階段電動汽車充電站采用的是大功率高頻充電機電流通過充電樁內部的不可控整流橋，濾波后輸入高頻DC-DC功率變換模塊，功率模塊輸出再次濾波后為車載電池提供電源[3]。大功率高頻充電機是典型的非線性負荷，其內部含有大量電力電子器件，電力電子器件固有的非線性特性嚴重影響了電能質量，當其接入電力系統時不可避免地會引發諧波污染、無功損耗等問題[4]。

電動汽車充電站諧波治理的方法目前可以分為兩種。一種是從充電設備的內部構造考慮，如增大單臺充電機的濾波電感，減小充電機功率變化單元等效電阻，采用先進的功率因數校正技術代替普通的二極管整流橋等。另一種則是以充電樁整體作為考慮對象，主要有多脈波整流、PWM整流以及加裝濾波裝置等方法[5]。文獻[6]基于基波諧振原理和基波磁通補償原理提出一種改進型無源濾波方法；文獻[7-8]討論了電動汽車充電設備的分類及它們對供電系統電能質量的影響，并對采用有源濾波器進行諧波抑制和無功補償的原理結構進行了剖析；文獻[9]對電動汽車充電站并聯有源濾波器可能引起的充電站集電母線電流諧波放大效應進行了分析探究；文獻[10]詳細地對比了采用有源電力濾波器、十二脈整流以及PWM整流三種諧波抑制方法的效果。就目前的技術手段而言，在大型的電動汽車充電站中改造設備內部結構，采用PWM充電技術的建設成本較高，控制也更為復雜。實際應用中多采用加裝濾波裝置的方法，通過對濾波裝置合理配置無功補償容量可實現在抑制諧波的同時提升系統功率因數。

電動汽車充電站諧波治理的方法目前可以分為兩種。一種是從充電設備的內部構造考慮，如增大單臺充電機的濾波電感，減小充電機功率變化單元等效電阻，采用先進的功率因數校正技術代替普通的二極管整流橋等。另一種則是以充電樁整體作為考慮對象，主要有多脈波整流、PWM整流以及加裝濾波裝置等方法[5]。文獻[6]基于基波諧振原理和基波磁通補償原理提出一種改進型無源濾波方法；文獻[7-8]討論了電動汽車充電設備的分類及它們對供電系統電能質量的影響，并對采用有源濾波器進行諧波抑制和無功補償的原理結構進行了剖析；文獻[9]對電動汽車充電站并聯有源濾波器可能引起的充電站集電母線電流諧波放大效應進行了分析探究；文獻[10]詳細地對比了采用有源電力濾波器、十二脈整流以及PWM整流三種諧波抑制方法的效果。就目前的技術手段而言，在大型的電動汽車充電站中改造設備內部結構，采用PWM充電技術的建設成本較高，控制也更為復雜。實際應用中多采用加裝濾波裝置的方法，通過對濾波裝置合理配置無功補償容量可實現在抑制諧波的同時提升系統功率因數。

感應濾波是一種集諧波治理與無功補償功能于一身的新方法，其在整流變壓器的鐵芯上附加濾波繞組，使得特定次諧波流經閥側繞組產生的磁通能夠和濾波繞組感生出的反向磁通相互抵消，達到諧波消除及將諧波屏蔽在負載側的目的。文獻[10-13]通過建立諧波頻域下感應濾波的等效電路模型和數學模型，分析了感應濾波的諧波抑制和無功補償的原理，闡述了感應濾波的實現條件及感應變壓器的參數設計。

本文以12脈波整流技術為基礎，結合感應濾波技術，提出了一套適用于電動汽車充電站的直流供電系統。文章首先對新型電動汽車充電站結構作簡要介紹，接著建立單相等效電路模型及數學模型，從理論上揭示了其濾波機理。最后，設計建立仿真模型，驗證所提出系統的可行性與有效性。

1 感應濾波型電動汽車充電站

圖1為新型電動汽車充電站整體的電氣結構，左側為應用感應濾波原理構建的充電站直流供電系統，右側為充電站充電系統。

圖1 感應濾波型電動汽車充電站結構圖

電動汽車充電站直流供電系統主要由感應濾波變壓器及兩個并聯的三相不可控整流橋組成，作用是將電網交流電壓(35 kV)轉化為與充電系統相匹配的低壓直流電壓。電動汽車充電系統則包括了充電柱、大容量儲蓄電池、動力電池等電動汽車充電裝置。電動汽車充電站直流供電系統通過公共的直流母線與充電系統相連。

2 直流供電系統結構原理

2.1 系統結構

圖2 直流供電系統原理接線圖

綜上，應用感應濾波原理構建的電動汽車充電站直流供電系統能顯著提升系統工作效率，降低充電站建設成本，利于充電站的大規模建設。

2.2 濾波機理

考慮電源系統是三相對稱的，因此只需分析單相電路，圖3即為充電站直流供電系統的單相等效電路圖。整流變壓器閥側繞組所連接的非線性負載等效為諧波電源I2和I3，網側電壓為U。

圖3 系統單相等效電路圖

參考系統單相等效電路模型，根據安匝平衡定律，感應濾波變壓器4個繞組之間應滿足關系為

根據多繞組變壓器磁動勢平衡原理，得到網側繞組電壓與閥側繞組電壓、濾波繞組電壓之間關系為

式中：I含義同式(1)，U為網側繞組、閥側星接繞組、閥側角接繞組和濾波繞組電壓；Z為變壓器繞組等值阻抗(=1,2,3,4)。

結合圖3中電流流通路徑及基爾霍夫電壓/電流定律，可得關系式為

將來自充電系統的諧波電流等效到網側，得到

結合式(1)—式(5)，可得負載側諧波電流I、網側諧波背景電壓U和網側諧波電流I的影響關系為

由式(6)可以看出當負載諧波電流I和網側背景諧波電壓U為定值，網側諧波電流I大小將與諧波條件下變壓器的阻抗Z、網側系統阻抗Z以及濾波支路的阻抗Z密切相關。

2.3 系統無功補償原理

由式(6)得到網側基波電流表達式為

基波條件下，濾波支路阻抗值要遠大于網側系統阻抗以及變壓器短路阻抗，忽略網側系統阻抗以及變壓器短路阻抗對網側基波電流影響，式(7)可簡化為

忽略基波條件下濾波支路阻抗Z1中電阻部分，則網側基波電流表達式可簡化為

根據式(9)可得到網側電壓、電流基波相量圖，如圖4所示。由圖可知，未實施感應濾波時，網側基波電流為，相位滯后基波電壓φ1；在感應濾波支路作用后，網側基波電流增加了的容性無功電流，補償后基波電流變化為Is1，相位滯后基波電壓φ2。可以看出，在實施感應濾波后，基波電流與電壓之間相位差減少Δφ，網側基波電流幅值降低ΔIs1，此結果表明應用感應濾波方法可以有效提升系統功率因數，降低網側供電電流。

3 仿真分析

3.1 濾波性能分析

根據上述分析，利用仿真對理論分析進行驗證，對于規劃充電站容量1 600 kVA，結合充電站基本實際情況，仿真部分相關參數設計如表1、表2所示。

表1 感應濾波變壓器設計參數

表2 無源濾波支路設計參數

通過分析不同拓撲結構(傳統6脈波、傳統12脈波、結合感應濾波的12脈波)的網側電流波形，得到以下數據結果。

結合圖5、圖6和表3可知，傳統6脈波供電系統網側電流存在明顯畸變；采用12脈波整流技術后，電流波形有了較好的改善，5、7次諧波含量大幅度減少，但11、13次諧波含量沒有明顯變化，電流諧波的總畸變率(Total Harmonic Distortion, THD)為10.83%；加裝感應濾波裝置后，網側電流波形基本成正弦，5、7、11、13次諧波含量均降低至0.1 A以下，THD下降至1.86%。由此可知在12脈波整流技術基礎上結合感應濾波原理構造的直流供電系統諧波抑制效果顯著，能夠實現系統低耗高效運行的目標要求。

圖5 系統網側電流波形

表3 主要次諧波含量

圖6 系統網側電流波形諧波含量

3.2 功率因數分析

三相橋式整流電路功率因數測量方法，通過對系統基波因數、位移因數的測量，進而計算出系統功率因數。該方法中基波因數、位移因數和功率因數的關系式如式(10)所示。

式中：為功率因數；為基波因數；1為位移因數；1為基波電流有效值；為總電流有效值；為基波電流、電壓相位差。

分別對上述三種拓撲結構仿真模型進行功率因數測算，結果如表4所示。

表4 功率因數

由表4可知，相較于傳統6脈波供電系統，12脈波系統僅基波因數有較好改善，而應用感應濾波原理構建的12脈波供電系統基波因數、位移因數均有明顯提升。

4 結論

本文提出了一種應用感應濾波原理構建的12脈波電動汽車充電站直流供電系統。該系統將感應濾波與多脈沖整流技術進行融合，有效地減少了網側諧波電流畸變率，實現了在負載側無功功率就近補償和諧波電流就近抑制；直流母線的設計，減少了電能變換裝置的使用，降低了充電站建設成本。通過對比分析傳統與新型充電站供電系統的電路結構和諧波域數學模型，揭示了感應濾波諧波屏蔽及無功補償的基本原理，表明感應濾波技術具有良好的諧波抑制能力，能顯著提升系統運行效率及穩定性，適用于電動汽車充電等領域。

[1] 張秀釗, 陳姝敏, 王志敏, 等. 城市快速路口充電站多目標規劃[J]. 廣東電力, 2018, 31(4): 79-83.

ZHANG Xiuzhao, CHEN Shumin, WANG Zhimin, et al. Multi-obiective planning for charging station at city express way crossing[J]. Guangdong Electric Power, 2018, 31(4): 79-83.

[2] 周紅波. 電動汽車充電站諧波治理方案[J]. 電子技術與軟件工程, 2017(14): 245-245.

ZHOU Hongbo. Harmonic management plan of electric vehicles charging stations[J]. Electronic Technology & Software Engineering, 2017(14): 245-245.

[3] 周娟, 任國影, 魏琛, 等. 電動汽車交流充電樁諧波分析及諧波抑制研究[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(5): 18-25.

ZHOU Juan, REN Guoying, WEI Chen, et al. Harmonic analysis of electric vehicle AC charging spot and research on harmonic restriction[J]. Power System Protection and control, 2017, 45(5): 18-25.

[4] 鄭攀, 周羽生, 曾龍, 等. 電動汽車高頻充電機的諧波特性分析[J]. 電力學報, 2013, 28(2): 100-103, 113.

ZHENG Pan, ZHOU Yusheng, ZENG Long, et al. Analysis on harmonic characteristics of electric vehicle high-frequency charger[J]. Journal of Electric Power, 2013, 28(2): 100-103, 113.

[5] 李飛. 深圳電網電動汽車充電站諧波問題研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2014.

LI Fei. Harmonic research of electric vehicle charging station in Shenzhen power grid[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014.

[6] 吳凱, 程啟明, 王鶴霖, 等. 改進型無源濾波器在電動汽車充電機諧波治理上的應用研究[J]. 電測與儀表, 2014, 51(7): 94-100.

WU Kai, CHENG Qiming, WANG Helin, et al. Applied research of improved passive power filter on harmonic suppression of electric vehicle charger[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2014, 51(7): 94-100.

[7] 胡婷, 劉觀起, 韓笑, 等. 基于APF的電動汽車充電站諧波治理措施研究[J]. 電網與清潔能源, 2013, 29(7): 99-104.

HU Ting, LIU Guanqi, HAN Xiao, et al. Research on the harmonic management measures of electric vehicle charging stations based on APF[J]. Power System and Clean Energy, 2013, 29(07): 99-104.

[8] 尹春杰, 張倩, 劉振, 等. 電動汽車充電站供電系統無功補償與諧波治理[J]. 電力電子技術, 2011, 45(12): 63-65.

YIN Chunjie, ZHANG Qian, LIU Zhen, et al. The scheme of reactive compensation and harmonic suppression for the power supply system of electric vehicle charging station[J]. Power Electronics, 2011, 45(12): 63-65.

[9] 劉敏, 周曉霞, 陳慧春, 等. 采用三相不可控整流充電機的電動汽車充電站諧波放大效應分析與計算[J]. 電力系統保護與控制, 2016, 44(4): 36-43.

LIU Min, ZHOU Xiaoxia, CHEN Huichun, et al. Analysis and calculation on harmonic amplification effect of electric vehicle charging station using three-phase uncontrolled rectification charger[J]. Power System Protection and control, 2016, 44(4): 36-43.

[10] 杜學龍, 劉志珍, 王建, 等. 電動汽車充電站諧波抑制方法的對比分析[J]. 電力系統保護與控制, 2012, 40(19): 139-143, 149.

DU Xuelong, LIU Zhizhen, WANG Jian, et al. Comparative and analysis on harmonic suppression of EV charging stations[J]. Power System Protection and control, 2012, 40(19): 139-143, 149.

[11] 李勇, 羅隆福, 張志文, 等. 應用感應濾波原理構建的直流供電系統[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(22): 107-112.

LI Yong, LUO Longfu, ZHANG Zhiwen, et al. A dc power supply system developed with inductive filtering method[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(22): 107-112.

[12] LI Y, LUO L F, REHTANZ C, et al. An industrial DC power supply system based on an inductive filtering method[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(2): 714- 722.

[13] SHAO P F, LUO L F, LI Y, et al. Electromagnetic vibration analysis of the winding of a new HVDC converter transformer[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(1): 123-130.

[14] 劉文業, 羅隆福, 李勇, 等. 基于感應濾波的工業整流系統潛在諧波放大及防治措施[J]. 電工技術學報, 2014, 29(2): 304-317.

LIU Wenye, LUO Longfu, LI Yong, et al. Potential harmonic amplification and its prevention of industrial rectifier system based on inductive filtering method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(2): 304-317.

[15] 李璨, 杭乃善, 陳光會, 等. 智能電網中電動汽車充電站的諧波抑制方法研究[J]. 電網與清潔能源, 2012, 28(2): 11-15.

LI Can, HANG Naishan, CHEN Guanghui, et al. Harmonic reduction method of electric vehicles charging station in smart grid[J]. Power System and Clean Energy, 2012, 28(2): 11-15.

[16] 胡宇航, 皮一晨, 崔靜安, 等. 電動汽車充電站負荷建模研究[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(8): 107-112.

HU Yuhang, PI Yichen, CUI Jingan, et al. Research on electric vehicle charging station modeling[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(8): 107-112.

[17] BAI S Z, LUKIC S M. Unified active filter and energy storage system for an mw electric vehicle charging station[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(12): 5793-5803.

A DC power supply system of electric vehicle charging station developed with inductive filtering method

WANG Shaoyang, LI Yong, LIU Qianyi, LUO Longfu

(National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center, Hunan University, Changsha 410082, China)

Aiming at the problems of low operating efficiency and harmonic loss of Electric Vehicle (EV) charging station, a DC power supply system with inductive filtering method for EV charging station is proposed. The power supply system is composed of the inductive filtering transformer and a 12-pulse rectifier bridge, which realizes the power quality management on the load side, reduces the influence of harmonic on the power grid and lowers the loss of harmonic on the transformer. By introducing a topology of EV charging station and DC power supply system in which inductive filtering method is applied, the equivalent circuit model of DC power supply system is established. By means of the mathematical derivation, the operating mechanism and reactive power compensation of the inductive filtering are further analyzed and the necessary conditions for the implementation of the inductive filtering method are obtained. Finally, a simulation model, which is used to test the filtering effect of DC power supply system, is built. The simulation results verify the correctness of the theoretical analysis.

This work is supported by Key Research and Development Program of Hunan Province (No. 2018GK2031) and Distinguished Youth Innovation Program of Changsha (No. KQ1707003).

electric vehicles; harmonic suppression; reactive power compensation; multipulse rectifier; inductive filtering; DC power supply system

2018-07-12

王紹陽(1994—)，男，碩士研究生，研究方向為電能優化與控制；E-mail: wsy0670@foxmail.com

李 勇(1982—)，男，通信作者，教授，博士生導師，研究方向為能源/電力系統優化運行與控制、電能變換系統與裝備。E-mail: liyong1881@163.com

湖南省重點研發計劃項目資助(2018GK2031)，長沙市杰出青年創新項目資助(KQ1707003)