智能電網中電動汽車充電站的諧波抑制方法研究

王輝東 徐宣煊

摘要：當前，國家積極推行節能環保政策，在此背景下，電動汽車應運而生，同時，為電動汽車供能的充電站數量也逐漸增長。但充電站中所包含的整流環節中含有非線性電力電子器件，使用過程中會給電網注入大量諧波，影響其電能質量。因此，加強對充電站諧波進行抑制刻不容緩。

關鍵詞：智能電網;電動汽車充電站;諧波抑制方法

引言

為了滿足電動汽車電池充電或更換的需要，電網部門必須建設廣泛、方便、快捷的電動汽車充電站。對電網而言，充電站的充電機是一個非線性負載，隨著充電工作的進行，將給電網注入較大的諧波電流。諧波的出現會對電網的正常運行帶來一系列的危害，所以解決充電站的諧波問題，對于電動汽車的推廣有重大意義。

1電動汽車充電站

電動汽車充電站跟現代汽車加油站類似，都是給予動力的續航。電動汽車充電可分為：常規充電、快速充電、機械充電，便于攜帶式充電等充電方式，以上充電方式除了方便攜帶可以安裝、存放在小區、住宅、其余的充電方式都需要設置一個電動汽車充電站。在此集中地點充電，可以高效的控制車主拎電池到家，杜絕亂拉亂接電線帶來的安全隱患，集中管理車輛的秩序，充電裝置在電池充滿電后會自動結束充電，減少因充電過多電池爆炸，帶來的安全隱患，延長電池的使用壽命。目前，我們國家正大力支持節能環保的電動汽車，所以電動汽車充電站也就相應的增多a。從而充電站諧波帶來的影響也就成為了人們更加關注的焦點。

2諧波污染影響

電動汽車充電站所采用的設備，主要是由整流器以及直流變換器組成，主要是依靠電力電子裝置的變換，來為電動汽車進行供電。但是這些電力電子裝置本身屬于非線性、沖擊性的設備，大量接入到配電網當中，會嚴重影響配電網的正常運行，產生大量的諧波危害配電網的安全性。其主要危害體現在以下兩個方面：

（1）電力危害：一方面會嚴重影響旋轉電機等設備的運行，導致設備出現發熱，導致設備的電氣元件受損或者設備發生故障，降低了設備的耐久性;另外一方面諧波污染還會影響電能的計量，加劇了電能資源的損耗，導致電能計算的錯誤率升高，增加了充電支付費用。

（2）信號干擾：諧波污染會產生電磁干擾，影響通信系統以及傳感器設備的正常運行，導致部分控制系統或者保護裝置無法正常工作，嚴重危害配電網的安全穩定運行。

3智能電網中電動汽車充電站的諧波抑制方法

3.1無源濾波器的應用

無源濾波器一般是由無源器件電感、電容和電阻通過串聯或并聯組合而成，因其結構比較簡單、價格便宜，還可以補償一部分無功功率，無源濾波器在電力系統中仍然有著廣泛的應用。無源濾波器的原理是針對特定次諧波的低阻特性，通過設計合適的參數將諧波電流接地以達到濾波效果。通過對電動汽車的諧波分析，發現其5次、7次諧波電流含量占比很大，而13次及以上的諧波電流含量己經相對較小，可以忽略其高次諧波的影響。因此對充電站諧波治理，可以利用無源濾波器中的5，7次單調諧濾波器進行諧波治理，單調諧濾波器的參數列于表1所示。

通過Simulink平臺，搭建充電站中無源濾波器諧波治理模型如圖1所示。

通過對比可以看出，無源濾波器接入系統后，充電站產生的諧波得到了一定的治理。但總的諧波含量仍然較高，達到了24.78070。由于充電站中各臺充電機工作具有隨機性，無源濾波器的動態補償能力就會顯得明顯不足。因此，本文根據電動汽車充電站的諧波特性針對性的設計了混合有源濾波器來治理諧波的方法。

3.2有源濾波器的應用

有源濾波器（Active Power Filter，APF）是電動汽車充電站治理諧波的重要措施。然而，在不合理控制方式下，并聯APF可能導致電動車充電站諧波電流被嚴重放大。APF對諧波進行抑制具有動態快速響應、效率高等優勢，與LC無源濾波器相比，APF功能具有多樣性，既可以補償諧波，又可以補償無功，可連續調節，并可對多個諧波源同時進行抑制或補償，不易發生諧振。針對電動汽車充電站中存在的諧波問題，將APF用于其中，能夠抑制充電機充電過程所引起的諧波對電網的安全穩定運行所帶來的負面影響。APF接入系統包含串聯型接入方式、并聯型接入方式和混合型接入方式三種，使用最多的接入方式是并聯型接入方式。并聯方式APF和負荷接入電網，可當作電流源處理。APF接入充電站抑制諧波的連接原理圖如圖2所示，對電流進行檢測的指令回路和對電流進行補償的生成電路共同構成APF。對電流進行檢測的指令回路主要負責提取負載電流中的諧波和無功成分。由于基波電流通常比諧波電流檢測更為方便，故采用檢測基波電流的方式來生成指令電流。電流補償電路則根據制定的指令參考信號來控制各開關管的開關狀態，生成相應的驅動脈沖，從而得到所需的電流。

將電流檢測的指令回路計算的參考電流值和補償電流值作差，送入到滯環比較控制器，經過滯環比較即可得到APF開關器件的脈沖信號，滯環控制的原理為：當參考電流值和補償電流值之差超過一定范圍，APF主電路中的開關器件便產生動作，使兩者之差維持在滯環寬度內，即補償電流值在開關信號的作用下可以維持在參考電流值的上下限范圍內。在滯環控制策略中，環寬的設置尤為重要。環寬較大將會使開關器件的開關動作次數減小，產生較大誤差;環寬較小使開關器件動作靈敏、頻繁，增大開關損耗，因此需要選擇合適的環寬以滿足系統要求。在電動汽車充電站中接入APF進行諧波抑制的原理如下所示：電流檢測的指令回路基于瞬時無功功率理論對充電機負載中的諧波成分進行檢測，以得到參考補償信號，輸入到滯環控制器中進行檢測計算，生成APF電路開關器件的脈沖控制方式，從而得出和充電機負載諧波含量大小相同、方向相反的補償成分，使流向電網中的電流只含有基波成分，起到抑制諧波功能。

3.3混合有源濾波器的應用

混合有源濾波器是由有源濾波器（APF）和無源濾波器（PPF）并聯組合而成，利用無源濾波器可以很好濾除特定次諧波、有源濾波器有著較好動態濾波的特點共同濾除充電站產生的諧波，其中無源濾波器還具有一定的無功補償能力。電動汽車充電站工作時產生的5，7次諧波的占比很高，針對這一特性，設計了由5，7次兩個單調諧濾波器組成的無源濾波部分。利用LC低通濾波器進行輸出濾波器，能夠很好的濾除高頻毛刺的影響。有源濾波器和無源濾波器利用禍合變壓器的變比可以合理的匹配器電壓和電流，另外變壓器還具有對有源濾波和無源濾波部分進行電氣隔離的作用。因為濾波器中的濾波電感、電容會引起基波諧振，從而使基波電流都注入無源濾波器，這樣有源濾波器就不受基波電流和電壓的影響，相應的選擇小容量的有源濾波器也可以達到很好的濾波效果，降低了濾波成本的同時又達到了抑制諧波的目的。

結語

綜上，隨著電動汽車的推廣，對電動汽車充電站的需求也在不斷增長，相關工作者必須重視對電動汽車電池充電特性以及相關充電設施的研究，深入分析電動汽車充電站對配電網所造成的影響，采取有效解決方案優化充電站的設計，降低其對配電網的影響，推動電動汽車行業的可持續發展。

參考文獻

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