一種充電樁諧波治理裝置的研制

蔣鵬為 楊俊燁 林懷德

（廣東電網有限責任公司佛山供電局）

0 引言

當下，新能源汽車發展迅速，然而新能源汽車的充電勢必對配電網產生影響，特別是諧波方面不容忽視。研制充電樁諧波治理裝置，就是要未雨綢繆，在電動汽車大規模影響配電網絡前，對這類新出現的負荷進行有效研究，杜絕其對配網線路和設備產生不良影響，保證新能源汽車的綠色環保優勢和配電網的安全。

1 概述

目前充電樁主要有直流和交流兩種形式，兩種充電樁在充電過程中都會產生諧波電壓和諧波電流，進而對配電網的電能輸送質量產生影響，極端的甚至會造成配電設備跳閘和燒壞。

直流樁一般功率較大，常見的為100kW 左右，一般設計在專用的電動車充電場地，常見的有高速公路服務器、城市電動公交車站場、收費充電停車場等，直流樁的體積一般較大，占地較多，相應的設計也較為完善，自身可以處理充電時產生的諧波，一般來說對電網不會產生較大的危害；而交流充電樁一般采用單相供電，功率為7kW 左右，其充電原理是采用車載充電機將交流電整流成直流，進而給車載電池充電，因為交流充電樁體積小，占地少，一般小區的停車場內采用的都是交流充電樁，我們研發的裝置，主要針對的就是城市小區內的交流充電樁。

2 理論分析

諧波對電網的運行存在一定的危害，由于充電樁所帶負荷一般為非線性負荷，所以在充電過程中，整流器將會產生一定的高次諧波，通過零線，注入電網；影響電網的電壓質量，進而產生一些不好的影響，比如增加輸電線路電能損耗、降低功率因數、降低配電無功補償設備壽命、降低繼電保護的可靠性、干擾控制系統穩定工作等。

實際中交流充電樁對應的車載常用的三相橋式整流型電路的理想等效模型如圖1 所示，利用傅里葉諧波分析理論對該模型產生的諧波進行理論分析，得出諧波的規律為：充電整流電路是半波對稱的，所以無偶次諧波，主要為奇次諧波，僅含6k±1（k為正整數）次諧波，即5、7、11、13、17、19 次諧波，各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

圖1 三相橋式整流型電路的理想等效模型

根據《電能質量 公用電網諧波》（GB/T14549—1993）等國家標準要求，公共連接點注入的諧波電流分量允許值如表1 所示。

表1 諧波電流分量允許值

當公共連接點處的最小短路容量不同于基準短路容量時，上表中的諧波電流允許值按以下公式進行換算。

考核點的最小短路容量Sk1不同于假定基準最小短路容量Sk2時，應按照國標附錄B 進行換算，換算公式如下：

式中，Sk1為實際公共連接點的最小短路容量，MVA；Sk2為基準短路容量，MVA；Ihp為國標表6-2中的第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，A。

經過實際驗證發現充電樁諧波問題真實存在，有改良和治理的必要，為此，提出進行一種充電樁諧波治理裝置的研制。

3 典型場景

為配合充電樁諧波治理裝置的研制，選取廣東某區供電局下轄城鎮住宅小區（某光小區A 和某城小區B）內的公用配電網進行研究。

根據配電系統提供的數據和用電客戶反饋，這兩個小區曾經在夜晚10～11 點左右發生配電開關跳閘事件，并導致小區部分區域停電，居民意見比較大。

翻查后臺系統發現，在發生跳閘事件的當天，小區內的負荷較為正常，并未出現過負荷的現象，因此也就不存在長時間過負荷引起開關設備觸發長延時電流保護跳閘，同時，變壓器的三相負載也是較為均衡的，不存在中性線電流過大的問題，從而引發中性點保護跳閘的問題。接著又通過搖絕緣試驗和外觀檢查排除了配電設備本身的質量問題。

繼續排查系統后，發現在某光小區A 里，在近期新增了一部分充電樁專用電表，這些電表有些為單相，報裝容量7kW；有些為三相交流快充充電樁，使用的是三相電表，報裝容量為15kW。經過統計，在A 小區里，發生開關跳閘事件的臺區下，一共有11戶報裝了充電樁專用電表，總的報裝容量為125kW。因為充電樁專用電表可以享受峰谷電價，因此，大多數充電樁的用戶都是在電壓低谷，也就是晚上10 點以后開啟電動車充電的，與發生開關跳閘存在時間上的關聯。

因此重點懷疑是充電樁用戶使用的同期率較高，在差不多同一時間開啟非線性負荷的充電工作，會引起諧波電流耦合振蕩，在配電網的零線上造成較多的諧波電流通過，從而引發開關設備的中性線電流保護跳閘。

選取晚上8 點半至第二天的凌晨4 點左右，測試地點為各交流充電樁接入的公用配電站內，低壓母線A、B、C 相線上的電流值。采用的測試設備為日置（HIOKI）3198 電能質量分析儀。A 小區電流諧波的測試結果如表2 所示。

表2 A 小區電流諧波的測試結果

結果顯示，在被測小區中，諧波電流主要存在于3、5 次中，其中5 次諧波量最大，超過5.75A 的標準電流限值。證實了小區內開關設備跳閘是因為存在較大的諧波電流。其中由非線性負荷引起的諧波電流中，5 次諧波的含量最大，也是重點治理的方向。

在B 小區中，從系統中導出的數據顯示，一共有15 戶報裝了充電樁專用電表，總的報裝容量為185kW，情況較為類似，配網零線中也存在同樣的情況，這就消除了不同品牌設備對測量結果的影響。

4 裝置設計

根據交流充電樁的不同，本次研制的裝置分為兩種，一種為單相交流充電樁的諧波治理裝置，另外一種為三相交流充電樁的諧波治理裝置，分別適用于不同類型的充電樁。

（1）硬件線路

單相交流充電樁諧波治理裝置的硬件線路圖如圖2 所示，D1為電源側方向，為公用電房出來的火線和零線，非線性負載代表正在工作的交流充電樁，其在充電時并不是恒定負載，會不定時地釋放諧波電流，所以簡化成一個非線性負載。

圖2 單相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

虛線框內為所設計的諧波治理裝置，其一端和火線相連，另外一端和零線相連，在電路上和非線性負荷構成并聯的關系。裝置內部有三條并行的線路，分別由L，C和R構成一個基本的諧振電路，每條諧振支路都可以由控制器單獨開啟，在加入控制器后，諧波治理裝置的運行比較智能，可以根據非線性負載的工況實時變化，并且在實際運行中，如果L、C或R元件存在故障，在控制器的幫助下，也可以很快檢測出基礎元器件的故障，從而快速切除，避免發生短路故障。

三相交流充電樁治理裝置的工作方式類似，其內部含有過濾不同頻率諧波的元件，分別由不同的控制器控制，該裝置整體接入三相交流電源，具體安裝位置為三相電流表的表前，裝置的控制器可以根據三相非線性負載開啟不同頻率的濾波元件，減小甚至消除三相不平衡負荷產生的諧波，保證配電網電能質量，如圖3 所示。

圖3 三相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

對于治理裝置的控制器，采用功能齊全的FPGA開發板進行研發，其內置多種邏輯控制芯片，是承載治理控制邏輯的良好載體。

選用國產FPGA 開發板進行研發，其接口較多，并且容易開發，在此開發板上，可以通過加裝RS485模塊，實現與充電樁專用智能電表的通訊功能，通過智能電表的CT，可以檢測出電表后的非線性負荷什么時候開始工作，來決定何時開啟控制器及諧波治理裝置。

（2）控制器控制流程

控制器的軟件控制流程如圖4 所示。

圖4 軟件流程圖

治理裝置的兩端分別接入單相電源的火線和零線，治理裝置的控制器可以和處于裝置后段的智能電表進行通信，通過電表的CT 檢測負載是否開啟，當單相交流充電樁開始工作的時候，電表CT 中有電流通過，控制器啟動；而即非線性負載開始產生諧波的時候，控制器開始接通內部的部分濾波元件開始濾波，當濾波器檢測到還有更高頻次的諧波通過零線時，控制器會開啟更多的濾波器件，降低諧波含量。

（3）裝置應達到的技術參數

裝置的絕緣電阻：參考《低壓有源電力濾波器技術規范》（DL/T 1796—2017）中對絕緣電阻的規定：裝置中帶電回路之間、帶電回路與裸露導電部件以及帶電回路與地之間的絕緣，應采用相應絕緣電壓等級（至少 500V） 的絕緣測量儀器測量。測得的絕緣電阻按標稱電壓應至少為50MΩ。

裝置的損耗：參考《低壓有源電力濾波器技術規范》（DL/T 1796—2017）對設備損耗的規定：裝置在額定電壓下按基波無功模式運行，當輸出額定電流時，其有功功率損耗應不大于裝置額定視在功率的3%。對于所設計的單相諧波治理裝置而言，其額定功率為7kW，即其有功損耗不大于210W；對于三相諧波治理裝置來說，其額定功率為15kW，即其有功損耗不大于450W。

5 安裝使用

經過現場檢查，A 小區內11 戶充電樁一共有10戶的電表表前可以安裝諧波治理裝置，B 小區一共有13 戶電表表前有空間和位置，條件允許，也安裝了諧波治理裝置。

在安裝后，也對裝置的安裝效果進行了檢查和試驗，發現裝置在后段電表不工作時，電阻大于2500MΩ，工作正常，而在后段非線性負荷開啟后，裝置也開始正常工作，功耗僅為50W，達到了設計要求。

6 效果比較

（1）技術效益比對

在充電專用電表表前安裝諧波治理裝置后，對設備的效果開展了效果檢驗。同樣的，測試時間為晚上8 點半至第二天的凌晨4 點左右，測試地點為各交流充電樁接入的公用配電站內，低壓母線A、B、C相線上的電流值。采用的測試設備為日置（HIOKI）3198 電能質量分析儀。A 小區電流諧波的測試結果如表3 所示。

表3 A 小區電流諧波的測試結果

對比以后發現，諧波治理裝置對充電樁產生的諧波有比較明顯的治理作用，明顯降低了配網線路中電流的諧波畸變率，并提高了該配網臺區的功率因數。

（2）社會效益比對

一般來說，充電樁安裝集中的小區都是服務意識較高的居民用戶，其對停電事件異常敏感。之前，由于停電的原因尚未摸清，每次跳閘復電的時間都在1h 左右，每月都會發生3 起上下，如果所有具備條件安裝充電樁的小區，同步安裝了充電樁諧波治理裝置，可大大降低停電事件的發生次數，節約搶修費用、搶修人員的同時，可大大提高供電可靠性，降低停電時戶數，為保障縣區供電局作為先鋒模范打造的國內供電可靠性一流供電企業做出貢獻。

7 結束語

本文通過研發一種充電樁諧波治理裝置，成功將試點小區內的配網諧波進行了有效治理，具有良好的技術、經濟應用前景。而對充電樁諧波的有效治理，有利于提高整套充電系統的效率，減少系統的損耗，保證電能計量的準確性和充電樁通信系統的穩定性，同時也使得電動汽車充電裝置能更好地滿足智能電網的要求，從而促進電動汽車產業的發展。