智能電網(wǎng)中電動汽車充電站的諧波抑制方法研究

李璨,杭乃善,陳光會,盧珊,吳昕

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西南寧530023）

為了滿足電動汽車電池充電或更換的需要，電網(wǎng)部門必須建設廣泛、方便、快捷的電動汽車充電站。對電網(wǎng)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(wǎng)注入較大的諧波電流[2-4]。諧波的出現(xiàn)會對電網(wǎng)的正常運行帶來一系列的危害[5]，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。

目前，在電力系統(tǒng)中通常采用2種方法進行諧波抑制：一是采取措施減少電力電子設備自身產(chǎn)生的諧波。多脈動整流技術(shù)就是典型的通過改進電力電子設備自身進行諧波治理的方法，采用此種方法可以將諧波電流在電網(wǎng)側(cè)進行有效的抵消[6-9]。二是增設濾波裝置濾除電網(wǎng)中的諧波。在工程中裝設的濾波裝置包括無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器價格相對低廉，采用電容和電感元件組成濾波電路，在諧振頻率下合成阻抗為0，迫使該次諧波電流流向濾波支路，不能傳播到電網(wǎng)造成危害，但是其濾波效果有限；有源濾波器在工程應用時要備有諧波發(fā)生源和大功率晶閘管元器件，還要配有跟蹤控制和脈寬調(diào)制系統(tǒng)[10]，雖濾波效能優(yōu)越，但成本費用高，技術(shù)難度大。

基于此，本文結(jié)合電動汽車充電站的實際特點與濾波裝置的成本，確定出以12脈動整流變壓器向電動汽車充電站供電的方案，如果再在12脈動整流變壓器的電網(wǎng)側(cè)裝設一組無源濾波器，則諧波抑制效果更佳，本文通過原理分析與實驗進行驗證。

1 現(xiàn)有電動汽車充電機簡介

根據(jù)現(xiàn)有的電動汽車充電機的工作原理，可將充電機分為3類：

第一類充電機由三相不控整流與斬波器組成，屬于早期產(chǎn)品。這類充電機電網(wǎng)側(cè)的交流電流畸變嚴重，對電網(wǎng)注入大量的諧波電流。此類充電機不適合接入電網(wǎng)。

第二類由三相不控整流與DC/DC功率變換器組成，是目前國內(nèi)外廣泛采用的方式，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型充電機一般結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The general structure diagram of typical battery charger

此類充電機以常用的6脈動不控整流橋作為充電機的整流電路，充電機電網(wǎng)側(cè)電流的主要諧波次數(shù)為6k±1，（k=1，2，3，…），電網(wǎng)側(cè)電流總的諧波畸變率可低于35%，較第一類充電機有較大的改善。

第三類由PWM整流與DC/DC變換器組成。此類充電機利用了三相PWM整流方法來抑制電網(wǎng)側(cè)的諧波，網(wǎng)側(cè)電流畸變率可小于5%。但是目前PWM整流技術(shù)還處于研究階段，技術(shù)尚不成熟，而且成本高，設備復雜，可靠性低。

2 12脈動充電機的諧波分析

圖2為串聯(lián)型12脈動整流充電機電路結(jié)構(gòu)圖。2個橋式電路的電源由一臺三繞組變壓器供電，二次側(cè)的2個繞組一個接成星形，一個接成三角形，三角形連接組的輸出線電壓超前星形連接組輸出線電壓30°。

圖2 12脈動整流充電機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of 12 impulsion rectifying battery charger

分析12脈動整流變壓器電網(wǎng)側(cè)的諧波時,可將12脈動整流變壓器分為2部分進行分析，即分別分析Y/Y與Y/Δ變壓器交流側(cè)的電流，再將2個電流進行疊加,計算出12脈動充電機電網(wǎng)側(cè)的諧波。

以A相電路為例。分析Y/Y變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時電流近似為方波波形，忽略電流的初相位，標幺值形式的數(shù)學表達式如下：

其傅里葉級數(shù)為：

當Y/Δ變壓器向三相不控整流供電時，以A相電路為例分析變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時電流近似為“品”字型波形，標幺值形式的數(shù)學表達式如下：

展開傅里葉級數(shù)為：

根據(jù)式（2）和式（4），12脈動整流三繞組變壓器的電網(wǎng)側(cè)的A相電流為：

此時電網(wǎng)側(cè)電流中的主要次諧波5次和7次諧波保持抵消狀態(tài)，電流中只含有少量的6k±1（k=1，2，3，…）次諧波。可見，12脈動整流變壓器電網(wǎng)側(cè)的諧波電流較6脈動整流變壓器有較大改善。

3 無源濾波器原理分析

對于采用12脈動整流變壓器供電的電動汽車充電機來說，其電網(wǎng)側(cè)電流已經(jīng)比較趨向正弦。如需進一步降低電網(wǎng)側(cè)的諧波含量，就需要另外裝設無源濾波器。

圖3為電力系統(tǒng)的簡化諧波等效電路，圖中I觶n為諧波源的n次諧波電流；I觶Cn為流入濾波器的諧波電流，I觶Sn為流入電力系統(tǒng)的諧波電流。

圖3 電力系統(tǒng)諧波等效電路Fig.3 Equivalent circuit of power system harmonic

可以求出流入系統(tǒng)和濾波器的諧波電流分別為：

如果此時無源濾波器處在諧振狀態(tài)下，則此時的系統(tǒng)和無濾波器的諧波電流為：

如果此時滿足nXS＞＞Rfn，則ICn＞＞ISn，諧波幾乎全部流入濾波器，實現(xiàn)了濾波的效果。

工程中一般常用幾組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器構(gòu)成濾波裝置。在12脈動整流電路中，通常分別裝設一組11次、13次單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器。其參數(shù)選擇原理如下。

1）電容參數(shù)的選取。無源濾波器的成本與其容量成正比，安裝容量越小，則濾波器投資越少。當時，濾波器在n次諧波發(fā)生諧振。則最小電容器安裝容量所對應的電容大小為：

式中，UC為電容器兩端電壓

2）電阻參數(shù)R的選取。電阻值與濾波器的最佳品質(zhì)因素Q有如下關(guān)系（工程中一般Q按30計算）：

3）電感參數(shù)選取。考慮到系統(tǒng)諧波阻抗影響后濾波器可能不工作在全諧振的最合理狀態(tài)，因此濾波器中電感值應采用偏諧振值，即：

式中，ε為電感偏諧振率，一般取0.015。

4 實驗驗證

基于上文分析，通過實驗來驗證12脈動整流方式的諧波抑制作用，整流實驗電路如圖4所示。圖4（a）為6脈動整流電路實驗圖，通過一臺雙繞組Y/Y變壓器向一個三相不控整流橋供電，整流橋的直流負載為電阻，在變壓器與電網(wǎng)之間并聯(lián)一組5次、7次與高通濾波器；圖4（b）為12脈動整流電路實驗圖，通過一臺三繞組Y/Y/Δ變壓器向2個三相不控整流橋供電，整流橋的直流負載為電阻，在變壓器與電網(wǎng)之間并聯(lián)一組11次、13次與高通濾波器。

圖4 整流實驗電路Fig.4 Experimental circuit of rectifying

實驗步驟如下：

1）根據(jù)無源濾波器的參數(shù)選取方法，設計出6脈動整流電路的5次、7次和高通濾波器、12脈動整流電路的11次、13次和高通濾波器；

2）利用示波器測量6脈動整流時電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，也就是Y/Y變壓器原邊的電壓電流波形，其波形如圖5所示，此時無源濾波器組未投入運行；

3）將無源濾波器組投入運行，用示波器測量此時電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，其波形如圖6所示；

4）利用示波器測量12脈動整流時電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，也就是Y/Y/Δ變壓器原邊的電壓電流波形，其波形如圖7所示，此時無源濾波器組未投入運行；

5）將12脈動整流變壓器的無源濾波器組投入運行，用示波器測量此時電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，其波形如圖8所示；

圖5 6脈動整流時電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Fig.5 The voltage and current waveform of power grids of 6 impulsion rectifying

圖6 6脈動整流時濾波后的電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Fig.6 The voltage and current waveform of power grids of 6 impulsion rectifying after filtering

圖8 12脈動整流時濾波后的電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Fig.8 The voltage and current waveform of power grids of 12 impulsion rectifying after filtering

6）將上述測到的電流波形利用示波器進行諧波分析，其諧波畸變率與各諧波百分比如表1所示。

表1 不同情況下的主要諧波百分比Tab.1 Percentage of dominant harmonics under different situations

通過圖5、6、7、8與表1可知，在未投入無源濾波器組時，6脈動整流變壓器原邊電流畸變率較大，為30.2%，各特征次諧波含量較高；投入無源濾波器組后，電流畸變率下降為14.6%，各次諧波含量也相應降低，此時雖然諧波電網(wǎng)側(cè)電流趨向正弦，但是濾波器的效果并不理想，諧波電流仍然會對電網(wǎng)產(chǎn)生危害；12脈動整流變壓器的原邊電流畸變率明顯降低，無需采用任何附加濾波裝置，畸變率降為8.89%，主要次諧波為11、13次；12脈動整流變壓器并聯(lián)無源濾波器組后，變壓器原邊的畸變率僅為2.23%，諧波抑制效果相當明顯，滿足了國標《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14594-93的要求。

5 總結(jié)

電動汽車行業(yè)將會進入快速的發(fā)展時期，電動汽車充電站系統(tǒng)的建立將會給電網(wǎng)帶來較大的電能質(zhì)量方面的危害，成為影響電動汽車普及的重要因素，解決電動汽車充電站的諧波抑制問題的意義重大。

通過理論分析與實驗驗證后得出以下結(jié)論：12脈動整流方式較6脈動整流方式的變壓器原邊諧波含量有明顯降低，如果在12脈動整流方式下投入無源濾波器，諧波抑制效果比較理想。

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