電動公交車大電流充電機諧波仿真分析與治理

趙雙東， 鄒 黎， 亓建英， 陳 群， 李 超

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091)

伴隨中國經濟的快速發展和工業化進程的加快，霧霾天氣日益嚴重，環境的污染問題逐漸凸顯出來.電動公交車由于其在環保、節能、運行費用等方面的突出優點越來越得到政府與普通大眾的青睞.然而，電動公交車充電裝置是非線性設備，大批量的電動公交車涌入市場，其充電過程中產生的大量諧波對電網的污染引起了電力部門的高度重視.改善充電機的整流模式，降低充電過程中的諧波含量，減少對公用電網的諧波污染已成為電力工作者的共識.本文分析現有的充電機類型及現有充電機的整流模式和諧波含量，提出對充電機充電過程中電流諧波含量超標的改進措施.

1 現有的充電機類型

電動公交車充電機按照其工作原理主要分為以下三類[1-2]：第一類充電機包括工頻變壓器、不控整流器和斬波器，其特點是體積大、電網側電流諧波含量高、變換效率低，注入電網的諧波電流過大，不適宜接入公用電網；第二類充電機包括三相不可控整流裝置和高頻變壓器隔離DC/DC變換器，其特點是電網側電流諧波含量高(30%左右)、變換效率低，這一類充電機雖然電流諧波含量高，但其成本低，在市場上占有率較高；第三類充電機由三相PWM整流器和高頻變壓器隔離DC/DC變換器組成，其特點是功率因數高、電網側諧波電流小，但是由于PWM整流充電機技術復雜、可靠性低、成本高等原因，所以雖然市場上已經出現，但與之相關的科研成果較少.

2 充電機的諧波含量分析

目前電動公交車的充電方式為“慢充快補”，充電過程中的充電電流非常大，因此對電網的影響很大.市場上應用最廣泛的充電機由不可控整流電路組成(其結構如圖1所示)，因此選擇對該類型充電機進行諧波含量分析.電動公交車充電過程中對電網的影響主要體現在諧波電流對電網的污染方面.

圖1 高頻充電機結構框圖

以a相電流為例，對流過變壓器二次側的非正弦電流進行傅立葉級數分解[3]：

(1)

由式(1)可以得出進線電流基波和各n次諧波的有效值分別為

(2)

由式(2)知，在整流電路交流側電流中含有6k±1次諧波電流，不含3的整數倍次諧波，各次諧波電流的有效值與諧波次數成反比.當對電動公交車充電時，大量的諧波電流將流入電網，對電網及其用電設備產生很大的負面影響，主要體現在以下幾個方面：

(1)諧波電流使變壓器的銅耗和雜散損耗增加，諧波電壓使鐵耗增加，同時使變壓器的噪音增大.

(2)使輸電線路的線路損耗以及發熱量增加.

(3)對于補償電容器組，諧波電流的流入使電容器組使用壽命大大降低.

(4)諧波電流使繼電保護裝置誤動作，影響繼電保護裝置的正常運行.

3 充電機諧波治理措施

諧波治理的措施主要分為兩類[4]：主動型和被動型.主動型諧波治理是指從諧波源本身出發，在直流側減少諧波產生，主要包含增加整流脈波數、多電平變流、功率因數校正等方法.被動型諧波治理是指在交流側增加濾波裝置減少諧波含量，主要包括增加無源濾波器(LC)、APF補償和混合型濾波等方法.本文將從十二脈整流和裝設并聯有源濾波器這兩種諧波抑制方式出發，分析電動公交車充電機的諧波治理方式.

3.1 十二脈整流充電機

圖2 十二脈充電機原理圖

3.2 增加APF補償充電機

有源濾波器分為串聯型、并聯型和混合型三種.并聯型APF直接向系統中注入補償電流，是現階段應用最廣泛的有源電力濾波器.并聯型APF通過耦合變壓器接入系統，這樣不僅不會對系統造成影響，而且投切靈活，各種保護簡單，在技術上比較成熟.并聯型APF的結構原理圖如圖3所示[5].

圖3 并聯型APF的充電機結構原理圖

由圖3可以看出，APF由指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路四大部分組成.有源電力濾波器在電動公交車充電機中治理諧波的基本思路是:(1)檢測出由電動公交車充電機產生的負荷電流，由指令電流運算模塊計算出指令信號.(2)經過補償電流發生模塊生成所需的補償電流.(3)補償電流抵消負載電流中需要補償的諧波分量，從而使流入電網的電流中只含基波電流[6].如圖3所示，充電機充電時，安裝的APF檢測到負載電流iL中含有諧波電流iLH,指令信號由iLH取反后獲得，最后由補償模塊產生補償電流iC，由于補償電流和諧波電流大小相等，方向相反，因此電源電流中只含有基波分量，從而達到補償諧波的目的.

4 充電機諧波治理仿真模型的對比與分析

為了驗證上述治理措施的有效性，根據大型充電機對電池組充電時的實驗數據，在Matlab/Simulink環境下建立充電機仿真模型，利用powergui中的快速傅立葉變換(FFT)模塊對進線端進行諧波分析.仿真參數設置如下：電源線電壓為380V/50Hz，系統阻抗忽略不計；負載為電池組充電模型，由于仿真時間短，可以認為等效電阻為恒定值，濾波電感為1.5mH,等效電阻為2Ω.

搭建現有電動公交車充電機的等效模型，對其進行仿真分析，得到的交流側充電電流波形如圖4所示，交流側電流的諧波含量與畸變率如圖5所示.由圖4和圖5可知，現有充電機的諧波畸變率嚴重超出了國家電網公司規定的標準.

圖4 現有充電機的電流波形圖

圖5 現有充電機的諧波含量與畸變率

重新搭建的十二脈整流充電機的仿真模型如圖6所示[7]，對其進行仿真分析得到的A相交流側的電流波形如圖7所示，A相電流的諧波含量和諧波畸變率如圖8所示.由圖7、圖8可知，十二脈充電機產生的電流波形基本符合正弦波形，諧波畸變率明顯降低.

含有并聯型APF的充電機等效模型如圖9所示，對其進行仿真分析，得到的A相交流測的電流波形如圖10所示，APF對其進行的諧波補償電流如圖11所示，補償后的交流側諧波含量和畸變率如圖12所示.由圖10～12可知，通過并聯型APF對諧波的補償，充電機注入電網的諧波含量大大降低，電流畸變率基本消除.

從仿真得到的電流波形以及電流畸變率可知，十二脈整流充電機和帶有并聯型APF的充電機在充電過程中對電力系統的諧波污染具有很好的抑制作用，符合國家電網公司對電流畸變率的標準，這為今后電動公交車產業的快速發展起到了很好的助推作用.

圖6 十二脈充電機等效模型

圖7 十二脈充電機交流側電流波形 圖8 十二脈充電機的諧波含量和諧波畸變率

圖9 并聯型APF的充電機等效模型

圖10 A相交流側的電流波形 圖11 APF對充電機的諧波補償電流

圖12 補償后的交流側諧波含量和畸變率

[1] 黃梅，黃少芳，蔣久春.電動汽車充電站接入電力系統的諧波分析[J].北京交通大學學報，2008，32(5)：85-88.

[2] 牛利勇，蔣久春，張維戈.純電動公交充電站諧波模型的分析方法[J].高技術通訊，2008，18(9)：953-957.

[3] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 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.

[5] 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的研究[J].電網與清潔能源，2013，29(7)：99-104.

[6] 蔣浩.電動汽車充電站諧波的抑制與消除[J].廣東電力，2010，23(8)：15-19.

[7] 李家淦，鄒黎，陳君霞.鎳氫電容電池快速充電系統[J].山東理工大學學報：自然科學版，2012，26(2)：103-107.