電動汽車充電站對電網的諧波影響及抑制措施

朱黎+++陳忠潤

摘 要：隨著能源危機和環境污染問題的加劇，電動汽車技術成為汽車技術發展的重要方向之一，并得到我國政府的大力支持。作為配套設施的電動汽車充電站相應的也得到快速發展，但充電機作為一種非線性設備，產生諧波電流，大量電動汽車充電站接入電網，將會對電網帶來較大的影響，因此開展對于電動汽車充電站的相關研究就顯得尤為重要。

關鍵詞：電動汽車；充電站；電網；諧波；影響；抑制措施

電動汽車充電機采用整流技術，將交流電通過整流器轉換成直流電，再經輸出控制回路直接向汽車充電。整流設備在工作過程中會產生大量高次諧波，影響供電電能質量，干擾同一連接點的用電客戶，直接影響站內設備的正常運行，嚴重時會引起變壓器、電纜、補償電容器組、電子測控裝置等設備的燒毀或誤動。對電動汽車充電站諧波進行評估及限值計算，并提出相應措施加以治理十分重要。

一、充電站充電模式

充電站GTBC-500200直流充電機采用BMS（電池管理系統）充電方式。在BMS充電方式下，充電機能夠根據BMS提供的信息改變充電策略和輸出電流，既能實現常規充電，又能實現快速充電，提高了充電的安全性和智能化水平，簡化了一些繁瑣工作。充電機的操作界面使用圖形化的觸摸屏，可以詳細顯示各個模塊的工作狀態及電池的狀態。充電機使用CAN現場總線與BMS實時通信，對蓄電池的快速充電進行優化和可靠保護。同時充電機采用CAN總線與后臺監控系統和充電樁實現實時數據交換，達到智能充電的目的。充電機也可以采用手動工作模式，設置手動控制電壓、電流和充電時間，適合于沒有CAN通信的應用場合。

二、諧波測試分析

充電站供電變壓器容量為1000kVA，其供電電壓為交流380V，測試時充電機采用55A的充電電流對電動客車進行充電。該電動客車容量為60Ah，充滿電該車可行駛10km左右。

充電前的A相電壓總諧波畸變率為4.55%～4.75%，充電后驟升至5%以上，大于GB/T14549-93規定的5%限值。充電時各次電壓諧波含有率，其中影響電網的電壓諧波主要為3次諧波，各相電壓諧波3次含有率均大于GB/T14549-93規定的4%限值。分析充電前后的現象和各項數據可知，電壓畸變主要是由充電機整流時產生的諧波電流引起的。

三、諧波治理的措施

（一）增大充電機的濾波電感

從充電站的諧波特點可以看出，濾波電感的大小直接影響諧波大小。以30臺充電機同時工作的充電站為例，設Rch=3.4，在采用不同濾波電感情況下，將A相基波和各次諧波有效值記錄。

充電機的電流總畸變率隨濾波電感的增大而下降，諧波電流有效值也隨之減小。所以，合理增大充電機的濾波電感，可以降低充電機的電流畸變率，減小諧波電流，此方法簡便實用，但是，會增加充電機的體積、功率損耗和制造成本。

（二）增大整流裝置的脈波數

通常情況下，充電機的整流模塊采用三相橋式整流，在電網側產生的諧波電流以5，7次含量較大，為抑制低次諧波，可增大整流裝置的脈波數。比如采用移相多重聯結技術，為節約成本，可以現有充電機為基礎，將變壓器改裝為雙二次繞組，使2組容量相同的6脈波整

流裝置經30°移相構成1套脈波整流裝置當其他條件相同情況下，6脈波整流和12脈波整流充電機的高壓側5，7次諧波電流大小。

從圖中可以看出，6脈波整流時諧波電流為1A數量級，12脈波整流時，諧波電流大幅減小，降低至10-3A數量級，基本不用考慮5，7次諧波的影響。所以，采用移相多重聯結增大脈波數的整流技術，可以大幅減小電網電流諧波，一定程度上也提高了功率因數。

（三）安裝濾波裝置

LC調諧濾波器是傳統補償無功及諧波的主要手段，結構簡單、價格便宜，既可補償無功又可抑制諧波。但LC調諧濾波器容易受溫度、頻率、負載變化等影響濾波效果差，甚至會與系統發生串聯或并聯諧振，一般適用于固定諧波的靜止補償。對于諧波時變的充電站而言，有源電力濾波器更適合用，以實現動態抑制諧波和補償無功的目的，彌補無源濾波裝置的缺陷。例如瑤海充電站接入點母線為10kV，基準短路容量147MVA，變壓器選取10/0.4kV，容量1000kVA，充電機仍然選擇上述型號，30臺充電機同時工作，仿真得到充電站接入點處各次諧波電流的有效值，并記錄。

通過對比看出，APF投入后各次諧波得到有效抑制。其中，5次諧波由8.6373A減小為1.8254A，7次由3.6416A減小為1.1331A，用戶側電流總諧波畸變率THDi由20.9%降低至5.4%。可見，有源電力濾波器APF可以有效地治理充電站的諧波問題。

四、結語

充電站在無濾波、無補償情況下對電網帶來電壓和電流諧波等問題，降低了供電電網的電能質量，對充電站自身和其他用戶造成了危害，應按照電能質量有關標準和要求進行治理，采用快速動態濾波補償的措施能夠滿足電能質量有關標準的要求。充電站采用帶PFC新型充電機時，充電站諧波水平、電壓波動、功率因數均能滿足國家標準要求。這種充電機雖然價格較貴，但節省了濾波裝置和電容器組費用，節省了充電站占地面積，減少維護設備數量，是未來充電站設備配置的發展方向。

參考文獻：

[1]程浩，王光漢.電動汽車充電諧波抑制技術的進展[J].電子世界，2014（17）：66-66.