基于變壓器Y/y0/d11接線的十二脈沖整流電動汽車充電站諧波分析

李 峰,劉衛東,東 維,王卓勇

(國網河北省電力公司衡水供電分公司,河北 衡水 053000)

基于變壓器Y/y0/d11接線的十二脈沖整流電動汽車充電站諧波分析

李 峰,劉衛東,東 維,王卓勇

(國網河北省電力公司衡水供電分公司,河北 衡水 053000)

結合電動汽車充電站運行特征,以十二脈沖整流充電電路為研究對象,構建基于十二脈沖整流的電動汽車充電站模型,通過Matlab Simulink仿真實現十二脈沖整流電動汽車充電運行狀態并分析諧波含量,提出電動汽車充電站諧波抑制的改進措施。

電動汽車;諧波抑制;十二脈沖整流

近年來,大量分布式電源、儲能設備和客戶雙向負荷等分布式能源資源逐步接入,打破傳統配電網潮流單向輻射狀供電。電動汽車(Electric Vehicle,EV)有別于一般電力負荷,為其充電的充電機為非線性設備,在運行時產生大量諧波污染,影響電網運行環境,且影響范圍可能波及到配電網范圍較遠處[1]。當前電動汽車充電站中多應用Yd11接線的變壓器提供電源,在充電站運行時產生諧波含量偏大,對電網造成較大污染。結合這一情況,增加三相移相構建十二脈沖整流充電站,進一步消減諧波分量,為配網安全運行提供技術保障。基于電動汽車充電站產生諧波及對配電網影響情況,該文對十二脈沖整流充電站充電機進行建模分析,提出充電站諧波抑制的改進措施。

1 諧波對配電網系統的影響

頻率大于1整數倍基波頻率的分量成為諧波,諧波的出現污染公共配電網系統,主要影響表現為,諧波使電網中的元件產生諧波損耗,降低了輸配電設備的效率;諧波影響各種電器設備的正常運行,使電機產生噪聲、過電壓和機械振動,使變壓器局部過熱及電纜絕緣老化;諧波引起電網中局部的串、并聯諧振,進而放大諧波和產生過電壓,引起嚴重事故;諧波將影響繼電保護和自動裝置的保護工作,并使電氣測量儀計量不準確;諧波會對相近的通信系統產生干擾,影響通信系統的正常工作[2]。

2 十二脈沖整流的電動汽車充電站原理

十二脈沖整流是指在原有六脈沖整流的基礎上,在輸入端增加移相變壓器后再增加一組六脈沖整流器,使得直流母線電流由12個可控硅整流完成。充分利用變壓器Y/y0/d11副邊側為2個六脈沖整流橋提供電源。

3 十二脈沖整流充電機諧波分析

整流變壓器一次側線電流的波形隨變壓器的聯結方式不同而不同,因此利用變壓器聯結方式不同引起的變化可以構成多脈沖整流電路。對于變壓器Yy0聯結,變壓器一、二次電壓和電流的波形和相位都相同;對于Yd11聯結,一次側線電流的基波和正序諧波分量比二次側滯后30°,而一次側線電流的負序諧波分量比二次側超前30°。2個不可控三項整流電路串聯組成十二脈沖整流電路,變壓器聯結方式采用Y/y0/d11[3]。

對于Y/y0側,閥側線電流與其感應的網側電流相同,即:

通過推導可以看出,對于十二脈沖整流電路,即對于十二脈沖整流充電機來說,其交流側諧波脈動數為12,諧波次數主要為12k±1,k=1,2,3,……,即11,13,23,25……。增加脈動數有利于抑制諧波,諧波次數越高,諧波幅值越小。

4 十二脈沖整流充電機仿真模型

運用MatlabSimlink 7.0仿真軟件,在Simulink環境中構建十二脈沖整流充電模型,三相交流電源,三相三繞組變壓器,晶閘管整流橋,控制電路(同步脈沖發生器)及負載,建立仿真模型如圖1所示。

三相交流電源幅值為10 kV,頻率50 Hz,相位互差120°。三相三繞組變壓器聯結方式采用Y/ y0/d11,負載為阻感負載;同步脈沖發生器,脈沖頻率為50 Hz,脈沖寬度15°,雙脈沖觸發,觸發延遲角為0°,仿真時間為100 ms,求解方式為ode23tb。

通過在Simulink環境下設置各項參數,并對模型進行仿真運算,可以直接得出直流電壓Ud、直流電流id、變壓器一次側和二次側相電流。

圖1 基于Matlab Simulink環境十二脈沖整流充電機仿真示意

圖2 整流后輸出電壓和電流波形

十二脈沖整流電路輸出直流電壓Ud、直流電流Id的波形如圖1所示,對其傅里葉級數展開后可知,m脈沖整流電壓的諧波次數為m k次(k=1,2, 3…),整流電流的諧波由整流電壓決定,也為m k次,m增加時,最低諧波次數增大,諧波幅值減小。從圖2中波形可以得出,電壓和電流波形在每個周期內脈動12次,諧波含量比六脈沖整流要小。

整流電路變壓器一次側電流的諧波含量直接影響電網的電能質量,對整流電路而言,其變壓器一次側相電流諧波含量越小,性能越好,通過仿真得出十二脈沖整流電路一次側相電流波形,如圖3所示。

圖3 十二脈沖整流電路變壓器一次側相電流波形

5 充電站諧波抑制

諧波抑制方法主要分為2類,即被動型和主動型,被動型濾波是指增加濾波裝置在交流側減少諧波含量,主要包括電力無源濾波(LC)、APF補償以及混合型濾波;主動型濾波是指從諧波源本身出發,在直流側減少諧波的產生,主要包括多脈沖整流、多電平變流、功率因數校正等方法[4]。

通過運用MatlabSimlink 7.0仿真十二脈沖整流充電模型,十二脈沖整流電路一次側相電流波形通過傅里葉級數展開后可以看出,諧波次數為11,13,23,25,……;即12k±1次。主要由于變壓器二次側采用了移相多重聯結,副邊電流折算到原邊后可以相互疊加,因故抵消了5,7,17, 19,……次諧波,極大地降低了諧波含量。十二脈沖整流電路直流電壓和電流的脈沖動明顯小于六脈整流電路。

基于上述分析可以得出,十二脈沖整流電路的直流電壓、直流電流、一次側相電流諧波含量均小于傳統的六脈沖整流電路(三相橋式整流電路)。十二脈沖整流的充電站模型,主要在10 k V側抵消了5次和7次的諧波電流,使得在配網10 k V側的諧波電流滿足了國家標準要求,但在0.4 k V側諧波電壓、電流并沒有得到改善,從而可以看出十二脈沖整流充電站對配網的諧波影響較小,更加適用于大容量電動汽車充電站。

6 結論

十二脈沖整流電路對于諧波的抑制要優于六脈沖整流電路,通過仿真分析可以看出,電動汽車充電站Y/y0/d11接線變壓器構建的充電模型中諧波含量較小,較當前應用的Yd11接線變壓器具有顯著優勢。因此Y/y0/d11接線變壓器構建的充電方式將成為電動汽車充電站的研制和推廣方向。

[1] SORTOMME E,HINDI M M,MACPHERSON S D J,et al.Coordinated charging of plug-in hybrid electric vehicles to minimize distribution system losses[J].IEEE Trans. Smart Grid,2011,2(1):198205.

[2] 杜學龍,電動汽車充電站諧波特性及抑制[D].濟南:山東大學,2013:910.

[3] 王兆安.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社,2006:5561.

[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.

本文責任編輯：羅曉曉

Analysis on 12-pulse Rectifier Harmonic Suppression of Electric Vehicle Charging Based on Converter Y/y0/d11 Lines

Li Feng,Liu Weidong,Dong Wei,Wang Zhuoyong
(State Grid Hebei Electric Power Corperation Hengshui Power Supply Branch,Hengshui 053000,China)

Combined with the feature of electric vehicle charging station operation,corresponding simulation model of electric vehicle charging station based on 12-pulse rectifier.the harmonic content and power factor are researched.with building Matlab-Simulink simulation model,the result shows that the improvement measures for method are proposed.

electric vehicle(EV);harmonic suppression;12-pulse rectifier

TM910.6

B

10019898(2017)02003002

20160628

李 峰(1980-),男,高級工程師,主要從事營銷農電管理及電動汽車推廣應用工作。