智能電網(wǎng)中電動汽車充電站的諧波抑制方法研究

王輝東 徐宣煊

摘要：當(dāng)前，國家積極推行節(jié)能環(huán)保政策，在此背景下，電動汽車應(yīng)運(yùn)而生，同時，為電動汽車供能的充電站數(shù)量也逐漸增長。但充電站中所包含的整流環(huán)節(jié)中含有非線性電力電子器件，使用過程中會給電網(wǎng)注入大量諧波，影響其電能質(zhì)量。因此，加強(qiáng)對充電站諧波進(jìn)行抑制刻不容緩。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);電動汽車充電站;諧波抑制方法

引言

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(shè)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(jī)是一個非線性負(fù)載，隨著充電工作的進(jìn)行，將給電網(wǎng)注入較大的諧波電流。諧波的出現(xiàn)會對電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來一系列的危害，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。

1電動汽車充電站

電動汽車充電站跟現(xiàn)代汽車加油站類似，都是給予動力的續(xù)航。電動汽車充電可分為：常規(guī)充電、快速充電、機(jī)械充電，便于攜帶式充電等充電方式，以上充電方式除了方便攜帶可以安裝、存放在小區(qū)、住宅、其余的充電方式都需要設(shè)置一個電動汽車充電站。在此集中地點(diǎn)充電，可以高效的控制車主拎電池到家，杜絕亂拉亂接電線帶來的安全隱患，集中管理車輛的秩序，充電裝置在電池充滿電后會自動結(jié)束充電，減少因充電過多電池爆炸，帶來的安全隱患，延長電池的使用壽命。目前，我們國家正大力支持節(jié)能環(huán)保的電動汽車，所以電動汽車充電站也就相應(yīng)的增多a。從而充電站諧波帶來的影響也就成為了人們更加關(guān)注的焦點(diǎn)。

2諧波污染影響

電動汽車充電站所采用的設(shè)備，主要是由整流器以及直流變換器組成，主要是依靠電力電子裝置的變換，來為電動汽車進(jìn)行供電。但是這些電力電子裝置本身屬于非線性、沖擊性的設(shè)備，大量接入到配電網(wǎng)當(dāng)中，會嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的正常運(yùn)行，產(chǎn)生大量的諧波危害配電網(wǎng)的安全性。其主要危害體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）電力危害：一方面會嚴(yán)重影響旋轉(zhuǎn)電機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱，導(dǎo)致設(shè)備的電氣元件受損或者設(shè)備發(fā)生故障，降低了設(shè)備的耐久性;另外一方面諧波污染還會影響電能的計量，加劇了電能資源的損耗，導(dǎo)致電能計算的錯誤率升高，增加了充電支付費(fèi)用。

（2）信號干擾：諧波污染會產(chǎn)生電磁干擾，影響通信系統(tǒng)以及傳感器設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致部分控制系統(tǒng)或者保護(hù)裝置無法正常工作，嚴(yán)重危害配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3智能電網(wǎng)中電動汽車充電站的諧波抑制方法

3.1無源濾波器的應(yīng)用

無源濾波器一般是由無源器件電感、電容和電阻通過串聯(lián)或并聯(lián)組合而成，因其結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜，還可以補(bǔ)償一部分無功功率，無源濾波器在電力系統(tǒng)中仍然有著廣泛的應(yīng)用。無源濾波器的原理是針對特定次諧波的低阻特性，通過設(shè)計合適的參數(shù)將諧波電流接地以達(dá)到濾波效果。通過對電動汽車的諧波分析，發(fā)現(xiàn)其5次、7次諧波電流含量占比很大，而13次及以上的諧波電流含量己經(jīng)相對較小，可以忽略其高次諧波的影響。因此對充電站諧波治理，可以利用無源濾波器中的5，7次單調(diào)諧濾波器進(jìn)行諧波治理，單調(diào)諧濾波器的參數(shù)列于表1所示。

通過Simulink平臺，搭建充電站中無源濾波器諧波治理模型如圖1所示。

通過對比可以看出，無源濾波器接入系統(tǒng)后，充電站產(chǎn)生的諧波得到了一定的治理。但總的諧波含量仍然較高，達(dá)到了24.78070。由于充電站中各臺充電機(jī)工作具有隨機(jī)性，無源濾波器的動態(tài)補(bǔ)償能力就會顯得明顯不足。因此，本文根據(jù)電動汽車充電站的諧波特性針對性的設(shè)計了混合有源濾波器來治理諧波的方法。

3.2有源濾波器的應(yīng)用

有源濾波器（Active Power Filter，APF）是電動汽車充電站治理諧波的重要措施。然而，在不合理控制方式下，并聯(lián)APF可能導(dǎo)致電動車充電站諧波電流被嚴(yán)重放大。APF對諧波進(jìn)行抑制具有動態(tài)快速響應(yīng)、效率高等優(yōu)勢，與LC無源濾波器相比，APF功能具有多樣性，既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功，可連續(xù)調(diào)節(jié)，并可對多個諧波源同時進(jìn)行抑制或補(bǔ)償，不易發(fā)生諧振。針對電動汽車充電站中存在的諧波問題，將APF用于其中，能夠抑制充電機(jī)充電過程所引起的諧波對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行所帶來的負(fù)面影響。APF接入系統(tǒng)包含串聯(lián)型接入方式、并聯(lián)型接入方式和混合型接入方式三種，使用最多的接入方式是并聯(lián)型接入方式。并聯(lián)方式APF和負(fù)荷接入電網(wǎng)，可當(dāng)作電流源處理。APF接入充電站抑制諧波的連接原理圖如圖2所示，對電流進(jìn)行檢測的指令回路和對電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)纳呻娐饭餐瑯?gòu)成APF。對電流進(jìn)行檢測的指令回路主要負(fù)責(zé)提取負(fù)載電流中的諧波和無功成分。由于基波電流通常比諧波電流檢測更為方便，故采用檢測基波電流的方式來生成指令電流。電流補(bǔ)償電路則根據(jù)制定的指令參考信號來控制各開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，生成相應(yīng)的驅(qū)動脈沖，從而得到所需的電流。

將電流檢測的指令回路計算的參考電流值和補(bǔ)償電流值作差，送入到滯環(huán)比較控制器，經(jīng)過滯環(huán)比較即可得到APF開關(guān)器件的脈沖信號，滯環(huán)控制的原理為：當(dāng)參考電流值和補(bǔ)償電流值之差超過一定范圍，APF主電路中的開關(guān)器件便產(chǎn)生動作，使兩者之差維持在滯環(huán)寬度內(nèi)，即補(bǔ)償電流值在開關(guān)信號的作用下可以維持在參考電流值的上下限范圍內(nèi)。在滯環(huán)控制策略中，環(huán)寬的設(shè)置尤為重要。環(huán)寬較大將會使開關(guān)器件的開關(guān)動作次數(shù)減小，產(chǎn)生較大誤差;環(huán)寬較小使開關(guān)器件動作靈敏、頻繁，增大開關(guān)損耗，因此需要選擇合適的環(huán)寬以滿足系統(tǒng)要求。在電動汽車充電站中接入APF進(jìn)行諧波抑制的原理如下所示：電流檢測的指令回路基于瞬時無功功率理論對充電機(jī)負(fù)載中的諧波成分進(jìn)行檢測，以得到參考補(bǔ)償信號，輸入到滯環(huán)控制器中進(jìn)行檢測計算，生成APF電路開關(guān)器件的脈沖控制方式，從而得出和充電機(jī)負(fù)載諧波含量大小相同、方向相反的補(bǔ)償成分，使流向電網(wǎng)中的電流只含有基波成分，起到抑制諧波功能。

3.3混合有源濾波器的應(yīng)用

混合有源濾波器是由有源濾波器（APF）和無源濾波器（PPF）并聯(lián)組合而成，利用無源濾波器可以很好濾除特定次諧波、有源濾波器有著較好動態(tài)濾波的特點(diǎn)共同濾除充電站產(chǎn)生的諧波，其中無源濾波器還具有一定的無功補(bǔ)償能力。電動汽車充電站工作時產(chǎn)生的5，7次諧波的占比很高，針對這一特性，設(shè)計了由5，7次兩個單調(diào)諧濾波器組成的無源濾波部分。利用LC低通濾波器進(jìn)行輸出濾波器，能夠很好的濾除高頻毛刺的影響。有源濾波器和無源濾波器利用禍合變壓器的變比可以合理的匹配器電壓和電流，另外變壓器還具有對有源濾波和無源濾波部分進(jìn)行電氣隔離的作用。因?yàn)闉V波器中的濾波電感、電容會引起基波諧振，從而使基波電流都注入無源濾波器，這樣有源濾波器就不受基波電流和電壓的影響，相應(yīng)的選擇小容量的有源濾波器也可以達(dá)到很好的濾波效果，降低了濾波成本的同時又達(dá)到了抑制諧波的目的。

結(jié)語

綜上，隨著電動汽車的推廣，對電動汽車充電站的需求也在不斷增長，相關(guān)工作者必須重視對電動汽車電池充電特性以及相關(guān)充電設(shè)施的研究，深入分析電動汽車充電站對配電網(wǎng)所造成的影響，采取有效解決方案優(yōu)化充電站的設(shè)計，降低其對配電網(wǎng)的影響，推動電動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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