电动汽车充电机谐波抑制方法的对比分析

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【摘要】针对电动汽车充电机对电网造成的严重谐波污染的问题，通过PSCAD仿真软件建立了充电机的数学模型，并通过实测数据验证了模型的准确性。开展了电动汽车充电站谐波抑制的有效方法的理论分析，提出了适合于大规模建设电动汽车充电站的带有LC滤波器的APF补偿方法，在PSCAD仿真软件中对十二脉整流、带有LC滤波器的APF补偿以及PWM整流三种谐波抑制方法进行了仿真对比分析。仿真结果表明：带有LC滤波器的APF补偿方式更适于于大型充电的谐波抑制。

【关键词】电动汽车充电机；谐波抑制；十二脉整流；有源电力滤波器；APF补偿

1.引言

充电机是电动汽车充电站的重要组成部分[1]。整流设备产生的谐波，会严重影响电网的正常运行，增加输电线路电能损耗、影响功率因数、降低继电保护的可靠性、干扰控制系统稳定工作等。本文根据目前充电站正在采用的谐波抑制方法和目前较为流行的三种谐波抑制方法，即十二脉整流、有源电力滤波器（APF）， PWM整流。利用PSCAD仿真工具建立相应的仿真模型，从谐波含量、功率因数、工作性能、经济性能等儿个方面比较这三种方法的优缺点，为大规模充电站建设的谐波抑制提供了理论基础。

2.充电站谐波抑制

谐波抑制方法主要分为两类，即被动型和主动型[2]。被动型是指在交流侧增加滤波装置以减少谐波含量，主要包括电力无源滤波（LC），APF补偿以及混合型滤波；主动型是指从谐波源本身出发，在直流侧减少谐波的产生，主要包括多脉整流、多电平变流、功率因数校正等方法。

在目前正在运行的充电站中，山东临沂充电站的充电机区采用的是有源功率校正（APFC）方法进行滤波；山东青岛充电站采用APF补偿方法抑制谐波。因此本文选择三种典型形式进行分析比较，即十二脉整流、APF补偿、PWM整流三种谐波抑制方式。

3.带有不同谐波抑制装置充电机建模

以山东临沂充电站的充电机为例，由10kV母线经过变压器降压为380V，为充电机供电。充电机包括18台充电机，采用常规充电方式为电动公交车充电，每台充电机由8个充电模块，采用每4个充电模块串联然后并联的连接方式。正常工作时，恒流阶段输出电流为90A，输出电压从300V左右逐渐升高，恒压阶段输出电压为600V左右，电流逐渐降低。不需要分析整个充电过程中的谐波特点。因此选择输出电流为90A、电压为600V时刻为研究对象，即建立充电机模型时，控制输出电压为600V，并用阻值为6.94Ω的电阻等效电池内阻。

3.1 十二脉整流充电机模型

整流变压器一次侧线电流的波形随变压器的联结方式不同而不同。因此，利用变压器联结方式不同引起的变化可以构成多脉整流电路。对于变压器Yy0联结，变压器一、二次电压和电流的波形和相位都相同；对于Yd 11联结，一次侧线电流的基波和正序谐波分量比二次侧滞后30o，而一次侧线电流的负序谐波分量比二次侧超前30o。由两个不可控三相整流电路串联组成[3]。十二脉整流电路如图1所示，变压器联结方式采用Y/y0/d11型连接，输出电压控制电路由高频逆变、高频变压器、高频整流组成，通过闭环控制高频逆变电路，使输出电压为625V 。

3.2 增加APF补偿的充电机模型

在该模型中，充电机整流部分为三相不可控整流。充电机输出电压控制电路由高频逆变电路、高频变压器、高频整流电路组成，通过闭环控制高频逆变电路，使输出电压为625 V。对于APF电路，根据文献[4]设计指令电流运算电路，并同时补偿无功功率和谐波电流，采用瞬时值比较方式设计电流跟踪控制电路，从而驱动主电路。为保证电流跟踪性能，滞环比较器宽度为0.002，即跟踪电流与指令电流的误差在0.001内，同时补偿谐波和无功功率的指令电流和跟踪电流如图1所示。

3.3 PWM整流充电机模型

PWM整流充电机模型采用双闭环控制，即电流内环、电压外环控制。电流调节器选择比例谐振（PR）调节，它能够消除交流系统的稳态误差，电压调节器选择比例积分（PI）调节，并按典型II型系统设计。为了使电压跟踪迅速，直流侧电容选较小值，同时通过电压闭环控制使直流侧电压为625V。因此在该仿真模型中，没有增加输出电压控制模块。

4.三种谐波抑制方法比较

谐波电压、电流分析

根据充电站参数，并假设充电站一次侧进线长6km，计算10kV侧最小短路容量，根据GB/T 14549-1993规定，确定10kV侧谐波电流允许值。0.38kV侧谐波电压含量以GB/T 14549-1993为标准，低压侧谐波电流含量以GB/Z 17625.6-2003为标准。

运行不同充电站仿真模型，仿真结果如表1所示：

由表1可以看出，采用APF补偿和PWM整流的充电站模型，其谐波抑制效果非常好，380V侧的谐波电压、电流含量也能很好地满足国家允许限值。

由以上分析可知，APF补偿和PWM整流都可以在很大程度上改善充电站高压侧、低压侧的谐波问题，而十二脉整流只能在一定程度上改善高压侧谐波，并且不能改变低压侧的谐波状况。

参考文献

[1]中国电动汽车技术新发展[J].西安交通大学学报，2012（1）.

[2]春电力谐波对电能计量影响的分析与探讨[J].电力系统保护与控制，2011.

[3]陈娟，许承斌等.基于双拼法的树形配电线路单相断线兼接地故障诊断[J].电力系统及其自动化学报，1999，11 （2）：20-22.

[4]李长凯.配电网架空线路断线故障定位[J].电力自动化设备，2005，25（12）：35-38。