智能用电小区中电动汽车充电谐波及谐波治理

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摘要：电动汽车充电站作为智能用电小区的重要组成部分，也是未来新型交通能源转型路线的主要载体。含有大量非线性电力电子装置的电动汽车充电机接入智能用电小区时会给配电网带来不利的电能质量影响，主要体现在其输出的大量谐波电流将造成很多负面影响。本文针对一种常见的高频充电机，通过傅立叶级数分解方法分析了其对配电网电能质量影响的作用机理，在此基础上总结分析了几种治理充电站输出谐波措施，并从原理上分析了其可行性。

关键词：智能用电小区；电动汽车充电站；高频充电机；谐波

0 引言

我国智能电网的建设主要包括发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节，其中智能用电是重要环节之一。智能用电小区是国家电网为了研究智能电网智能用电的先进技术如何运用于居民区，提高人民的生活水平，提高电网智能化水平以及提升用电服务质量而进行的一项尝试[1]。电动汽车作为智能用电小区建设的一个重要组成部分同样也逐渐被纳入发展规划，并且有着极为广阔的发展前景。在2008年全球性金融危机过后，国际油价日趋升高和日益严重的环境压力使得汽车产业进入全面的能源转型期，大力发展电动汽车以实现交通能源转型的路线已得到全世界的共识。在未来城市中电动汽车的广泛普及与用电小区电动汽车充电桩的运营实际上体现了智能电网对“电网和用户间的智能互动”、“鼓励使用各种形式分布式能源”、“发展清洁环保型电力能源”与“推进低碳经济”的需求。

1 电动汽车充电站介绍

电动汽车充电站与配电网连接运行后最大的好处就是能够对电网用电实现削峰填谷调节，这样一来就在一定程度上缓解了电网压力，提高了配电系统的利用效率并且拓展了电能消费的终端市场。作为回报，在这个过程中消费者也可利用峰谷电价差从而获得直接的经济收益。即人们可以利用电网夜间用电低谷时对电池进行充电，此时用电量较少，对应电价就相对较低。当白天电网处于用电高峰时，电价达到一天中的最大值，这时人们就可以把电池内的电能以高价售回给电网。电动汽车用户与电网之间的这种互动真正地实现了二者的双赢，既降低了电动汽车的使用费用，又实现了电动汽车对电网调节峰谷、平衡负荷的作用。

任何事物都有两面性，电动汽车充电站在给电网带来好处的同时也存在着一定的弊端。电动汽车充电站内的充电机是一种含有大量电力电子器件的非线性装置，会给电网带来谐波污染，功率因数下降等问题。为了消除这些负面影响，有必要分析电动汽车充电站对电网的电能质量影响并制定相应限制措施[2]。

2充电机分类

目前在电动汽车充电站中使用的充电机按工作原理分主要有3种[3-5]：

2.1第一类充电机

第一类充电机由工频变压器、不可控整流电路、斩波电路与滤波装置组成，其结构图如图1。这种充电机的主要特点是直流侧电压纹波小、动态性能好、采用体积较大的工频变压器、它最大的缺点是充电机谐波电流过大，不适于接入用电小区公用配电网。

图1. 工频充电机结构图

2.2第二类充电机

第二类充电机是由工频变压器、三相不控整流和高频变压器隔离DC-DC变换器及滤波装置组成，其结构图如图2。其特点是直流侧电压纹波小、动态性能好、采用高频隔离使得装置体积较小，这种充电机虽然谐波含量高，但是价格低廉，便于消费者接受，是目前市场上的主流充电机。

图2. 采用不控整流电路的高频充电机结构图

2.3 第三类充电机

第三类充电机由三相PWM整流器和高频变压器隔离DC-DC变换器及滤波装置组成，其结构图如图3。其整流侧采用了PWM整流技术，功率因数较高，谐波成分较低，注入电网的电流总畸变率可以达到5%以下。它也采用高频隔离，减小了装置体积，且变换效率较高。尽管这种充电机在技术上有很多优越性，但是由于采用了PWM技术大大增加了生产成本，目前还难以得到广泛应用。

图3. 采用PWM整流电路的高频充电机结构图

3 充电机引起的电能质量问题

以市场上应用最为广泛的采用不控整流电路的高频充电机为例，分析其对配电网电能质量产生的影响。根据已有的研究经验表明，电动汽车充电机配电网的电能质量影响主要体现在谐波污染方面。

采用最常用的6脉动整流桥电路作为充电机的整流电路。以a相为例，流过变压器二次侧的非正弦波电流进行傅立叶级数分解后可得：

由此可以看出，充电机的输出电流中仅含有6k 1 （k=1，2，3 ）次谐波，不含3的倍数次谐波，也不含有偶数次谐波。且高次谐波的幅值与其谐波次数成反比，谐波次数越高，其谐波电流越小[6]。

由于电动汽车充电站连接着城市电网运行，其产生的谐波污染必定会对配电网造成很多不利影响，主要体现在：

1）对于变压器：谐波电流会增加变压器的铜耗及杂散损耗，谐波电压则会增加铁耗，谐波的注入还将增大变压器的噪声。

2）对于电能表：电能表在计费时会将谐波当做有功功率，增加用户电费支出。

3）对于电子设备：谐波较高时会导致计算机等电子设备发生误动作，从而使得正常运行受到影响。

4）对输电线路：增加了线路损耗及发热量。

5）对于继电保护装置：某些由序分量过滤器组成启动元件的继电保护装置对谐波电流比较敏感，正常工作易受到干扰。

6）对于补偿电容器组：谐波电流注入引起的发热量与电压升高会使得电容器使用寿命大大缩短。

谐波的产生和传播是电力系统的公害，它会极大地恶化电网电能质量并对各种电力设备的正常运行状态造成干扰，必须采取措施加以限制。

4充电站谐波治理措施

4.1采用APF有源电力滤波器

将有源电力滤波器用于充电站谐波治理的基本思想是从电动汽车充电机产生的谐波电流中检测出谐波电流分量，由补偿装置产生一个与该分量大小相等而极性相反的电流分量去抵消它，从而使得流入电网的电流中只含有基波分量。APF装置具有动态响应速度快，补偿功能多样化，可抑制闪变并补偿无功的特点，且其补偿特性不受电网阻抗的影响，完全由自身运算与控制电路来决定。

图4是把APF有源电力滤波器用于电动汽车充电站谐波治理的结构图，10kV电压等级的电网经过10/0.38kV的变压器为工作电压为380V的电动汽车充电站供电。其工作工程大致如下：主控制器将通过CT采集到的谐波电流信号传送给指令电流运算电路，以检测出补偿对象中的谐波和无功电流等分量，根据这些信号量，电流跟踪控制电路将产生相应的PWM控制信号控制驱动电路中相应的IGBT开关和通断，然后通过主电路产生与检测到的电流谐波分量大小相等，方向相反的电流分量去抵消充电机产生的谐波电流，从而实现了滤除谐波的功能。理想状态时，图中APF产生的补偿电流iC将与充电站产生的电流谐波分量iLh在方向上完全相反，在数值上恰好相等。

从上式可以看出5，7，17，19次谐波被抵消，剩下的谐波分量只有12k 1次。与6脉动桥式整流电路同理，12脉动桥式整流电路电流各次谐波的有效值与其次数成反比，即次数越高，其有效值越小，这样对于滤除谐波就越有利[9-10]。

4.3 增加动态无功补偿装置

系统承受谐波的能力可以用 来反映，其中 为电网电压， 为总的谐波电流有效值。从此式可以看出，当增加如静止无功补偿器（SVC）或静止无功发生器（SVG）等动态无功补偿装置后，伴随着无功补偿装置对注入电网无功的动态调节作用，在电网电压不变的情况下，电网可容许的总的谐波电流最大有效值也在增加，即提高了电网承受谐波的能力[11-12]。

4.4 采用功率因数校正技术

在充电机端安装升压型有源功率因数校正装置，可以提高功率因数并降低电流谐波含量的有效手段。功率因数 可以表示为式（9）：

（9）

式中， 为基波因数； 为位移因数；则加装功率因数校正装置后，提高功率因数变可提高基波因数 ，从而提高基波分量在电流中所占比例，即减小了谐波分量的含有率，达到了减小谐波的效果。在理想情况下，有源功率因数校正装置能将功率因数校正至0.99附近，此时谐波含量显著减小。

4.5 选择充电站由容量较大的电源系统供电

当为电动汽车充电站供电的系统容量增大时，无论是从谐波源还是从低压母线侧为端口看出去，其等值阻抗值均降低，整流装置产生的谐波在变压器高、低压侧的电压畸变率均降低，同时系统谐振点向频率更高的方向移动[13-14]。

5 结语

综上所述，电动汽车充电站接入智能用电小区配电网后会对电能质量造成严重的负面影响，主要体现在常见高频充电机中采用的6脉动整流电路会产生 次谐波。鉴于未来坚强智能电网建设对电能质量的要求更为严格，必须采取相应措施对电动汽车充电站产生的谐波加以限制从而保障为用户优质供电。本文通过分析论证了为电动汽车充电站装设有源电力滤波器（APF）、采用12脉动桥式整流电路、增加动态无功补偿装置、应用功率因数校正技术以及选择由较大的电源系统给充电站供电等措施都是治理谐波影响的有效手段。

参考文献

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[5] 牛利勇，姜久春，张维戈.纯电动公交充电站谐波分析的模型方法[J]. 高技术通讯. 2008.18（9）：953-957.

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[13] 蒋浩.电动汽车充电站谐波的抑制与消除[J]. 广东电力， 2010，23（8）：15-19.

[14] 康继光，卫振林，程丹名，等. 电动汽车充电模式与充电站建设研究[J]. 电力需求侧管理，2009， 11（5）： 64-66.

作者简介：

张晏铭（1984-），男，河北邢台市人，汉族，助理工程师，主要从事电网建设工程管理工作。Email：。

李 鹏（1965-），男，博士，教授，IEEE高级会员。主要研究方向为分布式发电与微网新技术、电能质量分析与控制、电力电子技术在电力系统中的应用。Email：。