李 璨

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250000）

由于電動汽車具有極好的環(huán)保效能和節(jié)約燃料的特點，使其成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢［1-2］?，F(xiàn)階段在國外市場，混合動力汽車已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，純電動汽車也已占有一定的市場份額。研究表明，如果電動汽車的充電工作在電力負荷的低谷時段（如夜間）進行，可以有效地改善電網(wǎng)的負荷曲線，在提高電網(wǎng)經(jīng)濟效益的同時達到環(huán)保、低耗的目的。中國的電動汽車起步較晚，但是發(fā)展較快，在接下來的一個時期內(nèi)，圍繞電動汽車進行的研究將與新能源發(fā)電技術(shù)一起成為中國智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要方面。

為了滿足電動汽車電池充電或更換的需要，電網(wǎng)公司和汽車生產(chǎn)商必須建設(shè)廣泛、方便、快捷的電動汽車充電站。對電網(wǎng)而言，充電站的充電機是一個非線性負載，隨著充電工作的進行，將給電網(wǎng)注入較大的諧波電流［3-5］，諧波的出現(xiàn)會對電網(wǎng)的正常運行帶來一系列的危害。解決充電站的諧波問題，對于電動汽車的推廣有重大意義。

電動汽車進行充電時要經(jīng)過一個整流環(huán)節(jié)，這些整流裝置在工作時會產(chǎn)生大量的非正弦周期電流，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。文獻［6-9］分別介紹了12，24和48脈動的整流方法，大大減少了電網(wǎng)側(cè)的諧波含量，雖然此類諧波抑制方法有一定效果，但是隨著整流脈動數(shù)的增加，使換流變壓器與整流裝置以及附屬設(shè)備的成本升高、接線復(fù)雜、維護困難；文獻［10］介紹了無源濾波的方法，無源濾波器雖然結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資較省，但難以達到較好的濾波效果，且濾波支路與系統(tǒng)的等值阻抗相并聯(lián)，當(dāng)受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化影響時，容易出現(xiàn)諧振過電壓、電網(wǎng)諧波放大等現(xiàn)象；文獻［11-12］介紹了有源濾波的方法，有源濾波器雖然改進了無源濾波方式的濾波效果，但有源濾波技術(shù)在工程應(yīng)用時要備有諧波發(fā)生源和大功率晶閘管元器件，還要配有跟蹤控制和脈寬調(diào)制系統(tǒng)，雖濾波效能優(yōu)越，但成本費用高，技術(shù)難度大；文獻［13］利用移相電抗器進行諧波抑制，此種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但是參數(shù)設(shè)計較復(fù)雜，工程運行經(jīng)驗相對較少。

基于此，筆者根據(jù)電動汽車充電站的基本特點，考慮同時充電汽車數(shù)量與充電時段，設(shè)計出以三相不控整流（6脈動整流）裝置為基礎(chǔ)，利用供電變壓器的繞組接線方式形成了12脈動諧波抑制效果的雙6脈動整流電源供電方式，在保證電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量滿足標(biāo)準的前提下，無需額外裝設(shè)濾波裝置，大大降低了諧波抑制成本，這一方法將有利于電動汽車的推廣。

1 電動汽車充電站的諧波分析

根據(jù)目前的電動汽車充電機的工作原理可將充電機分為3類：①由三相不控整流與斬波器組成；②由三相不控整流與DC／DC變換器組成；③由PWM整流與DC／DC變換器組成。

第1類充電機屬于早期產(chǎn)品，目前國內(nèi)外充電站中較少使用，雖然其直流側(cè)的紋波小，動態(tài)性能佳，但是這類充電機會對電網(wǎng)注入大量的諧波電流，網(wǎng)側(cè)的電流畸變率可達90%，大大增加了濾波成本，顯然此類充電機不適合接入電網(wǎng)。

第2類充電機是目前廣泛采用的方式，電網(wǎng)三相交流電經(jīng)三相橋式不控整流電路進行整流，平波后將直流電供給高頻DC／DC功率變換電路，再經(jīng)濾波電路為電動汽車的動力蓄電池充電，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型充電機結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of typical battery charger

此類充電機中，經(jīng)過直流側(cè)平波電路平波作用后，直流電壓的紋波小，且交流側(cè)電流諧波含量小，主要諧波次數(shù)為6k±1（k=1，2，...），總的諧波畸變率可達30%以下，較第1類充電機有較大的改善，但是仍不滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，必須對其采取諧波抑制措施。

第3類充電機利用了三相PWM整流方法來抑制電網(wǎng)側(cè)的諧波，這是一種新型的充電方法，網(wǎng)側(cè)電流畸變率可小于5%，充電過程中無需裝設(shè)濾波裝置，但是PWM整流方法要求開關(guān)器件能在高頻下工作，開關(guān)電能損耗大，發(fā)熱溫升問題嚴重，而且控制復(fù)雜、成本高，難以用于大容量場合。

2 諧波抑制原理分析

文獻［7-10］提出的多脈動移相疊加整流方法是按一定的規(guī)律將2個或多個（通常為偶數(shù)個）變流器進行組合，通過移相變壓器對電網(wǎng)電壓進行移相，使得各個整流橋輸入電壓存在一定的相位差，從而獲得整流負載電流之間的相位差，不同相位差的整流負載電流在電網(wǎng)側(cè)的疊加，可以使某些次諧波相互削弱或抵消，從而實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流的正弦化矯正。這類方法的最大缺陷是多組換流變壓器與整流電路向一個功率變換電路供電，成本較高。現(xiàn)考慮能否在保持電網(wǎng)側(cè)電流波形不變的前提下，利用將多脈動整流電路中的多組整流器向不同的功率變換電路供電，實現(xiàn)多脈動整流電路的多直流電源供電。多脈動整流電路分組運行后，電網(wǎng)側(cè)的諧波電流能否保持抵消狀態(tài)是此方法可行的核心問題。為達這一目的，就必須要求受電側(cè)的多個功率變換電路要同時工作才能進行諧波抵消，也就是說要有多輛電動汽車同時充電。

考慮到充電站的實際特點與電網(wǎng)電能質(zhì)量的標(biāo)準，確定利用12脈動整流的方式，這種方式與傳統(tǒng)的12脈動整流有較大差異，通過Y／Y與Y／Δ變壓器向2組不控整流電路供電，以雙電源的形式給電動汽車充電，其整流電路不參與電壓、電流調(diào)節(jié)，最大限度地降低了充電電路的成本與運行維護的工作量，直流電壓、電流的調(diào)節(jié)可通過DC／DC功率變換電路進行，調(diào)節(jié)更為方便，只需更改其控制方式。這種將12脈動整流分組運行的方式較傳統(tǒng)的12脈動晶閘管半控整流結(jié)構(gòu)更簡單、控制更方便、價格更低廉。分組運行后，雖然2個整流電路直流側(cè)的紋波含量增大，但是直流紋波的消除方法相對簡單，通過調(diào)節(jié)平波電路的電抗與電容即可使直流電壓、電流的紋波含量達到要求。

2.1 Y／Y變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形分析

當(dāng)Y／Y變壓器向三相不控整流供電時，電路如圖2所示。

以A相電路為例分析變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時電流近似為方波波形，忽略電流的初相位，標(biāo)幺值形式的數(shù)學(xué)表達式：

圖2 Y／Y變壓器供電電路Figure 2 Circuit diagram of Y／Y transformer power supply

式（1）是一個T=2π／ω的周期函數(shù)展開，其傅立葉級數(shù)：

式中

則

則

從式（3）可以看出，Y／Y變壓器向不控整流負載供電時，電源側(cè)即原邊電流會有波形畸變，主要諧波為特征諧波，次數(shù)為6k±1。

2.2 Y／Δ變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形分析

當(dāng)Y／Δ變壓器向三相不控整流供電時，電路如圖3所示。

圖3 Y／Δ變壓器供電電路Figure 3 Circuit diagram of Y／△transformer power supply

以A相電路為例分析變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時電流近似為“品”字型波形，標(biāo)幺值形式的數(shù)學(xué)表達式為

展開傅立葉級數(shù)為

式中

則

則

可以看出，Y／Δ變壓器向不控整流負載供電時，電源側(cè)即也會有波形畸變，主要諧波次數(shù)為6k±1，與Y／Y變壓器相同。

從式（3）、（6）可知，Y／Y與Y／Δ變壓器的網(wǎng)側(cè)電流諧波次數(shù)與大小相同，而且6k±1（k=1，3，…）次諧波正負相反，如果2個電流疊加，可相互抵消，只剩下6k±1（k=2，4，…）即12k±1（k=1，2，…）次諧波，電網(wǎng)側(cè)總電流形式為

利用Y／Y與Y／Δ變壓器分別向2個不控整流電路供電，疊加后的電網(wǎng)側(cè)電流中的5，7次諧波保持抵消狀態(tài)，電流中只含有少量的12k±1（k=1，2，…）次諧波，由于各次諧波與基波有效值的關(guān)系為

電流中隨著諧波次數(shù)的增大，諧波有效值減小，故雖然2個電流的12k±1（k=1，2，…）次諧波也有疊加，但是其有效值較小，對電流波形的影響不大，實現(xiàn)了基于Y／Y與Y／Δ變壓器的諧波抑制方法。

3 充電站運營模式分析

電動汽車充電站的運營模式應(yīng)基于電力市場的實時電價環(huán)境下，充電汽車的充電量按很短時間間隔（如以小時為單位）進行定價，根據(jù)電網(wǎng)的負荷曲線，在負荷低估時段電價下浮，高峰時段上漲。電網(wǎng)調(diào)度部門可依據(jù)負荷預(yù)測的情況對第2天充電電價進行預(yù)測，供用戶參考。

根據(jù)該文提出的諧波抑制方法，充電站布置如圖4所示，為使各充電機的諧波互不影響，電網(wǎng)以多母線形式供電，每段母線分別為1臺Y／Y與1臺Y／Δ變壓器供電，同一母線上的2臺充電機同時進行充電。由于充電站的汽車具有流動性的特點，并不能保證每條母線上都有2輛汽車同時充電，所以可對單輛汽車充電與2輛汽車充電電價進行劃分，單輛充電時電價上浮，用戶需繳納諧波污染費，2輛充電時電價相對較低。

圖4 電動汽車充電站布置Figure 4 Arrangement of battery charging station electric vehicles

除此之外，由于電動客、貨車與電動轎車的電池容量大小不同，充電站中應(yīng)該配置不同類型的充電機，但是同一母線上的充電機應(yīng)型號相同，或者充電機的功率變換電路設(shè)成能夠根據(jù)汽車類型不同進行靈活調(diào)節(jié)。

4 實驗與仿真驗證

通過實驗驗證上述分析，實驗電路如圖5所示，電網(wǎng)分別通過Y／Y與Y／Δ變壓器向2個不控整流電路供電，為分析簡便，2個整流電路的直流負載為大小相同的電阻。

圖5 實驗電路Figure 5 Experimental circuit diagram

用示波器分別測量Y／Y與Y／Δ變壓器的電壓、電流，其波形如圖6，7所示，并利用示波器分析電流的諧波含量，如表1所示。實驗表明，Y／Y與Y／Δ變壓器的電網(wǎng)側(cè)電流總畸變率THD與各特征諧波含有率大致相同，驗證了前文的分析。

圖6 Y／Y變壓器電網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形Figure 6 Voltage and current diagram of Y／Y transformer in power grid

圖7 Y／Δ變壓器電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Figure 7 Voltage and current diagram of Y／△transformer in power grid

表1 電網(wǎng)側(cè)電流諧波含有率Table 1 Harmonic percentage of current in power grid

用示波器測量電網(wǎng)側(cè)總電壓、電流波形與諧波含有率，如圖8，表2所示。實驗表明，2組整流電路的5，7，17，19次等諧波可以在電網(wǎng)側(cè)進行有效削弱，其沒有完全抵消是由于2組整流電路直流側(cè)電阻不一定完全相等，而且Y／Y與Y／Δ變壓器的繞組匝數(shù)有誤差，再加之電網(wǎng)電流含有一定的固有諧波，若在器件制作工藝以及電網(wǎng)環(huán)境理想的狀態(tài)下可以完全抵消。

圖8 電網(wǎng)側(cè)總電壓、電流波形Figure 8 Voltage and current waveform in power grid

表2 電網(wǎng)總電壓、電流諧波含有率Table 2 Harmonic percentage of voltage and current in power grid

由于疊加后的基波電流增大，故11，13，23，25次等諧波的疊加對電流波形的影響并不明顯，所以分組運行的12脈動整流與傳統(tǒng)的12脈動整流的諧波抑制效果相同，電網(wǎng)側(cè)的電流波形得到了明顯的改善，其各次諧波經(jīng)容量換算后，滿足國標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》GB／T 14594—93的要求。

以圖4為基礎(chǔ)，結(jié)合圖5，建立一個實際的充電站進行仿真驗證。充電站中裝設(shè)了4組充電機，即可同時向8輛汽車充電，其中4輛為電動客、貨車，將仿真電路中整流電路直流側(cè)的電阻設(shè)為10Ω，另外4輛為電動轎車，整流電路直流側(cè)的電阻設(shè)為15 Ω。8輛汽車同時充電時，其電網(wǎng)側(cè)A相電壓、電流波形分別如圖9，10所示。

圖9 電網(wǎng)側(cè)總電壓仿真波形Figure 9 Simulation waveform of total voltage in power grid

圖10 電網(wǎng)側(cè)總電流仿真波形Figure 10 Simulation waveform of total current in power grid

由圖9，10可知，8輛汽車同時充電時，電網(wǎng)側(cè)總電壓幾乎為正弦波形，電流大約有8%的波形畸變，這一結(jié)果與前文的實驗結(jié)果相似。通過仿真可得出：在充電站中無論正在充電的汽車數(shù)目的多少，只要滿足各組充電機同時充電，整流電路的主要諧波即可有效抵消，充電站電網(wǎng)側(cè)母線總電流諧波含量可滿足國標(biāo)要求；如果某組充電機單臺運行，其諧波就會對母線電流產(chǎn)生影響，而且隨著單臺運行的充電機增多，其影響越明顯。

5 結(jié)語

中國電動汽車行業(yè)將會進入快速的發(fā)展時期，電動汽車充電站系統(tǒng)的建立將會給電網(wǎng)帶來較大的電能質(zhì)量方面的危害，成為影響電動汽車普及的重要因素，解決電動汽車充電站的諧波抑制問題的意義重大。

筆者提出的基于Y／Y與Y／Δ變壓器的諧波抑制方法，將傳統(tǒng)的12脈動整流電路分組運行，以2組三相不控整流的形式實現(xiàn)了雙直流電源充電，在保證電網(wǎng)側(cè)電流波形的前提下，較大程度地降低了諧波抑制成本，這一方法適合在未來電網(wǎng)中廣泛使用。

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