魯月喬 丁 梁 錢(qián)祥威 黃 驊

（紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

電動(dòng)汽車(chē)充電諧波水平評(píng)估及治理方案研究

魯月喬 丁 梁 錢(qián)祥威 黃 驊

（紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展勢(shì)在必行，其接入電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，且多位于配網(wǎng)末端，給配網(wǎng)電能質(zhì)量提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此有必要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施進(jìn)行建模仿真，評(píng)估其諧波影響水平。本文利用Matlab/Simulink設(shè)計(jì)了充電機(jī)接入電網(wǎng)模型與無(wú)源濾波器模型，建立了三相橋式不控整流充電機(jī)及無(wú)源濾波器的仿真模型，使用快速傅里葉變換進(jìn)行了濾波前后諧波電流仿真分析。采用無(wú)源濾波器后電網(wǎng)側(cè)各次諧波電流顯著減少，電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率都有降低。

電動(dòng)汽車(chē)；無(wú)源濾波器；Matlab/Simulink仿真；諧波治理

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，居民家庭中電力電子型非線性負(fù)荷持續(xù)增加。國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃中提出建立現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保、新能源、新能源汽車(chē)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，充電樁、充電站等已大量建設(shè)，電動(dòng)汽車(chē)連接在居民配電網(wǎng)絡(luò)中已成事實(shí)，其充電行為已成為新的分布式諧波來(lái)源。配電網(wǎng)分布式諧波電流在電力系統(tǒng)中會(huì)引起電壓畸變等各種各樣的電能質(zhì)量問(wèn)題[2]。電力系統(tǒng)諧波所引起的電容器燒毀、設(shè)備誤操作（如電動(dòng)機(jī)慢速爬行、電話通信干擾和低壓開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作）、家用電器故障不能正常工作等問(wèn)題在電力系統(tǒng)中是顯而易見(jiàn)的。同時(shí)，電力系統(tǒng)諧波也會(huì)引起其他潛在影響，如增加能量損耗、降低變壓器壽命、以及影響電能表計(jì)量誤差等。大型負(fù)荷（如大型電動(dòng)汽車(chē)充換電站）所引起的諧波在實(shí)際中是比較容易抑制的，如采取諧波濾波器等措施可有效消除其引起的諧波影響。電動(dòng)汽車(chē)諧波源具有類(lèi)似的大小并遍布在整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)中，盡管單獨(dú)一個(gè)充電樁產(chǎn)生的諧波并不顯著，但大量的類(lèi)似充電樁和電動(dòng)汽車(chē)充換電站產(chǎn)生的集體諧波卻是非常可觀的，其對(duì)電力系統(tǒng)的影響與危害已不可忽視。將給配電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)負(fù)面影響[3-7]?？梢?jiàn)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行建模仿真分析是非常急需且有必要的，以利于選定合理的供電方案和抑制諧波的措施。

本文利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池接入電網(wǎng)充電進(jìn)行了建模仿真并利用無(wú)源濾波器進(jìn)行濾波。該抑制諧波方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電引起的電能質(zhì)量治理方案具有重要意義。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電站諧波模型

充電站按照功能可以劃分為4個(gè)子模塊：配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、電池調(diào)度系統(tǒng)、充電站監(jiān)控系統(tǒng)。電動(dòng)汽車(chē)按電能供給模式分為如下3種模式：快速（直流）充電、慢速（交流）充電和快速換電。充電站主要設(shè)備包括充電機(jī)、充電樁、濾波裝置、電能監(jiān)控系統(tǒng)。目前一般以20～40輛電動(dòng)汽車(chē)來(lái)配置一個(gè)充電站。

充電站供電系統(tǒng)一般由110kV或220kV變電站經(jīng) 10kV側(cè)配電網(wǎng)供電。充電站內(nèi)變壓器額定電壓高壓側(cè)為10kV，低壓側(cè)為0.38kV，繞組采用DYN-11接線方式，電動(dòng)汽車(chē)充電站和居民小區(qū)充電樁群電氣接線如圖1、圖2所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)充電站電氣接線圖

圖2 居民小區(qū)充電樁電氣接線圖

2 充電站（樁）諧波特點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)生的諧波主要是充電機(jī)產(chǎn)生的。其簡(jiǎn)化等效模型如圖3所示。電動(dòng)汽車(chē)在充電過(guò)程中其內(nèi)部電阻一般會(huì)隨時(shí)間呈非線性變化，且其輸出功率呈下降趨勢(shì)。文獻(xiàn)[8]近似處理成三個(gè)階段，即每個(gè)階段的輸出功率假設(shè)恒定不變，各階段簡(jiǎn)化模型的電阻值由相應(yīng)的輸出功率確定，電阻R與輸出功率P0的關(guān)系如式（1）所示。

式中，Ui和Ii分別為電阻R兩端電壓和流過(guò)電阻R上的電流，Pi為輸入功率，P0為輸出功率，η為轉(zhuǎn)化率。

圖3 充電機(jī)等效模型

在Matlab/Simulink文件中建立3臺(tái)相同充電機(jī)的系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，該系統(tǒng)由電源模塊、測(cè)量模塊、變壓器模塊、充電機(jī)模塊4部分組成。利用快速傅里葉分析（FFT Analysis）模塊對(duì)電力系統(tǒng)交流側(cè)電流進(jìn)行諧波分析。根據(jù)文獻(xiàn)[8]設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)（電源每相電壓設(shè)為10kV，相位互差120°，變壓器變比為 10kV/0.38kV，充電機(jī)的濾波電感為1.5mH，濾波電容取2.115mF，R取值分別為20Ω、50Ω、100Ω），仿真結(jié)果顯示交流側(cè)三相 A、B、C電流變化規(guī)律相同，因此本文只取A相電流分析。當(dāng)R取20Ω時(shí)，電力系統(tǒng)變壓器高低壓側(cè)交流電流波形穩(wěn)定狀態(tài)下分別如圖 5（a）、圖 6（a）所示，從圖 5（a）、圖 6（a）可以看出，高低壓側(cè)電流波形嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。用FFT對(duì)變壓器高低壓側(cè)交流電流進(jìn)一步分析結(jié)果如圖7（a）、圖8（a）所示，從圖7（a）、圖8（a）可知，3臺(tái)充電機(jī)諧波電流總諧波畸變率為16%且主要為5次、7次、11次、13次，17次，19次，即6n±1次諧波比較嚴(yán)重且其幅值依次遞減。表1給出了不同臺(tái)數(shù)充電機(jī)充電時(shí)各次諧波電流含有率，由表1可知，隨著充電機(jī)臺(tái)數(shù)的增加，各次諧波含有率逐漸降低，這與理論分析相一致即多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí)諧波會(huì)不同程度的相互補(bǔ)償或抵消，而不是簡(jiǎn)單的線性疊加。高低壓側(cè)各次諧波電流含有率見(jiàn)表2，6n±1次諧波電流含有率較高，需要進(jìn)行諧波抑制。

圖4 未加濾波裝置的系統(tǒng)仿真模型

圖5 濾波前后的高壓側(cè)電流波形

圖6 濾波前后的低壓側(cè)電流波形

圖7 濾波前后的高壓側(cè)電流傅里葉分析

圖8 濾波前后的低壓側(cè)電流傅里葉分析

表1 不同臺(tái)數(shù)充電機(jī)高壓側(cè)各次諧波電流含有率/%

表2 未加濾波裝置的高低壓側(cè)各次諧波電流含有率/%

3 基于無(wú)源濾波器的諧波治理研究

3.1 諧波治理方案分析

目前主要利用有源濾波器、無(wú)源濾波器以及混合濾波器進(jìn)行諧波治理[9]。有源濾波器產(chǎn)生與它所測(cè)到畸變諧波電流相位相反的一組諧波電流，諧波從而被抵消并最終形成一個(gè)無(wú)畸變的正弦電流，主要用于動(dòng)態(tài)抑制諧波，同時(shí)兼顧無(wú)功補(bǔ)償?shù)男滦碗娏﹄娮友b置，人們已對(duì)其設(shè)計(jì)及運(yùn)行性能等方面開(kāi)展了相關(guān)研究[10]，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備成本高等因素限制其大范圍應(yīng)用。無(wú)源濾波器利用 LC串聯(lián)諧振濾去系統(tǒng)中相同頻率的諧波，憑借其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為一種應(yīng)用較廣泛的諧波抑制手段，文獻(xiàn)[11-13]對(duì)其進(jìn)行了研究。有源無(wú)源混合濾波器具有無(wú)源濾波器和有源濾波器的優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)控制系統(tǒng)要求較高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。綜上分析，無(wú)源濾波器仍是目前工程應(yīng)用較廣泛的一種濾波裝置。

3.2 無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器為單調(diào)諧濾波器，其基本電路如圖9所示。

無(wú)源濾波器的主要工作原理為 LC串聯(lián)諧振，即L與C產(chǎn)生諧振時(shí)該回路阻抗為0。為簡(jiǎn)便描述，以5次諧波為例，則圖9中電容電感之間的關(guān)系可表示為即仿真時(shí)選用電容值C5=116μF，則相應(yīng)電感值L5=3.497mH。至此，負(fù)荷側(cè)產(chǎn)生的5次諧波電流將通過(guò)LC回路短路，達(dá)到濾波的目的。同理可得7、11、13次諧波濾波器參數(shù)。

圖9 無(wú)源濾波器

根據(jù)前述仿真分析可知 5次、7次諧波電流畸變率尤其大，故本文在變壓器低壓側(cè)設(shè)置了5次、7次無(wú)源濾波器，加入無(wú)源濾波器的系統(tǒng)仿真模型如圖10所示。裝設(shè)無(wú)源濾波器后變壓器高低壓側(cè)交流電流波形分別如圖5（b）、圖6（b）所示，從圖中可以看出，從圖中可以明顯看出電流波形得到明顯改善，已經(jīng)非常接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。相應(yīng)的用FFT對(duì)變壓器高低壓側(cè)電流進(jìn)一步分析結(jié)果如圖7（b）、圖8（b）所示，從圖中可以看出電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)諧波電流總畸變率下降到6%，各次諧波電流含有率都有下降，尤其5次、7次諧波含有率下降更加明顯。其諧波含有率都達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。經(jīng)無(wú)源濾波器濾波后的高低壓側(cè)各次諧波電流含有率見(jiàn)表3，從表3中也可以看出各次諧波含量均非常小，且高低壓側(cè)諧波電流含有率非常接近。

圖10 加入無(wú)源濾波器的系統(tǒng)仿真模型

表3 加入無(wú)源濾波器后高低壓側(cè)各次諧波電流含有率/%

4 結(jié)論

論文從電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)在居民配電網(wǎng)廣泛應(yīng)用時(shí)所引起的集體諧波影響問(wèn)題出發(fā)，建立了充電站或充電樁群的仿真模型。仿真分析充電機(jī)工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，主要分析研究了各次諧波電流含有率、電流總諧波畸變率隨充電機(jī)臺(tái)數(shù)增加的變化規(guī)律及加入無(wú)源濾波器后各次諧波電流含有率、電流總諧波畸變率的變化情況。研究表明：

1）電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)產(chǎn)生的諧波主要是次諧波，隨著充電機(jī)臺(tái)數(shù)的增加，電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率呈減小的趨向；相同充電機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)，5，7，…，19次諧波電流含有率依次減少，即諧波次數(shù)越大，其諧波含有率越小。

2）加入5、7次無(wú)源濾波器后，電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率都有降低，尤其5、7次諧波含有率降低更加顯著。無(wú)源濾波器能夠有效的有針對(duì)性的濾去某次諧波，效果顯著且成本低。

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The Study on Harmonic Level Evaluation and Suppression of Electric Vehicles

Lu Yueqiao Ding Liang Qian Xiangwei Huang Hua
(Shaoxing Power Supply Company,Ltd,Shaoxing,Zhejiang 312000)

The rapidly developing electric vehicle industry located at the end of the distribution network will produce a large number of harmonics and put forward severe challenges for power quality of the distribution network,so it is necessary for the electric car charging infrastructure to model and simulate and evaluate the harmonic level of influence.Design the charger connected to the electricity grid model and the model of the filter using Matlab/Simulink.Establish the simulation model of the rectifier charger controlled by the three-phase bridge and the passive filter,using fast Fourier transform to analyse the harmonic current without and with filtering.Every harmonic current is significantly reduced after adopting passive filter,reducing the current total harmonic distortion rate and the containing rate of each harmonic current.

electric vehicle;passive filterl;matlab/simulink simulation;harmonic suppression

魯月喬（1987-），男，浙江省紹興市人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)諧波隨機(jī)估計(jì)。