王 亮，湯佩文，顏 偉，高 翔，王恩榮

（1.江蘇科能電力工程咨詢有限公司，南京 210036；2.南京師范大學電氣與自動化工程學院，南京210042）

電動汽車充電樁對電能質量和電磁環(huán)境的影響

王 亮1，湯佩文2，顏 偉2，高 翔2，王恩榮2

（1.江蘇科能電力工程咨詢有限公司，南京 210036；2.南京師范大學電氣與自動化工程學院，南京210042）

通過研究電動汽車充電原理，分別建立了交流和直流充電樁電路模型，分析了多臺電動汽車充電時對電流諧波畸變率和功率因數(shù)的影響；建立了電動汽車充電樁傳導和輻射EMI噪聲模型，分析了噪聲生成機理及其傳輸路徑。理論分析與實驗結果表明，隨著充電臺數(shù)的增加，交流充電樁的電流諧波畸變率增大、功率因數(shù)不變，直流充電樁的電流諧波畸變率不變、功率因數(shù)增大，且直流充電樁頻段在25 Hz～1 kHz和5～50 kHz時產生強烈的EMI噪聲。

電動汽車；充電樁；電能質量；傳導EMI噪聲；輻射EMI噪聲

隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國政府及汽車企業(yè)不斷推動電動汽車的發(fā)展以及充電站和充電樁的建設。然而，電動汽車充電時，由于大功率電能變換器中的開關管不斷切換通斷狀態(tài)，會產生大量的電流諧波和高頻噪聲，嚴重影響電網(wǎng)電能質量和電磁環(huán)境［1-5］。

針對上述問題，國內外學者開展了廣泛研究。文獻［6］提出了一種電動汽車充電樁的帶有無功補償裝置的三相不可控整流器；文獻［7］提出了基于有源電力濾波的交流充電樁方案；文獻［8］研究了一種基于新型四開關逆變器的集成式電動汽車充電器，提出了電力拖動模式和電池充電模式的控制策略；文獻［9］研究了三相不可控整流充電機各次諧波電流與諧波電壓的耦合關系，提出了一種充電站集電母線電流諧波放大程度的量化方法；文獻［10］發(fā)現(xiàn)電動汽車充電機產生的高次諧波流入電網(wǎng)后，存在明顯的放大現(xiàn)象；文獻［11］發(fā)現(xiàn)電流總諧波畸變率隨充電功率的增大和充電機臺數(shù)的增加呈減小趨勢，而功率因數(shù)的變化則由充電功率與充電機數(shù)目的耦合機制決定；文獻［12］提出一種帶有源電磁干擾EMI（electromagnetic interference）濾波器的數(shù)字信號處理DSP（digital signal processing）控制電動汽車DC/DC變換器，能夠有效降低傳導EMI噪聲；文獻［13］提出了一種大功率LLC諧振電路的電動汽車充電裝置；文獻［14］建立了包含雜散參數(shù)的絕緣柵極雙極型晶體管和三相電壓型脈寬調制逆變器的等效電路模型；文獻［15］通過增大功率器件導熱片與散熱器之間導熱硅脂的厚度，增大開關器件對地寄生阻抗，從而有效降低傳導EMI噪聲。然而，上述研究缺乏交流和直流充電對電網(wǎng)電能質量的對比研究，及其產生傳導和輻射EMI噪聲的機理研究。

本文在前期研究基礎上，通過分析交流和直流充電樁電路模型，研究不同充電樁和不同數(shù)量電動汽車充電時對電網(wǎng)電能質量的影響。建立了電動汽車傳導和輻射EMI噪聲，分析了噪聲生成機理與傳輸路徑，為后續(xù)電動汽車充電時電網(wǎng)電能質量和電磁環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1 電動汽車充電樁與充電電路原理分析

電動汽車充電樁是一種電能變換裝置。10 kV配網(wǎng)通過變壓器降壓至三相380 V/單相220 V，再經過充電樁將交流電直接輸送至電動汽車充電連接端子，或者經過充電樁內置的電能變換器將交流電轉變?yōu)橹绷麟娸斔椭岭妱悠嚦潆娺B接端子。當充電樁向電動汽車直接輸出交流電時，稱為交流充電樁；當充電樁向電動汽車直接輸出直流電時，稱為直流充電樁。

1.1 交流充電樁

交流充電樁的電路原理如圖1所示，充電樁只提供電力輸出，需要通過車載電能變換器為電動汽車充電，只起到控制電源的作用。車載電能變換器包括雙向AC/DC和雙向DC/DC兩個裝置，雙向AC/DC將單相交流220 V變換為直流電，再經過雙向DC/DC升壓，為電動汽車的蓄電池充電。其中，雙向AC/DC通常采用單相三電平全橋電路、瞬態(tài)電流控制策略和正弦脈寬調制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）方式；雙向DC/DC采用能夠切換控制的Boost和Buck電路。由于交流充電樁的充電電流相對較小，充電速度相對較慢。

圖1 交流充電樁原理Fig.1 Circuit principle of AC charging pile

由于充電過程中，雙向DC/DC工作原理與Boost電路相同，可采用Boost電路直接建模，重點分析研究單相三電平AC/DC電路拓撲結構及其控制策略，如圖2所示。單相三電平AC/DC整流電路應提供平直穩(wěn)定直流電，能夠在4個象限運行，實現(xiàn)電源變換和功率交換，并保證電源電流不發(fā)生畸變，盡量減小供電網(wǎng)側諧波及其沖擊性影響。

圖2 單相三電平AC/DC整流電路及其等效電路Fig.2 Topology and its equivalent circuit of single phase three-level AC/DC converter

圖2中，該整流器的電路方程為

式中：uN為變壓器二次側電壓；iN為變壓器二次側電流；uab為整流器調制電壓；RN為變壓器二次側等效電阻；LN為變壓器二次側等效電感。若uab的相位滯后于uN時，充電樁從母線吸收電能，實現(xiàn)電動汽車電池充電；若uab的相位超前于uN時，充電樁向母線回饋電能，實現(xiàn)電動汽車電池放電。此外，值得注意的是，一般情況下變壓器RN＜＜LN，整流器運行在單位功率因數(shù)，故可以忽略式（1）等號右邊的第1項，即RNiN項。

單相三電平整流器均采用SPWM調制方式，實際應用中，為了產生開關管驅動脈沖信號SA和SB，A相載波包括正相載波Uca+和負相載波Uca-，同樣地，B相載波包括正相載波Ucb+和負相載波Ucb-。若A相調制波Ua與B相調制波Ub相位相差180°，則A相載波與B相載波也應相差180°，以降低高次諧波。據(jù)此，重新定義SA和SB為

為了實現(xiàn)快速、有效的參數(shù)自適應調節(jié)，整流器一般采用瞬態(tài)電流控制技術，即通過整流器直流側電壓閉環(huán)和前饋電流閉環(huán)的調節(jié)，計算單相三電平整流器SPWM調制所需要的調制波，表示為

1.2 直流充電樁

直流充電樁的電路原理如圖3所示，直流充電樁通過內置的電能變換器將三相交流380 V直接轉換為直流電，為電動汽車的蓄電池充電。充電樁內置的電能變換器也包括雙向AC/DC和雙向DC/ DC兩個裝置，雙向AC/DC將三相交流380 V直接變換為直流電，再經過雙向DC/DC升壓，為電動汽車的蓄電池充電。其中，雙向AC/DC通常采用三相三電平全橋電路和SVPWM脈寬調制方式；雙向DC/DC采用能夠切換控制的Boost和Buck電路。直流充電樁能夠提供足夠功率，輸出電壓和電流調整范圍較大，充電速度相對較快。

圖3 直流充電樁原理Fig.3 Circuit principle of DC charging pile

三相三電平AC/DC通過控制開關管的導通關斷狀態(tài)，可以將三相380 V交流電轉變?yōu)橹绷麟姡鳛殡p向DC/DC的輸入，最終為電動汽車的電池快速充電，其電路原理如圖4所示。圖中，A、B、C相橋臂上的4個開關管有3種工作狀態(tài)：P狀態(tài)、O狀態(tài)和N狀態(tài)。其中，P模式是指Ti1和Ti2（i=a、b或c）導通，Ti3和Ti4關斷；O模式是指Ti2和Ti3導通，Ti1和 Ti4關斷；N模式是指 Ti3和 Ti4導通，Ti1和 Ti2關斷，在工作模式轉換過程中必須經過O狀態(tài)。

圖4 三相三電平AC/DC整流電流電路Fig.4 Circuit topology of three-phase three-level AC/DC converter

三相三電平AC/DC全橋整流電路的矢量狀態(tài)如圖5所示，SVPWM調制需要經過大區(qū)判斷、小區(qū)判斷、矢量狀態(tài)時序和矢量狀態(tài)時間分配4步。

圖5 矢量狀態(tài)Fig.5 Vectors states

2 電動汽車充電樁傳導EMI噪聲機理分析

電動汽車充電過程中電能變換器的開關管通斷狀態(tài)高速切斷，會產生大量的傳導EMI噪聲，并通過電源線傳輸至電網(wǎng)中，影響網(wǎng)內其他電氣設備的正常運行。以單相三電平AC/DC的L線為例，由O狀態(tài)轉變?yōu)镻狀態(tài)時，Ta1由關斷變?yōu)閷?，Ta3由導通變?yōu)殛P斷，由于切斷瞬間電流上升沿和下降沿較為陡峭，通過傅里葉分析可以得到電流頻譜，其中含有高頻噪聲；由O狀態(tài)轉變?yōu)镹狀態(tài)時，Ta2由導通變?yōu)殛P斷，Ta3由關斷變?yōu)閷?，切換瞬間依然會產生高頻噪聲。上述高頻噪聲會按照“最小阻抗原則”傳輸，如通過整流器傳輸至N線，或者通過散熱器、寄生電容等方式直接傳輸至地線。根據(jù)噪聲產生機理與傳輸路徑不同，傳導EMI噪聲包括共模噪聲和差模噪聲，其中共模噪聲是指相線和地線間傳輸?shù)脑肼?，差模噪聲是指相線間傳輸?shù)脑肼暋τ陔娔茏儞Q器而已，傳導EMI噪聲主要是由于開關管導通和關斷過程引起的，同時還存在散熱器浮地和接地不良等問題，且主要以共模噪聲為主，

其共模UCM和差模UDM噪聲分別為

根據(jù)標準檢測設備人工電源網(wǎng)絡拓撲結構和式（4）所示，可以得到共模噪聲和差模噪聲的傳輸路徑及其等效電路，如圖6所示。其中，UCM為共模噪聲源，25 Ω為共模等效測試阻抗，即由2個50 Ω的標準阻抗并聯(lián)形成；UDM為差模噪聲源，100 Ω為差模等效測試阻抗，即由2個50 Ω的標準阻抗串聯(lián)形成；ZCM為共模噪聲源內阻抗，ZDM為共模噪聲源內阻抗，尚待進一步確定。

圖6 傳導EMI噪聲傳輸路徑與等效電路Fig.Transmission path and its equivalent circuit of the conducted EMI noise

因浮地或接地不良引起的傳導EMI噪聲電路模型如圖7所示。圖7（a）中，其負載上檢測到的噪聲電壓Uload為

如圖7（b）所示，當PCB電路接地不良時，浮地與地之間存在一個寄生電容C，因此等效負載為Zload與寄生電容C串聯(lián)，即為ZL，傳導EMI噪聲變?yōu)?，?/p>

由式（5）、式（6）可知，在共模噪聲源UCM，共模噪聲源內阻抗ZCM以及負載阻抗Zload確定的條件下，大于Uload，而ΔUload為因浮地或接地不良引起的傳導EMI噪聲增量，即

圖7 因接地不良引起的傳導EMI噪聲電路模型Fig.7 Circuit model of conducted EMI noise generated by not-well grounding

3 電動汽車充電樁輻射EMI噪聲機理分析

如圖2和圖4所示，交流和直流充電樁向電動汽車充電時，單相和三相整流器開關管的通斷狀態(tài)會發(fā)生高速切換，引起電源線和電路板中電流時域波形瞬態(tài)突變，進而產生大量的高頻噪聲。上述高頻噪聲不僅會沿著線纜或對地寄生電容傳輸，還會通過電路板中的等效偶極子天線向周圍空間發(fā)射電磁波，形成輻射EMI噪聲，如圖8所示。當高頻電流通過較長的直導線或開放型線纜時，可以等效為電偶極子共模輻射EMI噪聲；當高頻噪聲通過PCB電路內大環(huán)型線路時，可以等效為磁偶極子差模輻射EMI噪聲。

圖8 輻射EMI噪聲生成機理Fig.8 Radiated EMI noise mechanism

如圖8（a）所示，根據(jù)麥克斯韋方程組及電偶極子輻射理論，則共模輻射場可表示為

式中：H為磁場強度，A/m；E為電場強度，V/m；I為開關管引起的高頻電流噪聲，A；Idl為電偶極子的電矩，A·m；k為波矢，rad/m，其模表示波數(shù)，方向表示波的傳播方向；r為測試距離，m；ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；φ和θ分別為球坐標系中電場強度的方向角和仰角。

如圖8（b）所示，根據(jù)麥克斯韋方程組及磁偶極子輻射理論，則差模輻射場可表示為

式中，IdS為磁偶極子的磁矩，A·m2。

若電源線長度與高頻噪聲波長為同一數(shù)量級時，偶極子輻射模型已不再適用，需采用天線模型，其輻射EMI噪聲為

式中：｜E｜max為最大輻射EMI噪聲；Rrad為天線輻射阻抗；U為電源線中的高頻噪聲電壓。

按，“?！保度卧~》作“稀”?！盎o節(jié)”，《全宋詞》作“花無郎病”，查唐圭璋先生所據(jù)八千卷樓本作“花無郎”。按律此句應為四字，或唐先生據(jù)意或參他本添。

4 仿真結果分析

以某型電動汽車為例，仿真分析其充電過程對電網(wǎng)電能質量和電磁環(huán)境產生的影響。電動汽車電池電壓為650 V，交流充電電流為5 A、直流充電電流為50 A；配網(wǎng)母線電壓為AC 10 kV，主變容量為1 MVA，線損為0.4 Ω。

4.1 電動汽車充電樁對電網(wǎng)電能質量的影響

4.1.1 交流充電樁

交流充電樁的電路原理如圖1和圖2所示，當多臺電動汽車交流充電時，網(wǎng)側電流諧波畸變率和功率因數(shù)如圖9所示。仿真結果表明，1臺電動汽車充電時，網(wǎng)側電流約為1.4 A，網(wǎng)側電流諧波畸變率小于0.01，網(wǎng)側功率因數(shù)大于0.99；2臺電動汽車充電時，網(wǎng)側電流約為2.6 A，網(wǎng)側電流諧波畸變率為0.12，網(wǎng)側功率因數(shù)大于0.99；3臺電動汽車充電時，網(wǎng)側電流約為5.5 A，網(wǎng)側電流諧波畸變率為0.23，網(wǎng)側功率因數(shù)大于0.99。

圖9 交流充電對電網(wǎng)電能質量的影響Fig.9 Influence of AC charging mode on grid power quality

如圖2所示，交流充電樁取配網(wǎng)三相電中的兩相作為輸入電源，輸入功率較小，考慮到電動汽車電池電壓基本不變，其充電電流較小。同時，由此產生的開關管和線損功率也相對較小，且單相三電平整流器采用瞬態(tài)電流控制策略和SPWM脈寬調制方式，因此電流諧波較小，功率因數(shù)較高。隨著電動汽車充電臺數(shù)的增加，電流諧波存在一定的疊加作用，故有電流諧波畸變率有明顯增加，但變壓器一次側的功率因數(shù)幾乎不變。

4.1.2 直流充電樁

直流充電樁的電路原理如圖3和圖4所示，當多臺電動汽車直流充電時，網(wǎng)側電流諧波畸變率和功率因數(shù)如圖10所示。仿真結果表明，1臺電動汽車充電時，網(wǎng)側相電流有效值約為7 A，網(wǎng)側電流諧波畸變率為0.28，網(wǎng)側功率因數(shù)為0.97；2臺電動汽車充電時，網(wǎng)側相電流有效值約為10.6 A，網(wǎng)側電流諧波畸變率為0.28，網(wǎng)側功率因數(shù)為0.9；3臺電動汽車充電時，網(wǎng)側相電流有效值約為15.6 A，網(wǎng)側電流諧波畸變率為0.28，網(wǎng)側功率因數(shù)為0.9。

圖10 直流充電對電網(wǎng)電能質量的影響Fig.10 Influence of DC charging mode on grid power quality

如圖4所示，直流充電樁取配網(wǎng)三相電作為輸入電源，輸入功率較大，考慮到電動汽車電池電壓基本不變，其充電電流較大。因此，由此產生的開關管和線損功率也相對較大、功率因數(shù)較低。同時，直流充電樁的整流器采用SVPWM脈寬調制方式，雖然考慮到輸入端的三相電勵磁問題，但較難實現(xiàn)瞬態(tài)電流控制。隨著電動汽車充電臺數(shù)的增加，電流諧波畸變率并沒有大幅增加，但變壓器一次側的功率因數(shù)卻有明顯降低。

4.2 電動汽車充電樁對電磁環(huán)境的影響

根據(jù)交流和直流充電樁的電路原理，直流充電樁的充電電流較大，開關管切換瞬間引起的電流時域波形突變也較大，因此電動汽車直流充電時會產生較強的電流諧波畸變率以及傳導和輻射EMI噪聲，故本文僅分析電動汽車直流充電樁產生的傳導和輻射EMI噪聲。

電動汽車電能變換器屬于大功率開關裝置，傳導EMI噪聲主要集中在低頻段。根據(jù)GJB151B中的CE101，重點仿真分析單臺電動汽車充電時25 Hz～10 kHz的傳導EMI噪聲和多臺電動汽車充電時10 kHz～10 MHz的輻射EMI噪聲。仿真結果表明，由于直流充電樁的充電電流較大，電流諧波畸變率較高，因此其產生的傳導和輻射EMI噪聲較大，尤其是25～1 kHz和5～50 kHz。

圖11 直流充電對電磁環(huán)境的影響Fig.11 Influence of electromagnetic environment on DC charging mode

5 結論

本文通過研究電動汽車充電原理和充電模型，分別建立了交流充電和直流充電模型，分析了電動汽車充電對電網(wǎng)電能質量和電磁環(huán)境的影響，結論如下：

（1）通過研究交流和直流充電樁電路原理，分析了1臺、2臺和3臺電動汽車充電時，變壓器一次側電流波形、電流諧波畸變率和功率因數(shù)；

（2）交流充電樁隨著電動汽車充電臺數(shù)的增加，電流諧波畸變率有明顯增加，但變壓器一次側的功率因數(shù)幾乎不變；直流充電樁隨著電動汽車充電臺數(shù)的增加，電流諧波畸變率基本不變，但變壓器一次側的功率因數(shù)卻有明顯降低；

（3）電動汽車直流充電樁產生的傳導和輻射EMI噪聲較大，尤其是25～1 kHz和5～50 kHz。

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Influence on Power Quality and Electromagnetic Environment to Electric Vehicle Charging Pile

WANG Liang1,TANG Peiwen2,YAN Wei2,GAO Xiang2,WANG Enrong2
（1.Jiangsu Keneng Electric Power Engineering Consulting Co.Ltd.,Nanjing 210036,China; 2.School of Electrical&Automation Engineering,Nanjing Normal University,Nanjing 210042,China）

The circuit models of AC and DC charging piles have been proposed by studying the charging principle in the paper.The influence on the total current harmonic distortion（TCHD）and power factor（PF）have been analyzed while many electric vehicles were charging simultaneously.Moreover,the conducted and radiated EMI noise models have been established and the noise mechanism and paths have also been analyzed.The theoretical analysis and simulation results show that with the electric vehicle increasing,the TCHD increasing and PF unchanging in AC charging pile;while the TCHH unchanging and PF decreasing in DC charging pile.And the serious electromagnetic interference（EMI）noises will be generated due to the DC charging pile,especially 25 Hz～1 kHz and 5～50 kHz.

electric vehicle;charging pile;power quality;conducted electromagnetic interference（EMI）noise;radiated EMI noise

王亮

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.3.91

：TM 461；TN 03

：A

王亮（1979-），男，碩士，高級工程師，研究方向：電氣工程，E-mail：wangliang@js pdi.com.cn。

湯佩文（1993-），男，碩士研究生，研究方向：電氣工程，E-mail：642690487@qq. com。

顏偉（1986-），男，通信作者，博士，講師，研究方向：電氣工程，E-mail：61197@nj nu.edu.cn。

高翔（1985-），男，碩士，實驗師，研究方向：電氣工程，E-mail：61188@njnu.edu.cn。

王恩榮（1962-），男，博士，教授，院長，研究方向：電氣工程，E-mail：erwang@ njnu.edu.cn。

2016-11-15

國家自然科學基金資助項目（51475246）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK20131032；BK20161019）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51475246）;National Science Foundation of Jiangsu Province（BK20131032;BK20161019）