廣東建能電力工程有限公司 藍(lán)文巨

1 引言

當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)受氣候變化對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響，國(guó)家對(duì)于新能源汽車(chē)行業(yè)的投入力度逐漸加大，并提倡人們綠色出行，多使用電動(dòng)車(chē)等交通工具。而新能源汽車(chē)充電樁則是新能源主要的動(dòng)力補(bǔ)給裝置，在充電樁工作時(shí)常會(huì)出現(xiàn)諧波現(xiàn)象，與充電樁的整體供配電工程的設(shè)計(jì)有著緊密的關(guān)聯(lián)，因此要加大對(duì)供配電工程設(shè)計(jì)中充電樁諧波治理的研究，避免安全事故的發(fā)生。

2 諧波及其污染危害

2.1 諧波概述

第一，諧波概念起源?！爸C波”一詞是由物理電磁學(xué)而來(lái)，在電力系統(tǒng)中常會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)狀況，但在20世紀(jì)二十年代才走入人們的視野，逐漸被人們關(guān)注。開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)和研究最早的國(guó)家是德國(guó)，起初是因?yàn)樵趹?yīng)用靜止貢弧變流器時(shí)，導(dǎo)致了電壓以及電流波形畸變的情況，最后產(chǎn)生了諧波。

第二，諧波概念定義。在供配電工程系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)有電流的產(chǎn)生，而基波則是電流的基本頻率，諧波則是基波整倍的電量。也就是說(shuō)，將周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，所分解出的大于基波頻率電流所產(chǎn)生的電量便是諧波（其示意圖可參考圖1）。

圖1 基波與諧波對(duì)比

第三，諧波概念產(chǎn)生。諧波的產(chǎn)生當(dāng)前有三方面的因素，其一是由于電源端產(chǎn)生；其二是輸配電過(guò)程產(chǎn)生；其三是電力設(shè)備產(chǎn)生。其中，這三面產(chǎn)生諧波的主導(dǎo)原因一是由于制作工藝問(wèn)題；二是由于發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性較差所導(dǎo)致；三是受變頻設(shè)備影響。

第四，諧波電流特性。采用仿真模擬的方式對(duì)供配電工程中的充電樁諧波電流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)看，充電樁在運(yùn)行期間所形成的諧波次數(shù)存在“6x±1（x=1,2,3，…）”特征，即主要的諧波次數(shù)為5次、7次、11次、13次……，其中諧波次數(shù)與電流存在反比關(guān)系，即產(chǎn)生諧波電流的諧波次數(shù)主要為5次與7次。

2.2 污染危害

一是降低供配電工程充電樁電路系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定性。由于諧波這種波形在呈現(xiàn)形態(tài)和特點(diǎn)上，存在復(fù)雜性、不確定性，因此導(dǎo)致了整體電力設(shè)置設(shè)施的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性容易引發(fā)安全事故，并會(huì)降低電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，像斷路器的補(bǔ)償以及用電設(shè)備運(yùn)行效率較低等。

二是增加電網(wǎng)額外損耗。當(dāng)輸出同等電量的情況之下，由于諧波因素，導(dǎo)致輸電過(guò)程變得越發(fā)不穩(wěn)定，因此部分配電設(shè)備就會(huì)降低運(yùn)行效率，使得接受電量客體，無(wú)法得到穩(wěn)定足夠的電量，并且如果是在長(zhǎng)時(shí)間的輸電情況之下，還容易產(chǎn)生感性設(shè)備過(guò)熱等問(wèn)題，進(jìn)而容易引發(fā)短路并減少相關(guān)設(shè)備的使用壽命，形成配電工程整體絕緣呈現(xiàn)老化現(xiàn)象。

三是容易導(dǎo)致電能計(jì)量紊亂。供配電工程通常系統(tǒng)較為龐大，相應(yīng)的諧波也會(huì)大量的提高電流頻率，因此就會(huì)對(duì)電能計(jì)量裝置造成干擾，最終導(dǎo)致計(jì)量的不準(zhǔn)確，使得電網(wǎng)工作人員的工作壓力進(jìn)一步加大，并降低了電能計(jì)量的實(shí)際功效，同時(shí)這種不穩(wěn)定的情況還容易進(jìn)一步引發(fā)火災(zāi)等情況的發(fā)生。諧波污染是國(guó)際公認(rèn)的電力危害之一，其可對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成極大影響，故在供配電工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)強(qiáng)化充電樁諧波控制治理工作，防止諧波污染影響電網(wǎng)運(yùn)行。

3 基于供配電工程設(shè)計(jì)的充電樁諧波治理措施

3.1 減少諧波源

供配電工程充電樁諧波治理期間，應(yīng)從根源治理諧波，減少諧波源，以此切實(shí)保障供配電工程電網(wǎng)質(zhì)量，為充電樁的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造良好電網(wǎng)環(huán)境。

3.1.1 增加脈動(dòng)數(shù)

將電動(dòng)汽車(chē)充電樁增加為12脈整流，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，在其結(jié)構(gòu)中共有兩個(gè)橋式整流電路，即橋Ⅰ、橋Ⅱ整流電路，兩者以變壓器為紐帶實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)，一次側(cè)為星形聯(lián)結(jié)繞組，二次側(cè)為三角形聯(lián)結(jié)繞組與星形聯(lián)結(jié)繞組，三者繞組比例為“1:√3：1”在此繞組結(jié)構(gòu)作用下完成兩個(gè)橋式整流電路的供電作業(yè)，并確保橋Ⅰ、橋Ⅱ電路良好聯(lián)結(jié)至整流變壓器結(jié)構(gòu)上。為驗(yàn)證增加脈動(dòng)數(shù)的諧波源減少效果，可分別計(jì)算橋Ⅰ、橋Ⅱ電流表達(dá)式，進(jìn)一步得出網(wǎng)側(cè)線(xiàn)電流數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算分析得知，橋Ⅰ、橋Ⅱ僅形成了“12n+1”次諧波，其中“n”為正整數(shù)，非“12n+1”次諧波均被抵消，以此有效減少了諧波源，抑制了諧波的形成[1]。

圖2 12脈整流電路結(jié)構(gòu)

3.1.2 脈寬調(diào)制

脈寬調(diào)制又被稱(chēng)之為PWM 整流技術(shù)，通過(guò)脈寬調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)充電樁在特定頻率周期內(nèi)的直流輸入。PWM 脈寬調(diào)制最顯著的優(yōu)勢(shì)在于取消了工頻變壓器的應(yīng)用，縮小了體積，其以IGBT 模塊為充電功率主要元器件。經(jīng)PWM 整流技術(shù)處理后，能夠改善充電樁交流側(cè)電流，使其無(wú)限接近于正弦波，繼而使電流相位與電壓相位保持一致，并完成對(duì)單位功率因數(shù)的調(diào)制，以此降低了整流器所形成的諧波電流數(shù)量。

3.1.3 校正功率因數(shù)

校正功率因數(shù)又被稱(chēng)之為PFC 技術(shù)，該技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)多依靠功率因數(shù)校正裝置，將該裝置設(shè)置于電動(dòng)汽車(chē)充電樁前端，當(dāng)裝置閉合運(yùn)行后，電路交流側(cè)電流將會(huì)趨向正弦化變化，以此減少了非線(xiàn)性特征，并校正優(yōu)化了功率因數(shù)，繼而有效縮減了裝置諧波電流含量。

3.2 安裝濾波裝置

根據(jù)供配電工程實(shí)際情況安裝濾波結(jié)構(gòu)可有效抑制諧波的產(chǎn)生，以此形成良好的諧波治理效果。

3.2.1 無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器（PPF）為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮杵?、電感、電容組合設(shè)計(jì)，構(gòu)建成濾波電路，使諧波源與濾波電路形成阻抗旁通結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)濾波的同時(shí)，可完成無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)源濾波器可進(jìn)一步分為帶通濾波器、單調(diào)諧濾波器，其中帶通濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)特定頻率內(nèi)的諧波補(bǔ)償，而單調(diào)諧濾波器能夠直接將特定諧波過(guò)濾掉。在供配電工程設(shè)計(jì)中，可通過(guò)直接安裝無(wú)源濾波器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制，但在應(yīng)用期間，存在效果不穩(wěn)定、體積大、耗費(fèi)高的缺陷，故需根據(jù)供配電工程實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

無(wú)源濾波器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)裝置阻抗比情況確定濾波特性，并綜合考慮供配電工程充電樁諧波污染最嚴(yán)重狀態(tài)，以此為依據(jù)選擇適宜規(guī)的無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器主要是以特定次諧波特性為依據(jù)確定裝置參數(shù)，通過(guò)諧波電流接地的方式完成濾波，結(jié)合供配電工程中的充電樁諧波治理情況來(lái)看，其諧波電流含量較大的頻次為5次與7次，此時(shí)可選用單調(diào)諧濾波器對(duì)5次、7次濾波進(jìn)行過(guò)濾。對(duì)無(wú)源濾波器5次、7次諧波參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，在5次諧波下，其諧波電容、電感、電阻分別為2.8mH、140μF、0.1Ω；而諧波電容、電感、電阻在7次諧波狀態(tài)下，其分別為5.5mH、37.6μF、0.26Ω。

為確保無(wú)源濾波器能夠良好發(fā)揮效果，面對(duì)復(fù)雜成分諧波，需具體情況具體分析，合理協(xié)調(diào)無(wú)功補(bǔ)償與濾波功能，防止出現(xiàn)諧波被放大的情況。若整個(gè)供配電系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，則會(huì)造成濾波效果極度不穩(wěn)定的情況，若諧波強(qiáng)度超出一定界限，將會(huì)損壞元件，此外無(wú)源濾波器雖可起到一定諧波治理效果，但卻無(wú)法大幅降低諧波總量。為杜絕上述問(wèn)題，需增設(shè)有源濾波器，使有源濾波器與無(wú)源濾波器協(xié)同運(yùn)行，以此形成穩(wěn)定且高效的諧波治理效果。

3.2.2 有源濾波器

有源濾波器（APF）屬于新型裝置，其解決了傳統(tǒng)無(wú)源濾波器缺陷問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)諧波動(dòng)態(tài)化抑制。相較于無(wú)源濾波器，有源濾波器具有諧波抑制穩(wěn)定，連接簡(jiǎn)單、投切靈活的優(yōu)勢(shì)，且隨著相關(guān)技術(shù)的日漸成熟，有源濾波器故障問(wèn)題減少，故在供配電工程設(shè)計(jì)中，為有效治理充電樁的諧波問(wèn)題，應(yīng)合理運(yùn)用有源濾波器。

隨著產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，無(wú)源濾波器現(xiàn)已無(wú)法滿(mǎn)足供配電工作要求，在此形勢(shì)下，需根據(jù)供配電工程實(shí)際概況引入有源濾波器裝置。在供配電工程系統(tǒng)內(nèi)，依靠有源濾波器可提取諧波電流及無(wú)功電流，在變流器設(shè)備作用下實(shí)現(xiàn)電流補(bǔ)償，經(jīng)上述處理后即可有效降低諧波成分，盡可能降低諧波污染對(duì)于供配電工程充電樁的干擾。有源濾波器具有靈活優(yōu)勢(shì)，可針對(duì)不同情況下的諧波進(jìn)行抑制，通過(guò)針對(duì)性調(diào)整提高諧波治理效果。有源濾波器在實(shí)際運(yùn)行期間始終滿(mǎn)足額定容量運(yùn)行要求，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載情況，效果顯著，故在供配電工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先選用有源濾波器，盡可能為供配電系統(tǒng)充電樁的運(yùn)行穩(wěn)定性創(chuàng)造良好條件。

3.2.3 混合有源濾波器

混合有源濾波器（HAPF）主要是指混合使用無(wú)源濾波器與有源濾波器，將兩者并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)完整的濾波體系，借助無(wú)源濾波器部分消除特定次諧波，在有源濾波器作用下動(dòng)態(tài)化處理充電樁諧波，通過(guò)無(wú)源、有源裝置的協(xié)同應(yīng)用，進(jìn)一步提升供配電工程充電樁體系中的諧波治理效果，此外還可依托于無(wú)源濾波器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。在供配電工程充電樁體系中，其在運(yùn)行期間主要形成的諧波主要為的5次、7次諧波，高次諧波相對(duì)較少，可忽略不計(jì)，在這一諧波特性下，可針對(duì)5次、7次諧波設(shè)置無(wú)源濾波結(jié)構(gòu)（由單調(diào)諧濾波器構(gòu)成）。

考慮到供配電充電樁運(yùn)行期間可產(chǎn)生高頻毛刺，故可在混合有源濾波器結(jié)構(gòu)中增設(shè)LC 低通濾波器，用于削弱并消除高頻毛刺。為確保無(wú)源濾波器與有源濾波器能夠在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮良好作用，需引入耦合變壓器，對(duì)兩者的電流與電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)借助變壓器進(jìn)行電氣隔離，為無(wú)源濾波器與有源濾波器協(xié)同發(fā)揮作用創(chuàng)造良好條件。此外，濾波器在運(yùn)行過(guò)程中存在濾波電容與濾波電感，可能會(huì)造成基波諧振，繼而使基波電流均流至無(wú)源濾波器，此時(shí)基波電壓與基波電流不會(huì)對(duì)有源濾波器產(chǎn)生影響，故應(yīng)用混合有源濾波器進(jìn)行供配電諧波治理過(guò)程中，有源濾波器可選擇小容量規(guī)格，在保障濾波效果的同時(shí)抑制諧波，且可在一定程度上減少濾波成本，大幅提升混合有源濾波器應(yīng)用價(jià)值。

3.2.4 供電設(shè)備

抑制供配電工程充電樁諧波還可從提高變壓器繞組方面入手，通過(guò)繞組調(diào)整實(shí)現(xiàn)諧波治理，如三角形聯(lián)結(jié)變壓器，其可有效消除三次諧波。在諧波治理過(guò)程中，應(yīng)從根源處入手，根據(jù)供配電工程發(fā)電機(jī)實(shí)際情況選擇適宜電能，以此減少或消除電動(dòng)勢(shì)，繼而實(shí)現(xiàn)諧波治理。從星形聯(lián)結(jié)變壓器角度來(lái)看，其同樣可實(shí)現(xiàn)三次諧波的消除，在實(shí)際治理期間，應(yīng)立足于實(shí)際情況明確諧波性質(zhì)，根據(jù)具體諧波表現(xiàn)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

3.2.5 整流設(shè)備

脈動(dòng)數(shù)與整流設(shè)備諧波之間存在正相關(guān)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)供配電工程設(shè)計(jì)中的充電樁諧波治理，應(yīng)對(duì)整流設(shè)備脈動(dòng)數(shù)進(jìn)行調(diào)制改善，繼而實(shí)現(xiàn)諧波抑制。增加脈動(dòng)數(shù)量可形成良好的諧波治理效果，而脈動(dòng)數(shù)量的增加需相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化裝置配置。通常情況下，供配電工程多采用12脈整流或24脈整流，通過(guò)整流脈動(dòng)數(shù)的調(diào)制削弱諧波含量，將諧波抑制在特定范圍內(nèi)。為進(jìn)一步發(fā)揮出整流設(shè)備在供配電工程充電樁諧波治理中的作用，可引入多重化技術(shù)，該技術(shù)主要指并聯(lián)錯(cuò)位設(shè)置變流裝置，借助階梯波盡可能靠近正弦波，以此起到低次諧波治理效果，但多重化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需較多裝置，故在一定程度上增加了成本，需結(jié)合供配電工程充電樁實(shí)際情況合理應(yīng)用。

綜上所述，電力諧波的存在,極大影響了供配電工程中的充電樁運(yùn)行穩(wěn)定性，為確保充電樁能夠?yàn)殡娏ζ?chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供助力，需在供配電工程設(shè)計(jì)過(guò)程中做好諧波治理工作。結(jié)合現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來(lái)看，諧波治理主要從兩方面入手，即減少諧波源、安裝濾波裝置，在設(shè)計(jì)治理期間，應(yīng)結(jié)合供配電工程實(shí)際情況選擇諧波治理方式，為充電樁的穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。