智能电网中电动汽车充电站的谐波抑制方法研究

李璨,杭乃善,陈光会,卢珊,吴昕

（1.广西大学电气工程学院，广西南宁530004；2.广西水利电力职业技术学院，广西南宁530023）

为了满足电动汽车电池充电或更换的需要，电网部门必须建设广泛、方便、快捷的电动汽车充电站。对电网而言，充电站的充电机是一个非线性负载，随着充电工作的进行，将给电网注入较大的谐波电流[2-4]。谐波的出现会对电网的正常运行带来一系列的危害[5]，所以解决充电站的谐波问题，对于电动汽车的推广有重大意义。

目前，在电力系统中通常采用2种方法进行谐波抑制：一是采取措施减少电力电子设备自身产生的谐波。多脉动整流技术就是典型的通过改进电力电子设备自身进行谐波治理的方法，采用此种方法可以将谐波电流在电网侧进行有效的抵消[6-9]。二是增设滤波装置滤除电网中的谐波。在工程中装设的滤波装置包括无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器价格相对低廉，采用电容和电感元件组成滤波电路，在谐振频率下合成阻抗为0，迫使该次谐波电流流向滤波支路，不能传播到电网造成危害，但是其滤波效果有限；有源滤波器在工程应用时要备有谐波发生源和大功率晶闸管元器件，还要配有跟踪控制和脉宽调制系统[10]，虽滤波效能优越，但成本费用高，技术难度大。

基于此，本文结合电动汽车充电站的实际特点与滤波装置的成本，确定出以12脉动整流变压器向电动汽车充电站供电的方案，如果再在12脉动整流变压器的电网侧装设一组无源滤波器，则谐波抑制效果更佳，本文通过原理分析与实验进行验证。

1 现有电动汽车充电机简介

根据现有的电动汽车充电机的工作原理，可将充电机分为3类：

第一类充电机由三相不控整流与斩波器组成，属于早期产品。这类充电机电网侧的交流电流畸变严重，对电网注入大量的谐波电流。此类充电机不适合接入电网。

第二类由三相不控整流与DC/DC功率变换器组成，是目前国内外广泛采用的方式，其典型结构如图1所示。

图1 典型充电机一般结构图Fig.1 The general structure diagram of typical battery charger

此类充电机以常用的6脉动不控整流桥作为充电机的整流电路，充电机电网侧电流的主要谐波次数为6k±1，（k=1，2，3，…），电网侧电流总的谐波畸变率可低于35%，较第一类充电机有较大的改善。

第三类由PWM整流与DC/DC变换器组成。此类充电机利用了三相PWM整流方法来抑制电网侧的谐波，网侧电流畸变率可小于5%。但是目前PWM整流技术还处于研究阶段，技术尚不成熟，而且成本高，设备复杂，可靠性低。

2 12脉动充电机的谐波分析

图2为串联型12脉动整流充电机电路结构图。2个桥式电路的电源由一台三绕组变压器供电，二次侧的2个绕组一个接成星形，一个接成三角形，三角形连接组的输出线电压超前星形连接组输出线电压30°。

图2 12脉动整流充电机结构图Fig.2 The structure diagram of 12 impulsion rectifying battery charger

分析12脉动整流变压器电网侧的谐波时,可将12脉动整流变压器分为2部分进行分析，即分别分析Y/Y与Y/Δ变压器交流侧的电流，再将2个电流进行叠加,计算出12脉动充电机电网侧的谐波。

以A相电路为例。分析Y/Y变压器电网侧电流波形，此时电流近似为方波波形，忽略电流的初相位，标幺值形式的数学表达式如下：

其傅里叶级数为：

当Y/Δ变压器向三相不控整流供电时，以A相电路为例分析变压器电网侧电流波形，此时电流近似为“品”字型波形，标幺值形式的数学表达式如下：

展开傅里叶级数为：

根据式（2）和式（4），12脉动整流三绕组变压器的电网侧的A相电流为：

此时电网侧电流中的主要次谐波5次和7次谐波保持抵消状态，电流中只含有少量的6k±1（k=1，2，3，…）次谐波。可见，12脉动整流变压器电网侧的谐波电流较6脉动整流变压器有较大改善。

3 无源滤波器原理分析

对于采用12脉动整流变压器供电的电动汽车充电机来说，其电网侧电流已经比较趋向正弦。如需进一步降低电网侧的谐波含量，就需要另外装设无源滤波器。

图3为电力系统的简化谐波等效电路，图中I觶n为谐波源的n次谐波电流；I觶Cn为流入滤波器的谐波电流，I觶Sn为流入电力系统的谐波电流。

图3 电力系统谐波等效电路Fig.3 Equivalent circuit of power system harmonic

可以求出流入系统和滤波器的谐波电流分别为：

如果此时无源滤波器处在谐振状态下，则此时的系统和无滤波器的谐波电流为：

如果此时满足nXS＞＞Rfn，则ICn＞＞ISn，谐波几乎全部流入滤波器，实现了滤波的效果。

工程中一般常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器构成滤波装置。在12脉动整流电路中，通常分别装设一组11次、13次单调谐滤波器和一组高通滤波器。其参数选择原理如下。

1）电容参数的选取。无源滤波器的成本与其容量成正比，安装容量越小，则滤波器投资越少。当时，滤波器在n次谐波发生谐振。则最小电容器安装容量所对应的电容大小为：

式中，UC为电容器两端电压

2）电阻参数R的选取。电阻值与滤波器的最佳品质因素Q有如下关系（工程中一般Q按30计算）：

3）电感参数选取。考虑到系统谐波阻抗影响后滤波器可能不工作在全谐振的最合理状态，因此滤波器中电感值应采用偏谐振值，即：

式中，ε为电感偏谐振率，一般取0.015。

4 实验验证

基于上文分析，通过实验来验证12脉动整流方式的谐波抑制作用，整流实验电路如图4所示。图4（a）为6脉动整流电路实验图，通过一台双绕组Y/Y变压器向一个三相不控整流桥供电，整流桥的直流负载为电阻，在变压器与电网之间并联一组5次、7次与高通滤波器；图4（b）为12脉动整流电路实验图，通过一台三绕组Y/Y/Δ变压器向2个三相不控整流桥供电，整流桥的直流负载为电阻，在变压器与电网之间并联一组11次、13次与高通滤波器。

图4 整流实验电路Fig.4 Experimental circuit of rectifying

实验步骤如下：

1）根据无源滤波器的参数选取方法，设计出6脉动整流电路的5次、7次和高通滤波器、12脉动整流电路的11次、13次和高通滤波器；

2）利用示波器测量6脉动整流时电网侧的电压电流波形，也就是Y/Y变压器原边的电压电流波形，其波形如图5所示，此时无源滤波器组未投入运行；

3）将无源滤波器组投入运行，用示波器测量此时电网侧的电压电流波形，其波形如图6所示；

4）利用示波器测量12脉动整流时电网侧的电压电流波形，也就是Y/Y/Δ变压器原边的电压电流波形，其波形如图7所示，此时无源滤波器组未投入运行；

5）将12脉动整流变压器的无源滤波器组投入运行，用示波器测量此时电网侧的电压电流波形，其波形如图8所示；

图5 6脉动整流时电网侧电压电流波形Fig.5 The voltage and current waveform of power grids of 6 impulsion rectifying

图6 6脉动整流时滤波后的电网侧电压电流波形Fig.6 The voltage and current waveform of power grids of 6 impulsion rectifying after filtering

图8 12脉动整流时滤波后的电网侧电压电流波形Fig.8 The voltage and current waveform of power grids of 12 impulsion rectifying after filtering

6）将上述测到的电流波形利用示波器进行谐波分析，其谐波畸变率与各谐波百分比如表1所示。

表1 不同情况下的主要谐波百分比Tab.1 Percentage of dominant harmonics under different situations

通过图5、6、7、8与表1可知，在未投入无源滤波器组时，6脉动整流变压器原边电流畸变率较大，为30.2%，各特征次谐波含量较高；投入无源滤波器组后，电流畸变率下降为14.6%，各次谐波含量也相应降低，此时虽然谐波电网侧电流趋向正弦，但是滤波器的效果并不理想，谐波电流仍然会对电网产生危害；12脉动整流变压器的原边电流畸变率明显降低，无需采用任何附加滤波装置，畸变率降为8.89%，主要次谐波为11、13次；12脉动整流变压器并联无源滤波器组后，变压器原边的畸变率仅为2.23%，谐波抑制效果相当明显，满足了国标《电能质量公用电网谐波》GB/T14594-93的要求。

5 总结

电动汽车行业将会进入快速的发展时期，电动汽车充电站系统的建立将会给电网带来较大的电能质量方面的危害，成为影响电动汽车普及的重要因素，解决电动汽车充电站的谐波抑制问题的意义重大。

通过理论分析与实验验证后得出以下结论：12脉动整流方式较6脉动整流方式的变压器原边谐波含量有明显降低，如果在12脉动整流方式下投入无源滤波器，谐波抑制效果比较理想。

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