电动公交车大电流充电机谐波仿真分析与治理

赵双东， 邹 黎， 亓建英， 陈 群， 李 超

(山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255091)

伴随中国经济的快速发展和工业化进程的加快，雾霾天气日益严重，环境的污染问题逐渐凸显出来.电动公交车由于其在环保、节能、运行费用等方面的突出优点越来越得到政府与普通大众的青睐.然而，电动公交车充电装置是非线性设备，大批量的电动公交车涌入市场，其充电过程中产生的大量谐波对电网的污染引起了电力部门的高度重视.改善充电机的整流模式，降低充电过程中的谐波含量，减少对公用电网的谐波污染已成为电力工作者的共识.本文分析现有的充电机类型及现有充电机的整流模式和谐波含量，提出对充电机充电过程中电流谐波含量超标的改进措施.

1 现有的充电机类型

电动公交车充电机按照其工作原理主要分为以下三类[1-2]：第一类充电机包括工频变压器、不控整流器和斩波器，其特点是体积大、电网侧电流谐波含量高、变换效率低，注入电网的谐波电流过大，不适宜接入公用电网；第二类充电机包括三相不可控整流装置和高频变压器隔离DC/DC变换器，其特点是电网侧电流谐波含量高(30%左右)、变换效率低，这一类充电机虽然电流谐波含量高，但其成本低，在市场上占有率较高；第三类充电机由三相PWM整流器和高频变压器隔离DC/DC变换器组成，其特点是功率因数高、电网侧谐波电流小，但是由于PWM整流充电机技术复杂、可靠性低、成本高等原因，所以虽然市场上已经出现，但与之相关的科研成果较少.

2 充电机的谐波含量分析

目前电动公交车的充电方式为“慢充快补”，充电过程中的充电电流非常大，因此对电网的影响很大.市场上应用最广泛的充电机由不可控整流电路组成(其结构如图1所示)，因此选择对该类型充电机进行谐波含量分析.电动公交车充电过程中对电网的影响主要体现在谐波电流对电网的污染方面.

图1 高频充电机结构框图

以a相电流为例，对流过变压器二次侧的非正弦电流进行傅立叶级数分解[3]：

(1)

由式(1)可以得出进线电流基波和各n次谐波的有效值分别为

(2)

由式(2)知，在整流电路交流侧电流中含有6k±1次谐波电流，不含3的整数倍次谐波，各次谐波电流的有效值与谐波次数成反比.当对电动公交车充电时，大量的谐波电流将流入电网，对电网及其用电设备产生很大的负面影响，主要体现在以下几个方面：

(1)谐波电流使变压器的铜耗和杂散损耗增加，谐波电压使铁耗增加，同时使变压器的噪音增大.

(2)使输电线路的线路损耗以及发热量增加.

(3)对于补偿电容器组，谐波电流的流入使电容器组使用寿命大大降低.

(4)谐波电流使继电保护装置误动作，影响继电保护装置的正常运行.

3 充电机谐波治理措施

谐波治理的措施主要分为两类[4]：主动型和被动型.主动型谐波治理是指从谐波源本身出发，在直流侧减少谐波产生，主要包含增加整流脉波数、多电平变流、功率因数校正等方法.被动型谐波治理是指在交流侧增加滤波装置减少谐波含量，主要包括增加无源滤波器(LC)、APF补偿和混合型滤波等方法.本文将从十二脉整流和装设并联有源滤波器这两种谐波抑制方式出发，分析电动公交车充电机的谐波治理方式.

3.1 十二脉整流充电机

图2 十二脉充电机原理图

3.2 增加APF补偿充电机

有源滤波器分为串联型、并联型和混合型三种.并联型APF直接向系统中注入补偿电流，是现阶段应用最广泛的有源电力滤波器.并联型APF通过耦合变压器接入系统，这样不仅不会对系统造成影响，而且投切灵活，各种保护简单，在技术上比较成熟.并联型APF的结构原理图如图3所示[5].

图3 并联型APF的充电机结构原理图

由图3可以看出，APF由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路四大部分组成.有源电力滤波器在电动公交车充电机中治理谐波的基本思路是:(1)检测出由电动公交车充电机产生的负荷电流，由指令电流运算模块计算出指令信号.(2)经过补偿电流发生模块生成所需的补偿电流.(3)补偿电流抵消负载电流中需要补偿的谐波分量，从而使流入电网的电流中只含基波电流[6].如图3所示，充电机充电时，安装的APF检测到负载电流iL中含有谐波电流iLH,指令信号由iLH取反后获得，最后由补偿模块产生补偿电流iC，由于补偿电流和谐波电流大小相等，方向相反，因此电源电流中只含有基波分量，从而达到补偿谐波的目的.

4 充电机谐波治理仿真模型的对比与分析

为了验证上述治理措施的有效性，根据大型充电机对电池组充电时的实验数据，在Matlab/Simulink环境下建立充电机仿真模型，利用powergui中的快速傅立叶变换(FFT)模块对进线端进行谐波分析.仿真参数设置如下：电源线电压为380V/50Hz，系统阻抗忽略不计；负载为电池组充电模型，由于仿真时间短，可以认为等效电阻为恒定值，滤波电感为1.5mH,等效电阻为2Ω.

搭建现有电动公交车充电机的等效模型，对其进行仿真分析，得到的交流侧充电电流波形如图4所示，交流侧电流的谐波含量与畸变率如图5所示.由图4和图5可知，现有充电机的谐波畸变率严重超出了国家电网公司规定的标准.

图4 现有充电机的电流波形图

图5 现有充电机的谐波含量与畸变率

重新搭建的十二脉整流充电机的仿真模型如图6所示[7]，对其进行仿真分析得到的A相交流侧的电流波形如图7所示，A相电流的谐波含量和谐波畸变率如图8所示.由图7、图8可知，十二脉充电机产生的电流波形基本符合正弦波形，谐波畸变率明显降低.

含有并联型APF的充电机等效模型如图9所示，对其进行仿真分析，得到的A相交流测的电流波形如图10所示，APF对其进行的谐波补偿电流如图11所示，补偿后的交流侧谐波含量和畸变率如图12所示.由图10～12可知，通过并联型APF对谐波的补偿，充电机注入电网的谐波含量大大降低，电流畸变率基本消除.

从仿真得到的电流波形以及电流畸变率可知，十二脉整流充电机和带有并联型APF的充电机在充电过程中对电力系统的谐波污染具有很好的抑制作用，符合国家电网公司对电流畸变率的标准，这为今后电动公交车产业的快速发展起到了很好的助推作用.

图6 十二脉充电机等效模型

图7 十二脉充电机交流侧电流波形 图8 十二脉充电机的谐波含量和谐波畸变率

图9 并联型APF的充电机等效模型

图10 A相交流侧的电流波形 图11 APF对充电机的谐波补偿电流

图12 补偿后的交流侧谐波含量和畸变率

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