不同类型的电动汽车充电站的谐波分析

林鑫

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116)

1 引言

由于电动汽车在节能减排方面的现实需要和化石能源面临枯竭的中远期状况，国内外的许多汽车厂在积极研究和推广电动汽车［1］，而中国能源结构和环境治理方面的压力更是促动近期的汽车产业结构调整政策。电动汽车作为一种新型高速发展的交通工具，在节约能源，减少污染物排放等方面具有无可比拟的优势。而电动汽车的能源供给设施——电动汽车充电站是电动汽车发展中必不可少的重要环节［2］。

充电机是电动汽车充电站的主要设备。综合考虑到不同整流装置的电动汽车充电机产生的谐波性质不同，电动汽车充电机的制造成本，电动汽车充电站的建设成本及其长远的经济效益，公用电网各次谐波电流允许值等因数的影响。本文通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，仿真分析了三相桥式不控整流装置和双三相桥12脉波整流装置的电动汽车充电机对电网产生的影响，并仿真分析了LC无源滤波电路的滤波效果［3－5］。分析总结了这两种电动汽车充电机的适用范围，为电动汽车充电站的谐波治理和充电机类型的选择提供参考依据。

2 充电机仿真模型的建立

在PSCAD/EMTDC环境下搭建充电机的仿真模型，包括整流器、直流侧滤波稳压的电感和电容，以及负载等效电阻，建立充电机的仿真模型如图1所示。

图1 充电机仿真模型

图中 L、C为滤波电感和电容，L取5mH，C取10μF，R为电动汽车电池充电过程的等效负载。

关于R:本文主要研究不同类型电动汽车充电机对电网产生的影响，因此可以将处于充电过程中的电动汽车电池视为一个负载。根据文献［6］可知，在充电过程中R是关于时间t的变化曲线，由于负载越轻，即越大，产生的谐波越大，基波越小，所以取R的最小值23.59Ω≈24Ω。

3 电动汽车充电机对电网的影响

3.1 三相桥式不控整流电动汽车充电机

对于采用三相桥式不控整流电路的电动汽车充电机来说，脉波数为6，谐波电流主要为6k±1次谐波，(k=1，2，3…)，即谐波次数主要是 5、7、11、13 次等。在PSCAD中建立1台三相桥式不控整流电动汽车充电机的充电站，仿真模型如图1所示。

图2 1台三相桥式不控整流电动汽车充电机的充电站

从公用电网引入10kV，50Hz的三相交流电源，经过型号为S9－250kVA/10kV 0.4 DYN11的双绕组变压器降压为400V，50Hz，输入用电末端的电动汽车充电机负荷。由于变压器采用DYN11接法，可以有效地抑制整流器注入三相交流电源的3n次谐波(n=1，2，3，…)［7］。

在PSCAD中建立12台三相桥式不控整流电动汽车充电机的充电站，即在图2的变压器低压侧并联12台三相桥式不控整流电动汽车充电机。对比1台充电机和12台充电机两种情况下，变压器低压侧电流Ia波形如图3所示。

图3 1台充电机和12台充电机电流Ia波形的比较

表1 1台充电机与12台充电机电流Ia各次谐波电流有效值(单位A)

通过仿真数据可以看出，对于采用三相桥式不控整流电路的电动汽车充电机，三相交流电源各次谐波电流有效值的大小将随着充电机台数的增加而增大。

根据国家标准《GB/T 14549－1993》可知，12台充电机产生的5次谐波电流有效值已达75.24%。当注入公共联接点的谐波电流允许值会超过规定限额的75%时，便不允许负荷接入电网，因此需要对充电机产生的谐波电流进行治理。本文采用LC无源滤波器对充电机产生的谐波进行滤波，以减小谐波对电网的影响，从而提高电网的电能质量。将LC滤波器接在变压器与充电机之间，如图4所示。

图4中LC无源滤波器的电感L和电容C的最佳值的求取经验公式如下［5］:

图4 LC无源滤波电路

式:U～——电网电压的有效值;

f——电网电压的频率;

P——整流器的输出功率。

经LC无源滤波器滤波后，充电站变压器低压侧电流Ia主要含有的谐波电流为:1台充电机时主要含有5次1.00A的谐波电流，12台充电机时主要含有5次1.14A的谐波电流，滤波后1台充电机和12台充电机电流Ia的波形对比如图5所示。

图5 LC滤波后1台充电机和12台充电机的Ia波形比较

可见经过LC无源滤波电路滤波后，Ia的各次谐波电流已基本被滤除，Ia的波形得到了很好的矫正，完全满足国家标准《GB/T 14549－1993》所规定接入公用电网谐波电流允许值的要求。但值得注意的是，当仅有1台充电机时，滤波前功率为6046W，滤波后功率为10366W，充电功率提高了71.45%;而当充电站有12台充电机同时并网运行时，滤波前每台充电机的功率为 5700W，滤波后的功率为 772W，降低了86.46%，充电速度和效率大大降低，功率损耗严重，已经不适合实际应用。综合上述分析可知，在充电机同时并网台数少时，LC无源滤波器不但可以起到很好的滤波效果，而且还能提高充电机的充电功率;而在充电机同时并网台数多时，LC无源滤波器虽然也能起到很好的滤波效果，但充电机的功率却大大降低了。因此，LC无源滤波器适合应用于小型电动汽车充电站。

3.2 双三相桥12脉波整流电动汽车充电机

对于三相桥式不控整流装置来说，最大的两次谐波电流是5次和7次，而采用双三相桥12脉波整流电路的电动汽车充电机，三相交流电源中只含有12K±1次谐波电流(K=1，2，3…)，最低次谐波电流为11次，但是为了得到12脉波整流电压，需要两组三相交流电源，且两组电源间的相位差应是30°。由于双三相桥12脉波整流器对三相交流电源的电压幅值和相角要求较高，因此需要独立使用三相三绕组变压器，这无疑增大了电动汽车充电站的建设成本。

在PSCAD中建立12台双三相桥12脉波整流电动汽车充电机的充电站，仿真模型如图6所示。

图6 612台双三相桥12脉波整流电动汽车充电机的充电站

仿真得到变压器低压侧的电流Ia0、Ia1以及高压侧的电流Isa的波形如图7所示。

通过图7便可看出变压器低压侧的电流Ia0和Ia1已经产生严重的畸变，然而高压侧的电流Isa由两低压侧的感应电流合成后，仅含有11次0.47A和13次0.23A的谐波电流，波形几乎不发生畸变，因此无需再进行滤波处理。随着充电机台数的增加，变压器高压侧的电流Isa中所含的11次和13次谐波电流值增加仍十分微小。使用双三相桥12脉波整流电动汽车充电机的充电站，只要加装一台三相三绕组变压器供充电机负荷独立使用，便可隔离低压侧谐波电流对高压侧公用电网的影响。这种充电站每台充电机的功率为5855W，是采用三相桥式不控整流电路12台充电机经LC滤波后功率的7.58倍。而且随着充电机台数的增加，两种充电站的功率差距越大。因此，建设大型电动汽车充电站适合使用双三相桥12脉波整流装置的充电机。

图7 电流 Ia0、Ia1和 Isa波形

4 总结

从以上分析可以看出，随着充电机台数的增加产生的谐波电流有效值也将增大。建设大型的快速电动汽车充电站，适合使用双三相桥12脉波整流装置的充电机。而建设小型的电动汽车充电站，适合使用经过LC滤波的三相桥式不控整流装置的充电机，这种充电站无需加装变压器，可从公用电网直接引入380V的三相交流电源，从而减小了电动汽车充电站的建设成本，同时也能满足充电机并入公用电网的要求和小型电动汽车充电站的建设需求。

［1］魏哲林.电动汽车的环境效益评估［J］.电力与能源，2013，3:231－234+238.

［2］李娜，黄梅.基于不同整流装置的电动汽车充电机比较［J］.华北电力技术，2011，01:23－29.

［3］李学生.PSCAD建模与仿真［M］.北京:中国电力出版社，2013:4.

［4］陈坚.电力电子学:电力电子变换和控制技术［M］.北京:高等教育出版社，2004，12.

［5］曲学基，曲敬铠，于明扬.电力电子滤波技术及其应用［M］.北京:电子工业出版社，2008，10.

［6］黄少芳.电动汽车充电机(站)谐波问题的研究［D］.北京交通大学，2008.

［7］Roger C.Dugan，Surya Santoso，Mark F.McGranaghan，H.Wayne Beaty.Electrical Power Systems Quality［M］.McGraw－ Hill Professional;2nd Revised edition，2002，12.

［8］GB/T 14549－1993，电能质量:公用电网谐波［S］.