电动汽车充电谐波水平评估及治理方案研究

鲁月乔 丁 梁 钱祥威 黄 骅

（绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

电动汽车充电谐波水平评估及治理方案研究

鲁月乔 丁 梁 钱祥威 黄 骅

（绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

电动汽车的快速发展势在必行，其接入电网会产生大量谐波，且多位于配网末端，给配网电能质量提出严峻挑战，因此有必要对电动汽车充电设施进行建模仿真，评估其谐波影响水平。本文利用Matlab/Simulink设计了充电机接入电网模型与无源滤波器模型，建立了三相桥式不控整流充电机及无源滤波器的仿真模型，使用快速傅里叶变换进行了滤波前后谐波电流仿真分析。采用无源滤波器后电网侧各次谐波电流显著减少，电流总谐波畸变率和各次谐波电流含有率都有降低。

电动汽车；无源滤波器；Matlab/Simulink仿真；谐波治理

随着国民经济和工业技术的发展，居民家庭中电力电子型非线性负荷持续增加。国家能源科技“十二五”规划中提出建立现代能源产业，促进节能环保、新能源、新能源汽车等战略性新兴产业的发展[1]。随着电动汽车技术的发展，充电桩、充电站等已大量建设，电动汽车连接在居民配电网络中已成事实，其充电行为已成为新的分布式谐波来源。配电网分布式谐波电流在电力系统中会引起电压畸变等各种各样的电能质量问题[2]。电力系统谐波所引起的电容器烧毁、设备误操作（如电动机慢速爬行、电话通信干扰和低压开关误动作）、家用电器故障不能正常工作等问题在电力系统中是显而易见的。同时，电力系统谐波也会引起其他潜在影响，如增加能量损耗、降低变压器寿命、以及影响电能表计量误差等。大型负荷（如大型电动汽车充换电站）所引起的谐波在实际中是比较容易抑制的，如采取谐波滤波器等措施可有效消除其引起的谐波影响。电动汽车谐波源具有类似的大小并遍布在整个电力网络中，尽管单独一个充电桩产生的谐波并不显著，但大量的类似充电桩和电动汽车充换电站产生的集体谐波却是非常可观的，其对电力系统的影响与危害已不可忽视。将给配电网的运营带来负面影响[3-7]。可见，对电动汽车接入电网产生的谐波进行建模仿真分析是非常急需且有必要的，以利于选定合理的供电方案和抑制谐波的措施。

本文利用Matlab/Simulink仿真平台对电动汽车电池接入电网充电进行了建模仿真并利用无源滤波器进行滤波。该抑制谐波方法对电动汽车充电引起的电能质量治理方案具有重要意义。

1 电动汽车充电站谐波模型

充电站按照功能可以划分为4个子模块：配电系统、充电系统、电池调度系统、充电站监控系统。电动汽车按电能供给模式分为如下3种模式：快速（直流）充电、慢速（交流）充电和快速换电。充电站主要设备包括充电机、充电桩、滤波装置、电能监控系统。目前一般以20～40辆电动汽车来配置一个充电站。

充电站供电系统一般由110kV或220kV变电站经 10kV侧配电网供电。充电站内变压器额定电压高压侧为10kV，低压侧为0.38kV，绕组采用DYN-11接线方式，电动汽车充电站和居民小区充电桩群电气接线如图1、图2所示。

图1 电动汽车充电站电气接线图

图2 居民小区充电桩电气接线图

2 充电站（桩）谐波特点

电动汽车产生的谐波主要是充电机产生的。其简化等效模型如图3所示。电动汽车在充电过程中其内部电阻一般会随时间呈非线性变化，且其输出功率呈下降趋势。文献[8]近似处理成三个阶段，即每个阶段的输出功率假设恒定不变，各阶段简化模型的电阻值由相应的输出功率确定，电阻R与输出功率P0的关系如式（1）所示。

式中，Ui和Ii分别为电阻R两端电压和流过电阻R上的电流，Pi为输入功率，P0为输出功率，η为转化率。

图3 充电机等效模型

在Matlab/Simulink文件中建立3台相同充电机的系统仿真模型如图4所示，该系统由电源模块、测量模块、变压器模块、充电机模块4部分组成。利用快速傅里叶分析（FFT Analysis）模块对电力系统交流侧电流进行谐波分析。根据文献[8]设置系统参数（电源每相电压设为10kV，相位互差120°，变压器变比为 10kV/0.38kV，充电机的滤波电感为1.5mH，滤波电容取2.115mF，R取值分别为20Ω、50Ω、100Ω），仿真结果显示交流侧三相 A、B、C电流变化规律相同，因此本文只取A相电流分析。当R取20Ω时，电力系统变压器高低压侧交流电流波形稳定状态下分别如图 5（a）、图 6（a）所示，从图 5（a）、图 6（a）可以看出，高低压侧电流波形严重偏离标准的正弦波形。用FFT对变压器高低压侧交流电流进一步分析结果如图7（a）、图8（a）所示，从图7（a）、图8（a）可知，3台充电机谐波电流总谐波畸变率为16%且主要为5次、7次、11次、13次，17次，19次，即6n±1次谐波比较严重且其幅值依次递减。表1给出了不同台数充电机充电时各次谐波电流含有率，由表1可知，随着充电机台数的增加，各次谐波含有率逐渐降低，这与理论分析相一致即多台充电机同时工作时谐波会不同程度的相互补偿或抵消，而不是简单的线性叠加。高低压侧各次谐波电流含有率见表2，6n±1次谐波电流含有率较高，需要进行谐波抑制。

图4 未加滤波装置的系统仿真模型

图5 滤波前后的高压侧电流波形

图6 滤波前后的低压侧电流波形

图7 滤波前后的高压侧电流傅里叶分析

图8 滤波前后的低压侧电流傅里叶分析

表1 不同台数充电机高压侧各次谐波电流含有率/%

表2 未加滤波装置的高低压侧各次谐波电流含有率/%

3 基于无源滤波器的谐波治理研究

3.1 谐波治理方案分析

目前主要利用有源滤波器、无源滤波器以及混合滤波器进行谐波治理[9]。有源滤波器产生与它所测到畸变谐波电流相位相反的一组谐波电流，谐波从而被抵消并最终形成一个无畸变的正弦电流，主要用于动态抑制谐波，同时兼顾无功补偿的新型电力电子装置，人们已对其设计及运行性能等方面开展了相关研究[10]，但因结构复杂、设备成本高等因素限制其大范围应用。无源滤波器利用 LC串联谐振滤去系统中相同频率的谐波，凭借其成本低、结构简单等优点，成为一种应用较广泛的谐波抑制手段，文献[11-13]对其进行了研究。有源无源混合滤波器具有无源滤波器和有源滤波器的优势，但其对控制系统要求较高，而且结构复杂、成本较高。综上分析，无源滤波器仍是目前工程应用较广泛的一种滤波装置。

3.2 无源滤波器设计

本文所设计的无源滤波器为单调谐滤波器，其基本电路如图9所示。

无源滤波器的主要工作原理为 LC串联谐振，即L与C产生谐振时该回路阻抗为0。为简便描述，以5次谐波为例，则图9中电容电感之间的关系可表示为即仿真时选用电容值C5=116μF，则相应电感值L5=3.497mH。至此，负荷侧产生的5次谐波电流将通过LC回路短路，达到滤波的目的。同理可得7、11、13次谐波滤波器参数。

图9 无源滤波器

根据前述仿真分析可知 5次、7次谐波电流畸变率尤其大，故本文在变压器低压侧设置了5次、7次无源滤波器，加入无源滤波器的系统仿真模型如图10所示。装设无源滤波器后变压器高低压侧交流电流波形分别如图5（b）、图6（b）所示，从图中可以看出，从图中可以明显看出电流波形得到明显改善，已经非常接近标准的正弦波形。相应的用FFT对变压器高低压侧电流进一步分析结果如图7（b）、图8（b）所示，从图中可以看出电动汽车充电机谐波电流总畸变率下降到6%，各次谐波电流含有率都有下降，尤其5次、7次谐波含有率下降更加明显。其谐波含有率都达到了国家标准范围内。经无源滤波器滤波后的高低压侧各次谐波电流含有率见表3，从表3中也可以看出各次谐波含量均非常小，且高低压侧谐波电流含有率非常接近。

图10 加入无源滤波器的系统仿真模型

表3 加入无源滤波器后高低压侧各次谐波电流含有率/%

4 结论

论文从电动汽车未来在居民配电网广泛应用时所引起的集体谐波影响问题出发，建立了充电站或充电桩群的仿真模型。仿真分析充电机工作时对电网电能质量的影响，主要分析研究了各次谐波电流含有率、电流总谐波畸变率随充电机台数增加的变化规律及加入无源滤波器后各次谐波电流含有率、电流总谐波畸变率的变化情况。研究表明：

1）电动汽车充电机产生的谐波主要是次谐波，随着充电机台数的增加，电流总谐波畸变率和各次谐波电流含有率呈减小的趋向；相同充电机台数时，5，7，…，19次谐波电流含有率依次减少，即谐波次数越大，其谐波含有率越小。

2）加入5、7次无源滤波器后，电流总谐波畸变率和各次谐波电流含有率都有降低，尤其5、7次谐波含有率降低更加显著。无源滤波器能够有效的有针对性的滤去某次谐波，效果显著且成本低。

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The Study on Harmonic Level Evaluation and Suppression of Electric Vehicles

Lu Yueqiao Ding Liang Qian Xiangwei Huang Hua
(Shaoxing Power Supply Company,Ltd,Shaoxing,Zhejiang 312000)

The rapidly developing electric vehicle industry located at the end of the distribution network will produce a large number of harmonics and put forward severe challenges for power quality of the distribution network,so it is necessary for the electric car charging infrastructure to model and simulate and evaluate the harmonic level of influence.Design the charger connected to the electricity grid model and the model of the filter using Matlab/Simulink.Establish the simulation model of the rectifier charger controlled by the three-phase bridge and the passive filter,using fast Fourier transform to analyse the harmonic current without and with filtering.Every harmonic current is significantly reduced after adopting passive filter,reducing the current total harmonic distortion rate and the containing rate of each harmonic current.

electric vehicle;passive filterl;matlab/simulink simulation;harmonic suppression

鲁月乔（1987-），男，浙江省绍兴市人，硕士，助理工程师，主要研究方向为电力系统谐波随机估计。