电动汽车充电桩对电能质量和电磁环境的影响

2017-06-05汤佩文王恩荣

电源学报 2017年3期

关键词：功率因数畸变传导

王亮，汤佩文，颜伟，高翔，王恩荣

（1.江苏科能电力工程咨询有限公司，南京 210036；2.南京师范大学电气与自动化工程学院，南京210042）

电动汽车充电桩对电能质量和电磁环境的影响

王亮1，汤佩文2，颜伟2，高翔2，王恩荣2

（1.江苏科能电力工程咨询有限公司，南京 210036；2.南京师范大学电气与自动化工程学院，南京210042）

通过研究电动汽车充电原理，分别建立了交流和直流充电桩电路模型，分析了多台电动汽车充电时对电流谐波畸变率和功率因数的影响；建立了电动汽车充电桩传导和辐射EMI噪声模型，分析了噪声生成机理及其传输路径。理论分析与实验结果表明，随着充电台数的增加，交流充电桩的电流谐波畸变率增大、功率因数不变，直流充电桩的电流谐波畸变率不变、功率因数增大，且直流充电桩频段在25 Hz～1 kHz和5～50 kHz时产生强烈的EMI噪声。

电动汽车；充电桩；电能质量；传导EMI噪声；辐射EMI噪声

随着全球能源危机的不断加深，石油资源日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业不断推动电动汽车的发展以及充电站和充电桩的建设。然而，电动汽车充电时，由于大功率电能变换器中的开关管不断切换通断状态，会产生大量的电流谐波和高频噪声，严重影响电网电能质量和电磁环境［1-5］。

针对上述问题，国内外学者开展了广泛研究。文献［6］提出了一种电动汽车充电桩的带有无功补偿装置的三相不可控整流器；文献［7］提出了基于有源电力滤波的交流充电桩方案；文献［8］研究了一种基于新型四开关逆变器的集成式电动汽车充电器，提出了电力拖动模式和电池充电模式的控制策略；文献［9］研究了三相不可控整流充电机各次谐波电流与谐波电压的耦合关系，提出了一种充电站集电母线电流谐波放大程度的量化方法；文献［10］发现电动汽车充电机产生的高次谐波流入电网后，存在明显的放大现象；文献［11］发现电流总谐波畸变率随充电功率的增大和充电机台数的增加呈减小趋势，而功率因数的变化则由充电功率与充电机数目的耦合机制决定；文献［12］提出一种带有源电磁干扰EMI（electromagnetic interference）滤波器的数字信号处理DSP（digital signal processing）控制电动汽车DC/DC变换器，能够有效降低传导EMI噪声；文献［13］提出了一种大功率LLC谐振电路的电动汽车充电装置；文献［14］建立了包含杂散参数的绝缘栅极双极型晶体管和三相电压型脉宽调制逆变器的等效电路模型；文献［15］通过增大功率器件导热片与散热器之间导热硅脂的厚度，增大开关器件对地寄生阻抗，从而有效降低传导EMI噪声。然而，上述研究缺乏交流和直流充电对电网电能质量的对比研究，及其产生传导和辐射EMI噪声的机理研究。

本文在前期研究基础上，通过分析交流和直流充电桩电路模型，研究不同充电桩和不同数量电动汽车充电时对电网电能质量的影响。建立了电动汽车传导和辐射EMI噪声，分析了噪声生成机理与传输路径，为后续电动汽车充电时电网电能质量和电磁环境治理提供理论依据。

1 电动汽车充电桩与充电电路原理分析

电动汽车充电桩是一种电能变换装置。10 kV配网通过变压器降压至三相380 V/单相220 V，再经过充电桩将交流电直接输送至电动汽车充电连接端子，或者经过充电桩内置的电能变换器将交流电转变为直流电输送至电动汽车充电连接端子。当充电桩向电动汽车直接输出交流电时，称为交流充电桩；当充电桩向电动汽车直接输出直流电时，称为直流充电桩。

1.1 交流充电桩

交流充电桩的电路原理如图1所示，充电桩只提供电力输出，需要通过车载电能变换器为电动汽车充电，只起到控制电源的作用。车载电能变换器包括双向AC/DC和双向DC/DC两个装置，双向AC/DC将单相交流220 V变换为直流电，再经过双向DC/DC升压，为电动汽车的蓄电池充电。其中，双向AC/DC通常采用单相三电平全桥电路、瞬态电流控制策略和正弦脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）方式；双向DC/DC采用能够切换控制的Boost和Buck电路。由于交流充电桩的充电电流相对较小，充电速度相对较慢。

图1 交流充电桩原理Fig.1 Circuit principle of AC charging pile

由于充电过程中，双向DC/DC工作原理与Boost电路相同，可采用Boost电路直接建模，重点分析研究单相三电平AC/DC电路拓扑结构及其控制策略，如图2所示。单相三电平AC/DC整流电路应提供平直稳定直流电，能够在4个象限运行，实现电源变换和功率交换，并保证电源电流不发生畸变，尽量减小供电网侧谐波及其冲击性影响。

图2 单相三电平AC/DC整流电路及其等效电路Fig.2 Topology and its equivalent circuit of single phase three-level AC/DC converter

图2中，该整流器的电路方程为

式中：uN为变压器二次侧电压；iN为变压器二次侧电流；uab为整流器调制电压；RN为变压器二次侧等效电阻；LN为变压器二次侧等效电感。若uab的相位滞后于uN时，充电桩从母线吸收电能，实现电动汽车电池充电；若uab的相位超前于uN时，充电桩向母线回馈电能，实现电动汽车电池放电。此外，值得注意的是，一般情况下变压器RN＜＜LN，整流器运行在单位功率因数，故可以忽略式（1）等号右边的第1项，即RNiN项。

单相三电平整流器均采用SPWM调制方式，实际应用中，为了产生开关管驱动脉冲信号SA和SB，A相载波包括正相载波Uca+和负相载波Uca-，同样地，B相载波包括正相载波Ucb+和负相载波Ucb-。若A相调制波Ua与B相调制波Ub相位相差180°，则A相载波与B相载波也应相差180°，以降低高次谐波。据此，重新定义SA和SB为

为了实现快速、有效的参数自适应调节，整流器一般采用瞬态电流控制技术，即通过整流器直流侧电压闭环和前馈电流闭环的调节，计算单相三电平整流器SPWM调制所需要的调制波，表示为

1.2 直流充电桩

直流充电桩的电路原理如图3所示，直流充电桩通过内置的电能变换器将三相交流380 V直接转换为直流电，为电动汽车的蓄电池充电。充电桩内置的电能变换器也包括双向AC/DC和双向DC/ DC两个装置，双向AC/DC将三相交流380 V直接变换为直流电，再经过双向DC/DC升压，为电动汽车的蓄电池充电。其中，双向AC/DC通常采用三相三电平全桥电路和SVPWM脉宽调制方式；双向DC/DC采用能够切换控制的Boost和Buck电路。直流充电桩能够提供足够功率，输出电压和电流调整范围较大，充电速度相对较快。

图3 直流充电桩原理Fig.3 Circuit principle of DC charging pile

三相三电平AC/DC通过控制开关管的导通关断状态，可以将三相380 V交流电转变为直流电，作为双向DC/DC的输入，最终为电动汽车的电池快速充电，其电路原理如图4所示。图中，A、B、C相桥臂上的4个开关管有3种工作状态：P状态、O状态和N状态。其中，P模式是指Ti1和Ti2（i=a、b或c）导通，Ti3和Ti4关断；O模式是指Ti2和Ti3导通，Ti1和 Ti4关断；N模式是指 Ti3和 Ti4导通，Ti1和 Ti2关断，在工作模式转换过程中必须经过O状态。

图4 三相三电平AC/DC整流电流电路Fig.4 Circuit topology of three-phase three-level AC/DC converter

三相三电平AC/DC全桥整流电路的矢量状态如图5所示，SVPWM调制需要经过大区判断、小区判断、矢量状态时序和矢量状态时间分配4步。

图5 矢量状态Fig.5 Vectors states

2 电动汽车充电桩传导EMI噪声机理分析

电动汽车充电过程中电能变换器的开关管通断状态高速切断，会产生大量的传导EMI噪声，并通过电源线传输至电网中，影响网内其他电气设备的正常运行。以单相三电平AC/DC的L线为例，由O状态转变为P状态时，Ta1由关断变为导通，Ta3由导通变为关断，由于切断瞬间电流上升沿和下降沿较为陡峭，通过傅里叶分析可以得到电流频谱，其中含有高频噪声；由O状态转变为N状态时，Ta2由导通变为关断，Ta3由关断变为导通，切换瞬间依然会产生高频噪声。上述高频噪声会按照“最小阻抗原则”传输，如通过整流器传输至N线，或者通过散热器、寄生电容等方式直接传输至地线。根据噪声产生机理与传输路径不同，传导EMI噪声包括共模噪声和差模噪声，其中共模噪声是指相线和地线间传输的噪声，差模噪声是指相线间传输的噪声。对于电能变换器而已，传导EMI噪声主要是由于开关管导通和关断过程引起的，同时还存在散热器浮地和接地不良等问题，且主要以共模噪声为主，

其共模UCM和差模UDM噪声分别为

根据标准检测设备人工电源网络拓扑结构和式（4）所示，可以得到共模噪声和差模噪声的传输路径及其等效电路，如图6所示。其中，UCM为共模噪声源，25 Ω为共模等效测试阻抗，即由2个50 Ω的标准阻抗并联形成；UDM为差模噪声源，100 Ω为差模等效测试阻抗，即由2个50 Ω的标准阻抗串联形成；ZCM为共模噪声源内阻抗，ZDM为共模噪声源内阻抗，尚待进一步确定。

图6 传导EMI噪声传输路径与等效电路Fig.Transmission path and its equivalent circuit of the conducted EMI noise

因浮地或接地不良引起的传导EMI噪声电路模型如图7所示。图7（a）中，其负载上检测到的噪声电压Uload为

如图7（b）所示，当PCB电路接地不良时，浮地与地之间存在一个寄生电容C，因此等效负载为Zload与寄生电容C串联，即为ZL，传导EMI噪声变为，即

由式（5）、式（6）可知，在共模噪声源UCM，共模噪声源内阻抗ZCM以及负载阻抗Zload确定的条件下，大于Uload，而ΔUload为因浮地或接地不良引起的传导EMI噪声增量，即

图7 因接地不良引起的传导EMI噪声电路模型Fig.7 Circuit model of conducted EMI noise generated by not-well grounding

3 电动汽车充电桩辐射EMI噪声机理分析

如图2和图4所示，交流和直流充电桩向电动汽车充电时，单相和三相整流器开关管的通断状态会发生高速切换，引起电源线和电路板中电流时域波形瞬态突变，进而产生大量的高频噪声。上述高频噪声不仅会沿着线缆或对地寄生电容传输，还会通过电路板中的等效偶极子天线向周围空间发射电磁波，形成辐射EMI噪声，如图8所示。当高频电流通过较长的直导线或开放型线缆时，可以等效为电偶极子共模辐射EMI噪声；当高频噪声通过PCB电路内大环型线路时，可以等效为磁偶极子差模辐射EMI噪声。

图8 辐射EMI噪声生成机理Fig.8 Radiated EMI noise mechanism

如图8（a）所示，根据麦克斯韦方程组及电偶极子辐射理论，则共模辐射场可表示为

式中：H为磁场强度，A/m；E为电场强度，V/m；I为开关管引起的高频电流噪声，A；Idl为电偶极子的电矩，A·m；k为波矢，rad/m，其模表示波数，方向表示波的传播方向；r为测试距离，m；ε0为真空介电常数，F/m；φ和θ分别为球坐标系中电场强度的方向角和仰角。

如图8（b）所示，根据麦克斯韦方程组及磁偶极子辐射理论，则差模辐射场可表示为

式中，IdS为磁偶极子的磁矩，A·m2。

若电源线长度与高频噪声波长为同一数量级时，偶极子辐射模型已不再适用，需采用天线模型，其辐射EMI噪声为

式中：｜E｜max为最大辐射EMI噪声；Rrad为天线辐射阻抗；U为电源线中的高频噪声电压。

按，“希”，《全宋词》作“稀”。“花无节”，《全宋词》作“花无郎病”，查唐圭璋先生所据八千卷楼本作“花无郎”。按律此句应为四字，或唐先生据意或参他本添。

4 仿真结果分析

以某型电动汽车为例，仿真分析其充电过程对电网电能质量和电磁环境产生的影响。电动汽车电池电压为650 V，交流充电电流为5 A、直流充电电流为50 A；配网母线电压为AC 10 kV，主变容量为1 MVA，线损为0.4 Ω。

4.1 电动汽车充电桩对电网电能质量的影响

4.1.1 交流充电桩

交流充电桩的电路原理如图1和图2所示，当多台电动汽车交流充电时，网侧电流谐波畸变率和功率因数如图9所示。仿真结果表明，1台电动汽车充电时，网侧电流约为1.4 A，网侧电流谐波畸变率小于0.01，网侧功率因数大于0.99；2台电动汽车充电时，网侧电流约为2.6 A，网侧电流谐波畸变率为0.12，网侧功率因数大于0.99；3台电动汽车充电时，网侧电流约为5.5 A，网侧电流谐波畸变率为0.23，网侧功率因数大于0.99。

图9 交流充电对电网电能质量的影响Fig.9 Influence of AC charging mode on grid power quality

如图2所示，交流充电桩取配网三相电中的两相作为输入电源，输入功率较小，考虑到电动汽车电池电压基本不变，其充电电流较小。同时，由此产生的开关管和线损功率也相对较小，且单相三电平整流器采用瞬态电流控制策略和SPWM脉宽调制方式，因此电流谐波较小，功率因数较高。随着电动汽车充电台数的增加，电流谐波存在一定的叠加作用，故有电流谐波畸变率有明显增加，但变压器一次侧的功率因数几乎不变。

4.1.2 直流充电桩

直流充电桩的电路原理如图3和图4所示，当多台电动汽车直流充电时，网侧电流谐波畸变率和功率因数如图10所示。仿真结果表明，1台电动汽车充电时，网侧相电流有效值约为7 A，网侧电流谐波畸变率为0.28，网侧功率因数为0.97；2台电动汽车充电时，网侧相电流有效值约为10.6 A，网侧电流谐波畸变率为0.28，网侧功率因数为0.9；3台电动汽车充电时，网侧相电流有效值约为15.6 A，网侧电流谐波畸变率为0.28，网侧功率因数为0.9。

图10 直流充电对电网电能质量的影响Fig.10 Influence of DC charging mode on grid power quality

如图4所示，直流充电桩取配网三相电作为输入电源，输入功率较大，考虑到电动汽车电池电压基本不变，其充电电流较大。因此，由此产生的开关管和线损功率也相对较大、功率因数较低。同时，直流充电桩的整流器采用SVPWM脉宽调制方式，虽然考虑到输入端的三相电励磁问题，但较难实现瞬态电流控制。随着电动汽车充电台数的增加，电流谐波畸变率并没有大幅增加，但变压器一次侧的功率因数却有明显降低。

4.2 电动汽车充电桩对电磁环境的影响

根据交流和直流充电桩的电路原理，直流充电桩的充电电流较大，开关管切换瞬间引起的电流时域波形突变也较大，因此电动汽车直流充电时会产生较强的电流谐波畸变率以及传导和辐射EMI噪声，故本文仅分析电动汽车直流充电桩产生的传导和辐射EMI噪声。

电动汽车电能变换器属于大功率开关装置，传导EMI噪声主要集中在低频段。根据GJB151B中的CE101，重点仿真分析单台电动汽车充电时25 Hz～10 kHz的传导EMI噪声和多台电动汽车充电时10 kHz～10 MHz的辐射EMI噪声。仿真结果表明，由于直流充电桩的充电电流较大，电流谐波畸变率较高，因此其产生的传导和辐射EMI噪声较大，尤其是25～1 kHz和5～50 kHz。

图11 直流充电对电磁环境的影响Fig.11 Influence of electromagnetic environment on DC charging mode

5 结论

本文通过研究电动汽车充电原理和充电模型，分别建立了交流充电和直流充电模型，分析了电动汽车充电对电网电能质量和电磁环境的影响，结论如下：

（1）通过研究交流和直流充电桩电路原理，分析了1台、2台和3台电动汽车充电时，变压器一次侧电流波形、电流谐波畸变率和功率因数；

（2）交流充电桩随着电动汽车充电台数的增加，电流谐波畸变率有明显增加，但变压器一次侧的功率因数几乎不变；直流充电桩随着电动汽车充电台数的增加，电流谐波畸变率基本不变，但变压器一次侧的功率因数却有明显降低；

（3）电动汽车直流充电桩产生的传导和辐射EMI噪声较大，尤其是25～1 kHz和5～50 kHz。

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Influence on Power Quality and Electromagnetic Environment to Electric Vehicle Charging Pile

WANG Liang1,TANG Peiwen2,YAN Wei2,GAO Xiang2,WANG Enrong2
（1.Jiangsu Keneng Electric Power Engineering Consulting Co.Ltd.,Nanjing 210036,China; 2.School of Electrical&Automation Engineering,Nanjing Normal University,Nanjing 210042,China）

The circuit models of AC and DC charging piles have been proposed by studying the charging principle in the paper.The influence on the total current harmonic distortion（TCHD）and power factor（PF）have been analyzed while many electric vehicles were charging simultaneously.Moreover,the conducted and radiated EMI noise models have been established and the noise mechanism and paths have also been analyzed.The theoretical analysis and simulation results show that with the electric vehicle increasing,the TCHD increasing and PF unchanging in AC charging pile;while the TCHH unchanging and PF decreasing in DC charging pile.And the serious electromagnetic interference（EMI）noises will be generated due to the DC charging pile,especially 25 Hz～1 kHz and 5～50 kHz.

electric vehicle;charging pile;power quality;conducted electromagnetic interference（EMI）noise;radiated EMI noise