电动客车大功率充放电谐波问题研究

王洪军，雷 杰，马爱国，武云龙

(比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳 518118)

相较传统燃油客车，电动客车排放友好、噪声小，可通过大功率车载V2G充放电技术作为并网储能装置对电网削峰填谷，在缓解电网效率偏低的同时创造更多经济效益。但由于电动客车对电网充放电的电流超过100 A，功率高达80 kW，多车同时充电或同时放电会使电网负荷加重，导致电网侧谐波含量剧增，电网设备和用户设备被干扰，电力系统出现故障。因此，在实现电动客车大功率充放电功能的基础上，确保电网侧谐波含量趋于合理是大功率车载V2G充放电技术进步的重要一环。

1 电动客车充放电谐波相关标准

1.1 充放电谐波的影响

充放电谐波的产生主要与非线性负载有关。通过电网对车辆充电时，车辆端的整流电路阻抗为变化值，其阻抗随外加电压的变化而变化，导致整流电路从电网吸取的电流不是理想正弦波。同样，车辆对电网放电时逆变电路和电网阻抗的不断变化也会导致电网从车辆端吸收的电流不是理想正弦波。充放电谐波会影响电网和电网负载的正常运行［1－2］:

1)使电网供电线缆的损耗电压增大，且线缆易发热过温甚至损坏。

2)谐波电流使变压器芯损和铜损增大，还会通过变压器本身的结构电容流过变压器壳体，导致变压器局部发热。

3)高频谐波分量易流过电网电容器，增加电容器损耗，使电容发热过温甚至炸裂。

4)使电网侧的电器设备出现失效或误动作情况。电网谐波过大还会渗透到其他公共电网，影响公共电网下电器设备的电源质量，干扰敏感设备的信号传输，导致电器设备无法正常工作。

1.2 谐波相关标准

由于纯电动客车对电网放电的谐波专用标准还处于空白状态，纯电动客车对电网充放电的谐波标准主要参考IEC 61000系列;同时部分国家和地区也会参考并网设备和电网本身的谐波要求。

1)充电谐波电流标准。国内电动客车充电谐波相关标准为GB/T 17625.8—2015《电磁兼容 限值 每相输入电流大于16 A小于等于75 A连接到公用低压系统的设备产生谐波电流限值》［3］，此标准根据IEC 61000－3－12—2011 转化而来［4］，规定了三相平衡设备在不同短路比下的奇次谐波电流(5次、7次、11次、13次)、偶次谐波电流(2次、4次、6次、8次、10次、12次)及总谐波电流畸变率(THD)的限值要求，其中THD最小限值要求为13%。

2)放电谐波电流标准。电动客车放电谐波电流限值主要有两类标准:一类为放电谐波电流需满足充电谐波电流限值要求;另一类为分布电源与电力系统互联的并网标准，如IEEE 519—2014《电力系统谐波控制的建议做法和要求》［5］，美国、加拿大、韩国等国家以此标准作为并网设备的放电谐波要求。其规定了电力系统中奇次谐波(3次～49次)、偶次谐波(2次～50次)、及总谐波电流畸变率(THD)的要求，其中THD限值要求为5%。GB/T 19939—2005《光伏系统并网技术要求》规定了光伏并网设备对电网的奇次谐波(3次～33次)、偶次谐波(2次～32次)及总谐波电流畸变率(THD)，其中THD最小限值要求为5%，比充电谐波电流13%的限值要求更严苛［6］。

3)充放电谐波电压标准。电动客车充放电谐波电压主要有两类标准:一类是IEC 61000－2－2—2017《公共低压供电系统低频传导和信号传输的电磁兼容水平》，此标准规定了低压电网中的奇次谐波电压、偶次谐波电压及总谐波电压畸变率(THD)的限值要求，其要求THD≤11%;另一类为电网谐波电压标准，GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》规定0.38 kV电网的总谐波电压畸变≤5%，奇次谐波电压含有率≤4%，偶次谐波电压含有率≤2%，较 IEC 61000－2－2 要求更严苛［7－10］。

2 谐波测试及改善

2.1 谐波测试原理

谐波的测试方法有模拟滤波器测量法、傅里叶变换测量法、小波变换测量法、神经网络测量法等。目前使用最广泛的是傅里叶变换测量法，主要包括离散傅里叶变换和快速傅里叶变换，具有准确度高、使用方便的优点;缺点是采样和傅里叶变换的时间较长，实时性差。采用傅里叶变换测量法的常见测试设备有EMC谐波测试机、电能质量分析仪、功率计、波形记录仪、示波器等［11］。测试原理图如图1所示。

图1 测试原理图

V2G采用三相半桥电压型PWM变流器和非隔离双向DC－DC，通过改变变流器工作状态和升降压实现充放电功能，控制方式成熟，功能丰富，匹配的交流充电桩结构简单，成本低;但受限于工作效率和空间，大功率双向DC/DC无法和直流充电桩(快充)一样采用隔离变压器。

2.2 充放电谐波电流电压测试

文中电动客车对电网充放电通过2个2×40 kW车载V2G实现(交流慢充、慢放)，最大充放电功率可达80 kW。

1)表1为3辆车充电时的A相奇次谐波电流值，均满足IEC 61000－3－12的要求。通过额定总电流和总谐波电流畸变率(THD)的数据可以发现，充电电流变大时THD减小，奇次谐波中5次、7次谐波电流含有率最大。

表1 3辆车充电时A相奇次谐波电流值(交流慢充)

2)表2为3辆车对电网放电时的A相奇次谐波电流值，均满足IEC 61000－3－12的要求。放电时的谐波电流变化规律和充电谐波电流变化规律基本一致，放电电流变大时总谐波电流畸变率(THD)减小。

表2 3辆车放电时A相奇次谐波电流值(交流慢放)

3)表3为3辆车充电时的A相奇次谐波电压值，均满足IEC 61000－2－2和GB/T 14549的要求。

表3 3辆车充电时A相奇次谐波电压值(交流慢充)

4)表4为3辆车对电网放电时的A相奇次谐波电压值，均满足IEC 61000－2－2和GB/T 14549的要求。

表4 3辆车放电时A相奇次谐波电压值(交流慢放)

2.3 谐波问题及分析

从测试数据来看，3辆电动客车大功率充放电谐波数据良好，未出现超标情况，随着充电总电流增大，充电谐波电流的THD还会因为每个V2G之间各次谐波的互相叠加而减小。实际上，由于大功率交流慢充、慢放时通过V2G与电网直接传导相连，若V2G自身谐波未处理好，各V2G谐波容易通过传导相互影响导致谐波加剧;而快充一般采用直流充电柜，使用了隔离变压器，部分谐波可被抑制。因此电动客车通过V2G对电网充放电仍存在以下谐波的优化问题:

1)多车同时大功率充电时，电网负载增大，若电网冗余容量不足，低含量的谐波也会引发电网异常。

2)大功率车载V2G使用的IGBT具备显著的高频率、大电流、高电压特性，IGBT开关过程中的电流、电压冲击会更明显，从而导致高频谐波含量增加。

3)V2G自带滤波模块可滤除单车充放电的大部分谐波含量，但多车同时充放电时，由于V2G采用非隔离DC－DC，每个V2G的滤波模块均通过电网传导相连，最后形成一个复杂耦合滤波网络，若耦合滤波网络与电网同时产生谐振，电网谐波会更严重。

4)多车同时充放电时，各V2G的开关器件控制状态不一致，导致各V2G之间易形成环流，环流虽有助于减小总谐波电流畸变，但也可能使某次谐波含量剧增。

5)多车同时充放电时，各V2G的开关器件内部死区和漏电流引发的谐波易通过传导连接的耦合网络产生放大效应直接影响电网。

以多车同时大功率充电为例，2017年某地公交场站反馈夜间充电过程中变压器声音异常，产生周期性的异常啸叫声，同时变压器的运行温度很高。该场站共接有4台800 kVA变压器，每台变压器带有10个60 kW充电桩，经测试发现如下问题:

1)同一变压器下的10辆城市客车同时60 kW充电时，电网L1相总谐波电压畸变率达到7.9%，虽然满足 IEC 61000－2－2的要求，但不满足 GB/T 14549中5%的总谐波电压畸变限值要求。

2)多车充电时存在潮汐变化的高次谐波电压，10辆车同时充电时L2相的36次谐波电压含有率最高可达7.1%，远超GB/T 14549中2%的偶次谐波电压限值要求。

2.4 谐波治理

2.4.1 抑制车载V2G谐波源

1)V2G使用脉宽调制(PWM技术)。在载波频率很高时，PWM技术可以很好抑制输出中的低次谐波含量，同时还可以通过控制开关器件通断时序减小某次谐波的含量。

2)V2G使用多电平变流技术。多重方波叠加可以消除次数较低的谐波，重数越多，波形越接近正弦波，谐波含量越低，与PWM技术配合使用效果更好。

3)V2G增加换流装置脉动数。谐波的主要成分集中在奇次谐波，增加脉动数可以平滑波形，减小幅值较大的低次谐波含量，如12脉、18脉整流器。

2.4.2 抑制V2G谐波传播途径

使用V2G无源滤波装置，无源滤波器可以给特定频率的谐波提供一个低阻抗回路，让谐波通过滤波器回到谐波源头，使谐波不会流经电网。传统的LC滤波器由滤波电容器、电阻器和电抗器组成，可以在一定程度上净化电网谐波，成本低，效果较好，但局限性很强，针对不同谐波需设计不同滤波回路(如多级滤波器)来滤除大部分谐波［12］。

2.4.3 充放电车辆总功率合理配置

通过配置合理的充放电总功率可减小谐波对电网的影响。供电系统短路容量与接入设备短路容量之比为短路比，短路比越大，同样大小的谐波电流对系统的影响越小，电网抗干扰能力越强，因此可通过设置部分系统容量冗余来增强电网的抗干扰能力。此方法同样可解决多车同时大功率充电出现的变压器异常啸叫问题，但成本较高。

3 结束语

电动客车大功率V2G充放电技术正处于快速发展阶段，随着大功率V2G充放的增多，电网负荷急剧加重，电网侧的谐波问题会变得愈加严峻。在实现多车同时大功率充电或放电的同时，确保电网侧谐波含量趋于合理，是大功率V2G充放电批量化应用必须解决的问题。