关于供配电工程设计中充电桩的谐波治理分析

广东建能电力工程有限公司 蓝文巨

1 引言

当前，随着科学技术的发展，同时受气候变化对我国国民经济的影响，国家对于新能源汽车行业的投入力度逐渐加大，并提倡人们绿色出行，多使用电动车等交通工具。而新能源汽车充电桩则是新能源主要的动力补给装置，在充电桩工作时常会出现谐波现象，与充电桩的整体供配电工程的设计有着紧密的关联，因此要加大对供配电工程设计中充电桩谐波治理的研究，避免安全事故的发生。

2 谐波及其污染危害

2.1 谐波概述

第一，谐波概念起源。“谐波”一词是由物理电磁学而来，在电力系统中常会出现此类状况，但在20世纪二十年代才走入人们的视野，逐渐被人们关注。开展相关试验和研究最早的国家是德国，起初是因为在应用静止贡弧变流器时，导致了电压以及电流波形畸变的情况，最后产生了谐波。

第二，谐波概念定义。在供配电工程系统在运行的过程中会有电流的产生，而基波则是电流的基本频率，谐波则是基波整倍的电量。也就是说，将周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，所分解出的大于基波频率电流所产生的电量便是谐波（其示意图可参考图1）。

图1 基波与谐波对比

第三，谐波概念产生。谐波的产生当前有三方面的因素，其一是由于电源端产生；其二是输配电过程产生；其三是电力设备产生。其中，这三面产生谐波的主导原因一是由于制作工艺问题；二是由于发电机的稳定性较差所导致；三是受变频设备影响。

第四，谐波电流特性。采用仿真模拟的方式对供配电工程中的充电桩谐波电流进行统计，根据仿真结果来看，充电桩在运行期间所形成的谐波次数存在“6x±1（x=1,2,3，…）”特征，即主要的谐波次数为5次、7次、11次、13次……，其中谐波次数与电流存在反比关系，即产生谐波电流的谐波次数主要为5次与7次。

2.2 污染危害

一是降低供配电工程充电桩电路系统整体的安全稳定性。由于谐波这种波形在呈现形态和特点上，存在复杂性、不确定性，因此导致了整体电力设置设施的不稳定性，这种不稳定性容易引发安全事故，并会降低电网的运行质量，像断路器的补偿以及用电设备运行效率较低等。

二是增加电网额外损耗。当输出同等电量的情况之下，由于谐波因素，导致输电过程变得越发不稳定，因此部分配电设备就会降低运行效率，使得接受电量客体，无法得到稳定足够的电量，并且如果是在长时间的输电情况之下，还容易产生感性设备过热等问题，进而容易引发短路并减少相关设备的使用寿命，形成配电工程整体绝缘呈现老化现象。

三是容易导致电能计量紊乱。供配电工程通常系统较为庞大，相应的谐波也会大量的提高电流频率，因此就会对电能计量装置造成干扰，最终导致计量的不准确，使得电网工作人员的工作压力进一步加大，并降低了电能计量的实际功效，同时这种不稳定的情况还容易进一步引发火灾等情况的发生。谐波污染是国际公认的电力危害之一，其可对电网稳定性造成极大影响，故在供配电工程设计过程中，应强化充电桩谐波控制治理工作，防止谐波污染影响电网运行。

3 基于供配电工程设计的充电桩谐波治理措施

3.1 减少谐波源

供配电工程充电桩谐波治理期间，应从根源治理谐波，减少谐波源，以此切实保障供配电工程电网质量，为充电桩的稳定运行创造良好电网环境。

3.1.1 增加脉动数

将电动汽车充电桩增加为12脉整流，其电路结构如图2所示，在其结构中共有两个桥式整流电路，即桥Ⅰ、桥Ⅱ整流电路，两者以变压器为纽带实现联结，一次侧为星形联结绕组，二次侧为三角形联结绕组与星形联结绕组，三者绕组比例为“1:√3：1”在此绕组结构作用下完成两个桥式整流电路的供电作业，并确保桥Ⅰ、桥Ⅱ电路良好联结至整流变压器结构上。为验证增加脉动数的谐波源减少效果，可分别计算桥Ⅰ、桥Ⅱ电流表达式，进一步得出网侧线电流数据，经计算分析得知，桥Ⅰ、桥Ⅱ仅形成了“12n+1”次谐波，其中“n”为正整数，非“12n+1”次谐波均被抵消，以此有效减少了谐波源，抑制了谐波的形成[1]。

图2 12脉整流电路结构

3.1.2 脉宽调制

脉宽调制又被称之为PWM 整流技术，通过脉宽调制能够实现多台充电桩在特定频率周期内的直流输入。PWM 脉宽调制最显著的优势在于取消了工频变压器的应用，缩小了体积，其以IGBT 模块为充电功率主要元器件。经PWM 整流技术处理后，能够改善充电桩交流侧电流，使其无限接近于正弦波，继而使电流相位与电压相位保持一致，并完成对单位功率因数的调制，以此降低了整流器所形成的谐波电流数量。

3.1.3 校正功率因数

校正功率因数又被称之为PFC 技术，该技术功能的实现多依靠功率因数校正装置，将该装置设置于电动汽车充电桩前端，当装置闭合运行后，电路交流侧电流将会趋向正弦化变化，以此减少了非线性特征，并校正优化了功率因数，继而有效缩减了装置谐波电流含量。

3.2 安装滤波装置

根据供配电工程实际情况安装滤波结构可有效抑制谐波的产生，以此形成良好的谐波治理效果。

3.2.1 无源滤波器

无源滤波器（PPF）为拓扑结构，通过适当的电阻器、电感、电容组合设计，构建成滤波电路，使谐波源与滤波电路形成阻抗旁通结构，在实现滤波的同时，可完成无功补偿。无源滤波器可进一步分为带通滤波器、单调谐滤波器，其中带通滤波器能够实现特定频率内的谐波补偿，而单调谐滤波器能够直接将特定谐波过滤掉。在供配电工程设计中，可通过直接安装无源滤波器进行无功补偿与谐波抑制，但在应用期间，存在效果不稳定、体积大、耗费高的缺陷，故需根据供配电工程实际结构进行针对性设计。

无源滤波器在实际应用过程中，应根据装置阻抗比情况确定滤波特性，并综合考虑供配电工程充电桩谐波污染最严重状态，以此为依据选择适宜规的无源滤波器。无源滤波器主要是以特定次谐波特性为依据确定装置参数，通过谐波电流接地的方式完成滤波，结合供配电工程中的充电桩谐波治理情况来看，其谐波电流含量较大的频次为5次与7次，此时可选用单调谐滤波器对5次、7次滤波进行过滤。对无源滤波器5次、7次谐波参数进行总结，在5次谐波下，其谐波电容、电感、电阻分别为2.8mH、140μF、0.1Ω；而谐波电容、电感、电阻在7次谐波状态下，其分别为5.5mH、37.6μF、0.26Ω。

为确保无源滤波器能够良好发挥效果，面对复杂成分谐波，需具体情况具体分析，合理协调无功补偿与滤波功能，防止出现谐波被放大的情况。若整个供配电系统过于复杂，则会造成滤波效果极度不稳定的情况，若谐波强度超出一定界限，将会损坏元件，此外无源滤波器虽可起到一定谐波治理效果，但却无法大幅降低谐波总量。为杜绝上述问题，需增设有源滤波器，使有源滤波器与无源滤波器协同运行，以此形成稳定且高效的谐波治理效果。

3.2.2 有源滤波器

有源滤波器（APF）属于新型装置，其解决了传统无源滤波器缺陷问题，可实现谐波动态化抑制。相较于无源滤波器，有源滤波器具有谐波抑制稳定，连接简单、投切灵活的优势，且随着相关技术的日渐成熟，有源滤波器故障问题减少，故在供配电工程设计中，为有效治理充电桩的谐波问题，应合理运用有源滤波器。

随着产业现代化的发展，无源滤波器现已无法满足供配电工作要求，在此形势下，需根据供配电工程实际概况引入有源滤波器装置。在供配电工程系统内，依靠有源滤波器可提取谐波电流及无功电流，在变流器设备作用下实现电流补偿，经上述处理后即可有效降低谐波成分，尽可能降低谐波污染对于供配电工程充电桩的干扰。有源滤波器具有灵活优势，可针对不同情况下的谐波进行抑制，通过针对性调整提高谐波治理效果。有源滤波器在实际运行期间始终满足额定容量运行要求，不会出现过载情况，效果显著，故在供配电工程设计中，应优先选用有源滤波器，尽可能为供配电系统充电桩的运行稳定性创造良好条件。

3.2.3 混合有源滤波器

混合有源滤波器（HAPF）主要是指混合使用无源滤波器与有源滤波器，将两者并联构成一个完整的滤波体系，借助无源滤波器部分消除特定次谐波，在有源滤波器作用下动态化处理充电桩谐波，通过无源、有源装置的协同应用，进一步提升供配电工程充电桩体系中的谐波治理效果，此外还可依托于无源滤波器进行无功补偿。在供配电工程充电桩体系中，其在运行期间主要形成的谐波主要为的5次、7次谐波，高次谐波相对较少，可忽略不计，在这一谐波特性下，可针对5次、7次谐波设置无源滤波结构（由单调谐滤波器构成）。

考虑到供配电充电桩运行期间可产生高频毛刺，故可在混合有源滤波器结构中增设LC 低通滤波器，用于削弱并消除高频毛刺。为确保无源滤波器与有源滤波器能够在并联结构中发挥良好作用，需引入耦合变压器，对两者的电流与电压进行调节，同时借助变压器进行电气隔离，为无源滤波器与有源滤波器协同发挥作用创造良好条件。此外，滤波器在运行过程中存在滤波电容与滤波电感，可能会造成基波谐振，继而使基波电流均流至无源滤波器，此时基波电压与基波电流不会对有源滤波器产生影响，故应用混合有源滤波器进行供配电谐波治理过程中，有源滤波器可选择小容量规格，在保障滤波效果的同时抑制谐波，且可在一定程度上减少滤波成本，大幅提升混合有源滤波器应用价值。

3.2.4 供电设备

抑制供配电工程充电桩谐波还可从提高变压器绕组方面入手，通过绕组调整实现谐波治理，如三角形联结变压器，其可有效消除三次谐波。在谐波治理过程中，应从根源处入手，根据供配电工程发电机实际情况选择适宜电能，以此减少或消除电动势，继而实现谐波治理。从星形联结变压器角度来看，其同样可实现三次谐波的消除，在实际治理期间，应立足于实际情况明确谐波性质，根据具体谐波表现进行应对。

3.2.5 整流设备

脉动数与整流设备谐波之间存在正相关关系，为实现供配电工程设计中的充电桩谐波治理，应对整流设备脉动数进行调制改善，继而实现谐波抑制。增加脉动数量可形成良好的谐波治理效果，而脉动数量的增加需相对应的优化装置配置。通常情况下，供配电工程多采用12脉整流或24脉整流，通过整流脉动数的调制削弱谐波含量，将谐波抑制在特定范围内。为进一步发挥出整流设备在供配电工程充电桩谐波治理中的作用，可引入多重化技术，该技术主要指并联错位设置变流装置，借助阶梯波尽可能靠近正弦波，以此起到低次谐波治理效果，但多重化技术的实现需较多装置，故在一定程度上增加了成本，需结合供配电工程充电桩实际情况合理应用。

综上所述，电力谐波的存在,极大影响了供配电工程中的充电桩运行稳定性，为确保充电桩能够为电力汽车产业的发展提供助力，需在供配电工程设计过程中做好谐波治理工作。结合现阶段产业发展情况来看，谐波治理主要从两方面入手，即减少谐波源、安装滤波装置，在设计治理期间，应结合供配电工程实际情况选择谐波治理方式，为充电桩的稳定运行奠定良好基础。