电动汽车直流充电机谐波发射特性现场测试与分析

2022-11-03钟庆陈付强王钢汪隆君

电力电容器与无功补偿 2022年5期

钟庆，陈付强，王钢，汪隆君

（华南理工大学电力学院，广州 510640）

0 引言

截止2019 年底，中国电动汽车（electricvehicles，EVs）累计产量已超过450 万辆，大量电动汽车充电负荷给电网造成的影响不容忽视[1-2]。以直流充电机为主的快速充电站是充电设施建设的重要方向[3]。在众多影响中，谐波问题尤为突出，主要体现在：充电站内多台充电机运行时必然会向电网注入大量谐波电流；由于大功率直流充电机前级整流器常采用高频开关器件，运行过程中还会向电网引入2～150 kHz范围内的超高次谐波[4-5]。同时，电动汽车充电设施接入电网的电气环境复杂，谐波发射特性与实验室测试存在明显差异，因此，通过现场测试方式研究充电机的谐波发射特性，对于充电设施规划、电动汽车的推广具有重要意义。

针对电动汽车充电机的谐波特性，国内学者从仿真和现场实测两方面开展了一些研究。文献[6]建立了单台不控整流型充电机和充电站的仿真模型，以谐波电流总畸变率为指标，分析了单台充电机发射水平随功率变化的规律，文献[7]同样以不控整流型充电机为研究对象，通过现场测试分析充电站对电网谐波的影响，并提出了相应的电能质量在线监测和谐波治理方案。文献[8]和文献[9]分别以车载充电机和大功率充电机为对象，搭建了脉宽调制整流充电机的仿真模型，分析其2 kHz 以下的谐波特性。文献[10]针对带有两电平脉宽调制整流器的电动汽车充电机，通过仿真及实测结果证实了超高次谐波频谱特征，初步分析了充电机超高次谐波的发射特性。国外对于充电机的谐波问题已有较多研究成果。文献[11]基于对城市居民住宅的实测数据，分析车载充电机对谐波、超高次谐波的影响，并分析了超高次谐波的次生发射现象[12]。文献[13]则在理想电压源情况下，针对交直流一体充电机的超高次谐波发射特性与运行状态相关性展开测试，研究其特征频率在充电过程中的变化规律。综上所述，目前仿真分析和实验室测试仍然是电动汽车充电设施谐波发射特性的主要研究手段。如能与现场测试的结果相结合，在充电机的谐波发射特性、谐波抵消效应和超高次谐波发射特性等方面进行分析，将能更全面地掌握电动汽车充电设施的谐波发射特性。

为此，本文以对某市4 座充电站中3 个品牌5种类型直流充电机开展了现场测试工作，并通过测试结果分析，研究直流充电机的谐波发射特性。首先介绍了充电机的电气接线、测试方法和测试点的选取和现场测试实施等基本情况；其次基于测试结果，分析了充电机的功率变化特点及其与谐波发射水平的关系，并分析了总需求电流畸变率（total demand distortion，TDD）和总电流谐波畸变率（total harmonic distortion of current，THDi）等指标在不同负载率下的变化情况，给出了评估指标的建议；然后分析了不同类型充电机在最大功率下的谐波电流值、TDD 和THDi等指标，并与相应的标准进行了对比，给出了标准限值的建议；之后分析了不同类型充电机的谐波电流相位分布，以得到谐波电流抵消效应，给出了充电站的规划布置建议；最后，对比了不同类型直流充电机超高次谐波发射特性，并重点分析了某充电站内发生的超高次谐波次生发射现象。

1 测试情况

1.1 测试对象

本文选取某市4 座汽车充电站内的5 种充电机作为测试对象，基本信息见表1，共包含3 个品牌和5 个类型，额定电压均为380 V，额定功率分别为120 kW 或180 kW。

表1 充电机参数Table 1 Parameters of charger

1.2 测试与分析方法

充电机接线示意图见图1，CB1为配电箱进线断路器，CB2、CB3为配电箱出线断路器，分别连接至两个相同类型的充电机。根据GB/T 29316—2012[14]对充电机电能质量检测的要求，将两台充电机电源进线侧设置为测试点1 和测试点2，将配电箱的进线处设置为测试点3。在测试点1 和测试点2 采用PS1000，在测试点3 采用PQ-Box 300 记录谐波信息，记录间隔为1 min。

图1 充电机测试接线示意图Fig.1 Wiring schematic diagram of charger test

1.3 现场测试

所选充电站主要是为公共交通工具充电，因此现场测试时段为21：45 至次日6：45。测试期间充电站内除充电机外无其他大型负载运行。共进行了11 组测试，现场见图2。

图2 现场接线Fig.2 Wiring at site

2 谐波发射特性分析

2.1 谐波发射水平与功率的关系

为研究谐波发射水平与充电功率间的关系，本文分析了充电机在充电全过程中的功率变化特点。图3 为测试中所有类型充电机负载率的变化情况。充电时段内，充电机的负载率一般都在80%以上。

图3 5台充电机的负载率变化情况Fig.3 Load rate variation of 5 sets of chargers

所测试的充电机均可以同时为多台电动汽车充电。图4 为在充电机连接不同数量的电动汽车时，不同类型充电机负载率的分布情况。仅接入1辆汽车充电时，负载率视充电机及EV 类型不同分布在16%-96%之间；为多于1 辆汽车电时，充电机负载率始终高于80%。

图4 接入不同数量EV时充电机负载率分布Fig.4 Load rate distribution of chargers with connection of different number of EV

以A 相电流为例，绘制所有测试的TDD 与负载率的散点图，按照充电机类型进行分类，结果见图5。从整体上看，TDD 会随着充电功率的增大而增大。以充电机B2为例，其负载率分别为60%、80%、100%时对应的TDD 约为1.5%、2%、2.5%。但在某个功率水平下，充电机的TDD 值会发生微小的变化，这由外部电气环境变化造成的。

图5 充电机负载率-TDD散点图Fig.5 Scatter plot of TDD depending on load rate

充电机A2和C1在不同负载率时的TDD 和THD见图6（a）和图6（b）所示。随着负载率增大，TDD增大，THD 则呈下降趋势。对于C1充电机，当其负载率接近20%时，其THD 超过10%，而TDD 仅为1.7%，这说明采用TDD 作为评估指标更能反映充电机谐波电流发射水平。

图6 不同负载率下的TDD与THDFig.6 TDD and THD at different load rates

2.2 谐波电流特性分析

选取充电机最大功率时的2～19 次谐波电流最大值进行分析，其频谱见图7，主纵坐标为谐波电流与基准电流（额定电流）比值，次纵坐标为THD 的百分值。从整体上看，5 个类型的充电机谐波电流发射特性存在明显差异。除B1外，其余充电机产生的谐波电流最大分量为5 次或7 次，与额定电流的比值约为2%。充电机C1存在明显的11 次谐波电流，与额定电流的比值约1.8%。5 种类型的充电机均产生偶次电流谐波，其中充电机B1的4 次谐波电流是最大的谐波分量，与额定电流的比值超过2.5%。A1存在明显的2 次和12 次谐波电流，B1存在明显2次谐波电流。

图7 谐波电流频谱Fig.7 Harmonic currents spectrum

GB/T 29316—2012 规定电动汽车在额定工况下THDi应小于8%，各次谐波电流应满足GB/T 14549—1993 要求[14]。5 种类型充电机在近似额定工况下的THDi和各次谐波电流均符合国标要求，但部分充电机无法获得额定工况下的THDi。根据北美标准IEEEStd 519—2014 对各次谐波限值的要求（见图中阴影），充电机的奇次谐波电流均满足要求，但A1和B2的2 次谐波电流、B1的4 次谐波电流和A1的12 次谐波电流均越限。因此在国家标准中应完善电动汽车充电机接入电网时对各次谐波电流的要求。

2.3 谐波抵消效应

当充电站内多台充电机同时运行时，可能由于不同充电机之间谐波电流相位的差异而发生一定的抵消效应。对S33 个测试点的A 相5 次谐波电流有效值进行分析，其变化情况见图8。测试点3处的谐波电流与测试点1、测试点2 的谐波电流之和基本相等。由于两台充电机类型和电气环境相同，因此谐波电流相位差异很小，未出现谐波抵消现象[15]。

图8 充电机B2的5次谐波电流有效值变化情况Fig.8 Variation of 5th harmonic current（RMS）of the charger B2

所有类型充电机5 次及7 次谐波电流的相位分布情况见图9。

图9 谐波电流相位分布Fig.9 Phase distribution of harmonic current

对于5 次谐波，充电机B2谐波电流相位在第4象限，其他充电机的谐波电流相位则均分布于第3象限；对于7 次谐波，所有充电机谐波相位都在90°～150°之间。因此，充电机B2与其他类型的充电机在5 次谐波电流上具有抵消效应。在进行充电站设计规划时，若将具有谐波电流抵消效应的充电机安装到同一母线，可以有效减少充电站向电网注入的谐波电流。

3 超高次谐波发射特性分析

3.1 超高次谐波发射特性

记录不同类型充电机超高次谐波电压的CP95值，A 相的超高次谐波电压频谱见图10。充电机C1在22 kHz 和24 kHz 频率处的幅值最大，分别为0.16 V 和0.06 V；其他充电机的谐波发射主要集中在46～50 kHz 范围内，其中A2、B1、B2在48 kHz 处的幅值最大，均超过1 V，充电机A1在50 kHz 处的幅值最大，为0.34 V。由此可知，不同类型的充电由于采用的开关器件和控制策略不同，超高次谐波的发射特性也不同。

图10 充电机超高次谐波频谱（10-50 kHz）Fig.10 Ultra high harmonic spectrum of charger（10-50 kHz）

表2 为根据测试数据得到5 种充电机的主导频率及相应的谐波电压幅值。从图中可见，除充电机A1外，其他充电机的超高次谐波电压虽然三相主导频率相同，但幅值存在较大差异。

表2 充电机主导超高次谐波电压频率与幅值Table 2 Ultra high harmonic voltage frequency and amplitude dominated by chargers

3.2 超高次谐波的次生发射

当站点安装有不同类型充电机，由于彼此间电气距离短，可能会引发超高次谐波的次生发生问题。在站点S1开展测试时，测试点3 处的48 kHz、50 kHz 超高次谐波电压幅值变化情况见图11。测试对象为充电机A1，但与之相邻处有充电机A2工作。图中标出了A1和A2的充电起止时刻。在A1及A2均未开始充电时，48 kHz 和50 kHz 谐波电压幅值接近0；在相邻的A2开始充电后，测试点3 处的48 kHz 谐波电压幅值从0 增大至0.2 V；当A1开始充电以后，48 kHz 谐波电压幅值降低至0.1 V 左右，50 kHz 谐波电压幅值从0 增大至0.3 V；A1充电机停止运行后，50 kHz 谐波电压幅值降至0，48 kHz谐波电压再次增大至0.2 V 左右；直至相邻的A2充电机也停止充电后，48 kHz 的超高次谐波电压幅值降低至0。