电动汽车充电机谐波机理及其抑制分析

江 明

(国网南京供电公司，江苏 南京 210019)

电动汽车充电机谐波机理及其抑制分析

江 明

(国网南京供电公司，江苏 南京 210019)

电动汽车充电负荷作为一种非线性负载，研究充电机接入电网后产生的谐波及其抑制具有重要意义。通过建立并简化典型的单台电动汽车充电机模型，分析单台和多台充电机运行中产生谐波的理论过程。利用MATLAB Simulink工具建模仿真，得到输出功率曲线和电流FFT分析结果，畸变率在国标范围内。最后比较了当前通用的谐波抑制方式，建议采用并联型有源滤波器(APF)为规模化应用后大量入网的电动汽车充电机提供谐波治理。

电动汽车；充电机；谐波机理；有源滤波器

电动汽车充电站(桩)配置的充电机是采用三相整流桥、DC/DC功率变换单元等结构组成的非线性电力电子设备，其在接入配电网工作时，作为电网非线性负载，必然产生谐波电流，因而降低电网功率因数，污染公用电网。因此在建设电动汽车充电站(桩)前，通过对充电机进行仿真预测，计算注入电力系统的谐波，参照国家标准GB/T 14549.93《电能质量公用电网谐波》，以判断选择的设备是否合理、是否需要配置谐波抑制单元。

1 充电机谐波分析

1.1充电机原理和模型

以常规充电方式下充电机为例。常规充电方式指采用小电流恒压或恒流充电，充电电流较低，一般在15A左右。电网输入的三相交流电流通过整流电路，经滤波电路为高频DC/DC功率变换单元提供直流输入，功率变换电路的输出经滤波电路为车用动力电池充电，原理图如图1所示，图中Lf表示滤波电感，Cf表示滤波电容[1-2]。

图1 高频充电机一般结构图

高频功率变换器建模较复杂且计算量大，不利于观察整个充电过程电流的变化情况，因此将其近似等效。目前电池充电策略常采用典型的两阶段充电方法，即前半段恒流限压、后半段恒压限流。相对于工频周期(0.02s)来说，动力蓄电池充电过程所需时间很长(4～6h)，在数个工频周期内，都可近似假定充电机输出电流IO和输出电压UO是恒定直流的，即高频功率变换电路工作在恒功率状态，当输入电压升高时，输入电流须相应降低。故在完整的充电过程中，可以用非线性变化的电阻Rc近似模拟高频功率变换电路等效输入阻抗。[3]

(1)

式中：UI，II，PI分别是高频功率变换电路输入电压、电流和功率；UO，IO，PO分别是输出电压、电流和功率；η是功率变换模块效率。

充电机近似等效模型如图2所示，Rc是代替功率变换单元的非线性电阻。

图2 充电机简化等效模型

1.2充电机谐波分析

系统三相平衡时，三相电流波形相同，相位依次相差120°。以二极管三相桥式整流电路作为高频充电机的前级输入，取a相为例[4-5]，设图2中a相相电压为

(2)

式中：U是输入单相电压有效值。

用Sa(t)表示图2整流电路中二极管开关函数，忽略交流侧阻抗影响，用傅里叶级数表示：

(3)

式中：m=6k±1,m>0,k=0,1,2,…。

输出电流连续时，整流桥输出电压为：

(4)

式中：Ud是整流桥输出电压直流分量;udn(t)是其n次谐波分量。直流不能通过电容C，因此UB=Ud。

整流桥直流侧电流id(t)也可以用直流分量与各次谐波分量之和表示：

(5)

式中：Zd是直流阻抗，与Rc相等；Zn是n次谐波阻抗。

a相电流ia(t)可表示为：

(6)

则

(7)

式中：n=6p,p=0,1,2,3,…。

(8)

直流侧电流id(t)可以表示为：

(9)

将傅里叶级数表达式带入上述公式，整理得交流侧a相电流：

(10)

根据上述谐波理论分析结果可得到以下结论：

a.交流侧输入电流主要由基波和(6k±1)次高次谐波组成，不产生偶次谐波，能与半波对称的充电机整流电路结构对应。

b.各次谐波电流有效值与谐波次数成反比，谐波次数越高，谐波幅值越小。

c.a相电流基波和各次谐波有效值与U，Lf，Cf和Rc都有关。

d.U和Rc一定时，Lf越大，n次谐波阻抗Zn越大，可以减小滤波电流有效值；U，Lf，Cf一定时，Zn取决于Rc，a相电流基波和各次谐波有效值相应随Rc变化而变化；Rc由输出功率PO决定，PO越大，Rc越小，谐波电流有效值越大。

e.电流总谐波畸变率与功率因数成反比。

f.当充电机间断工作时，与连续工作状态相比，电流总谐波畸变率高、功率因数低。

1.3充电站谐波分析

一般情况下，一个充电站内有多台充电机同时运行，而电网需要向充电站提供N台充电机输入电流的总和。因充电机输出功率发生变化时，输入电流任意一次谐波幅值和相角都将变化，即输出功率不同的充电机产生的同次谐波、尤其是高次谐波有时可相互抵消，这对降低充电站电流总谐波畸变率起到积极作用。

2 充电机谐波仿真实例与谐波抑制

2.1充电机仿真模型参数

根据北京某充电站实测数据，利用曲线拟合建立充电机输出功率曲线[6]：

(13)

用MATLAB绘制充电机输出功率曲线如图3所示。

图3 充电机输出功率模拟曲线

将非线性电阻Rc离散处理以简化计算，100s内离散化结果如图4所示。

图4 Rc离散化后取值

2.2充电机仿真与谐波结果

根据上述模型，利用MATLAB Simulink搭建如图5所示的充电机仿真模型，结果如图6～8所示。

在图7可以看出谐波畸变率是33.51%，在国家标准GB/T 14549.93《电能质量公用电网谐波》的限定范围内。

3 谐波抑制方式的选择与机理

上文的理论与建模分析表明，充电机是谐波源负荷，电动汽车充电时会产生谐波电流，降低充电机功率因数，影响电网电能质量。因此根据电动汽车规模化发展的实际需求，需根据实际情况，在工程建设中按照“四同时”(同时设计、同时施工、同时投运、同时验收)原则，酌情增加谐波抑制单元[3-5,7-8]。谐波抑制包括改进结构设计、降低谐波源谐波含量，加装滤波装置、在谐波源处吸收谐波电流，改善供电环境等方法。对各种谐波抑制方法进行比较后，得出并联型有源滤波器(PAPF)更适用于电动汽车充电机谐波抑制这一结论。

图5 单台充电机MATLAB Simulink模型

图6 a相电流的局部放大图

图7 a相电流FFT分析结果

图8 充电机输出功率仿真曲线

APF利用可控功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源总谐波电流为零，实现实时补偿谐波电流。APF原理框图如图9所示，首先通过电阻对直流侧电容充电，达到预定值后，充电接触器闭合；充电过程结束后，APF开始工作，主控制器从CT采集的谐波电流信号中提取需补偿的谐波和无功电流(可分别或同时补偿)；最后控制器生成IGBT驱动信号，控制逆变器产生与负载电流谐波和无功电流幅值相等、相位相反的补偿电流。

图9 有源滤波器原理框图

并联型有源滤波器(PAPF)给谐波电流提供一个在谐波频率处等效导纳为无穷大的并联网络，使谐波电流流过该并联网络而不进入系统，可以抑制电流谐波、闪变等电能质量问题，用以补偿负荷电流中的谐波电流，使电源侧电流保持为正弦波，从而隔离谐波源与电网，防止谐波污染。若与电容器相配合，还可进行无功补偿，提高功率因数。从工作机理可以判断，适用于电动汽车充电机谐波治理的有源滤波器类型是并联型有源滤波器。并联型有源滤波器接线示意图如图10所示。

图10 并联型有源滤波器接线示意图

4 结束语

本文建立电动汽车充电机的简化模型，对谐波产生进行理论分析，并利用MATLAB Simulink仿真计算典型充电机实例，得到输出功率波形和电流快速傅里叶变换结果，发现在一定输出和负载功率下，三相桥式整流充电机产生的电流谐波能一般能控制在国标允许范围内。但考虑到规模化应用时大量充电机接入电网带来的谐波影响，建议可考虑适当增加并联型有源滤波器作为滤波方式。

[1] CHAN M S W， CHAU K T，CHAN C C．Modeling of electric vehicle chargers [C]// Industrial Electronics Society，31 August-4 September，1998，RWTH，Aachen，Germany. New York：IEEE，1998：433-438.

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[3] 王建.电动汽车充电对电网的影响及有序充电研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[4] 李娜.不同类型充电机组成充电站接入系统的谐波研究[D].济南：山东大学，2013.

[5] 黄少芳，黄梅.电动汽车充电机(站)谐波问题的研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[6] 李娜，黄梅.基于不同整流装置的电动汽车充电机比较[J].华北电力技术，2011(1)：23-29.

[7] 卢艳霞，张秀敏，蒲孝文.电动汽车充电站谐波分析[J].电力系统及其自动化学报，2006，18(3)：51-54.

[8] 蒋浩.电动汽车充电站谐波的抑制与消除[J].广东电力，2010，23(8)：16-19.

Analysisonthemechanismandinhibitionforharmonicwaveinthechargerofelectricvehicle

JIANG Ming

(Nanjing Power Supply Company of the State Grid, Jiangsu Nanjing, 210019, China)

It introduces a simplified model for electric vehicle charger, analyzes the mechanism of the non-linear charging load of electric,reveals some basic characteristics. It establishes the model in MATLAB Simulink, the output power curve and FFT analysis result show that the distortion factor is controlled within the national standard and a parallel APF is recommended for large-scale applications.

electric vehicle; charger; harmonic wave mechanism; APF

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.015

2014-09-26

江明(1987—)，男，江苏南京人，国网南京供电公司助理工程师，主要从事电动汽车充换电设施的建设和运营工作。

TM743

B

2095-509X(2014)10-0065-04