電動(dòng)汽車(chē)充電諧波抑制技術(shù)的進(jìn)展

程浩 王光漢

【摘要】電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)充電站的廣泛建設(shè)，大量充電機(jī)的投入運(yùn)行將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波危害。文章分析了電動(dòng)汽車(chē)諧波的常用抑制措施，重點(diǎn)分析了有源電力濾波器（APF），脈沖寬度調(diào)制（PWM）等新型的諧波抑制手段，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開(kāi)探討。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車(chē);充電機(jī);諧波抑制

引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的日益完善，電動(dòng)汽車(chē)充電站將大量涌現(xiàn)以滿足充電需求[1]。 對(duì)電網(wǎng)而言，充電站的充電機(jī)是一個(gè)非線性負(fù)載，電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很高的諧波電流，諧波注入公用電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量有很大影響，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)一系列的危害[2]。所以需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電產(chǎn)生的諧波進(jìn)行研究和抑制，改善電動(dòng)汽車(chē)充電站的諧波問(wèn)題。

現(xiàn)階段針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)諧波抑制的研究很多，發(fā)展迅速，本文介紹了現(xiàn)有的諧波抑制，補(bǔ)償?shù)姆椒ê图夹g(shù)，并對(duì)此展開(kāi)討論。

1.電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

為了有針對(duì)性的對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電諧波展開(kāi)探討，我們需要對(duì)各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及工作方式有所了解。根據(jù)現(xiàn)有的電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的工作原理，可將其分為3類(lèi)：不控整流與斬波器、不控整流與DC/DC變換器、PWM整流與DC/DC變換器。

（1）第一類(lèi)充電機(jī)由工頻變壓器、不控整流與斬波器組成，屬于早期產(chǎn)品。特點(diǎn)是直流側(cè)電壓紋波小、動(dòng)態(tài)性能好、工頻隔離、體積大、電網(wǎng)側(cè)電流諧波大和變換效率低，這類(lèi)充電機(jī)電網(wǎng)側(cè)的交流電流畸變嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)注入大量的諧波電流故不適合接入電網(wǎng)。

（2）第二類(lèi)充電機(jī)采用工頻變壓器、三相不控整流和高頻變壓器隔DC/DC變換器組成。特點(diǎn)是直流側(cè)電壓紋波小、動(dòng)態(tài)性能好、高頻隔離、體積小、電網(wǎng)側(cè)電流諧波?。?0%左右），較第一類(lèi)充電機(jī)有較大的改善。目前使用最多的是此類(lèi)充電機(jī)。

（3）第三類(lèi)充電機(jī)由PWM整流DC/DC變換器組成。此類(lèi)充電機(jī)利用了三相PWM整流方法來(lái)抑制電網(wǎng)側(cè)的諧波，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在功率因數(shù)高，網(wǎng)側(cè)電流畸變率可小于5%。相應(yīng)各次諧波電流也小，高頻隔離，裝置體積減小，輸出紋波低，動(dòng)態(tài)性能好，變換效率高。采用此類(lèi)充電機(jī)不需要加裝諧波治理裝置。但是目前PWM整流技術(shù)還處于研究階段，技術(shù)尚不成熟，而且成本高，設(shè)備復(fù)雜，可靠性低。

2.多脈動(dòng)整流技術(shù)和PWM技術(shù)

充電機(jī)的諧波主要來(lái)自充電機(jī)的整流裝置部分，在充電機(jī)給電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，直流電流在交流三相之間不斷的換相而產(chǎn)生諧波?？梢圆扇〈胧p少電力電子設(shè)備自身產(chǎn)生的諧波，改變諧波源的配置或工作方式，限制大量產(chǎn)生諧波的工作方式。

2.1 多脈動(dòng)整流技術(shù)

現(xiàn)有充電機(jī)一般為6脈動(dòng)不控整流負(fù)荷，低次特征諧波電流（5、7次）含量較大，為利用現(xiàn)有充電機(jī)，以小成本獲得諧波抑制效果，可采用多重移相疊加技術(shù)，增加脈動(dòng)數(shù)[3]。也可在充電站進(jìn)線改裝雙二次繞組的整流變壓器，2個(gè)二次繞組接線角差30°，充電機(jī)成對(duì)接入不同的二次繞組并保證成對(duì)運(yùn)行，即通過(guò)變壓器繞組的接線， 使2組容量相同的6脈波整流裝置在輸入端經(jīng)30°移相構(gòu)成1套12脈波整流裝置，可以保證部分抵消5、7次特征諧波。李璨[4]等人采用了12脈動(dòng)整流充電機(jī)配合無(wú)源濾波器對(duì)諧波進(jìn)行抑制，采用此種方法可以將諧波電流在電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行有效的抵消。

使用12脈動(dòng)整流充電機(jī)雖然使得諧波電流得以一定抑制 ， 但一次性投資仍然很大， 并且由于采用的由于兩個(gè)變壓器繞組相差30°電角，同時(shí)并聯(lián)連接的兩個(gè)整流器瞬時(shí)輸出電壓也不相等，會(huì)導(dǎo)致一臺(tái)整流器承受反壓而關(guān)斷，需要增設(shè)電抗器保證2臺(tái)整流器的同時(shí)導(dǎo)通，功率電路復(fù)雜， 設(shè)備的可靠性相對(duì)會(huì)降低。

2.2 PMW技術(shù)

采用PWM整流技術(shù)可以使直流側(cè)電壓為一恒定值[5]，并且可以使系統(tǒng)工作于單位功率因數(shù)狀態(tài)，使變流裝置產(chǎn)生的諧波頻率比較高、幅值較小，使波形接近正波，獲得良好的諧波抑制效果并大大減小諧波含量，但是目前PWM整流充電機(jī)控制復(fù)雜，成本很高，處于研究階段。

3.濾裝置在諧波治理中的應(yīng)用

增設(shè)濾波裝置濾除電網(wǎng)中的諧波，在工程中裝設(shè)的濾波裝置有無(wú)源濾波器和有源濾波器。

3.1 無(wú)源濾波裝置

無(wú)源濾波裝置除起到濾波作用外還兼顧無(wú)功補(bǔ)償和調(diào)壓，需要注意的是濾波器的額定電壓等級(jí)和基波頻率要與系統(tǒng)一致，無(wú)源電力濾波器的濾波效果是由濾波器的諧波阻抗和電網(wǎng)諧波阻抗共同決定的。對(duì)同一個(gè)無(wú)源濾波器而言，當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)阻抗較小時(shí)濾波效果變差，對(duì)于相同的電網(wǎng)諧波阻抗而言，濾波器容量較小時(shí)，其諧波阻抗增加，濾波效果變差，只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波。此外，還可以通過(guò)增裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受能力，加強(qiáng)諧波管理來(lái)減少充電諧波。

3.2 有源濾波裝置

有源電力濾波器作為一種新型的諧波治理技術(shù)， 是消除諧波污染 、提高電能質(zhì)量的有效工具。展近年來(lái)有源電力濾波器（APF）等以其反應(yīng)及時(shí)，連續(xù)可調(diào)，動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)鹊膬?yōu)越性能，投入到實(shí)際應(yīng)用中，成為一種新型的諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償裝置[6]。圖1為APF控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 APF控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the structure of APF control system

并聯(lián)型有源濾波器（APF）作為電能質(zhì)量治理的一個(gè)分支，它不僅能抑制諧波，還可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，因此并聯(lián)型APF得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。APF的濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響，不會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響治理效果。根據(jù)需求的不同，設(shè)計(jì)不同的諧波補(bǔ)償功能，在某些情況下，APF需要濾除特定次的諧波分量或特定組的諧波分量，通過(guò)恰當(dāng)?shù)目刂?，可以選擇性的濾除特定次或特定組的諧波電流。

有源電力濾波器可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)治理， 能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)生的變化， 具備多種補(bǔ)償功能，可以對(duì)無(wú)功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償，成為一種新型的諧波抑制裝置投入實(shí)際應(yīng)用[7]。

但是需要注意的是有源濾波器在工程應(yīng)用時(shí)要備有諧波發(fā)生源和大功率晶閘管元器件，還要配有跟蹤控制和脈寬調(diào)制系統(tǒng)，雖濾波效能優(yōu)越，但成本費(fèi)用高，技術(shù)難度大。充電機(jī)是時(shí)變負(fù)荷，負(fù)荷特性變化快，濾波、無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)，當(dāng)無(wú)源濾波手段無(wú)法滿足各項(xiàng)要求時(shí)，可以采用有源濾波技術(shù)，對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理。

4.結(jié)語(yǔ)

諧波治理是電能質(zhì)量問(wèn)題的核心內(nèi)容之一，也是現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)產(chǎn)生諧波的形式，減低充電機(jī)自身產(chǎn)生的諧波，可采用12脈動(dòng)整流充電機(jī)，同時(shí)選擇合理的供電方式和功率因數(shù)校正技術(shù)[8]。無(wú)源濾波裝置是目前應(yīng)用較為廣泛的諧波抑制手段，但存在一些難以克服的缺點(diǎn)，理論上有待進(jìn)一步完善。

有源電力濾波器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已成為補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波及無(wú)功功率的重要裝置，目前在實(shí)際應(yīng)用中，并聯(lián)型APF是比較成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是優(yōu)選的方案。

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