電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)諧波機(jī)理及其抑制分析

江 明

(國(guó)網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210019)

電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)諧波機(jī)理及其抑制分析

江 明

(國(guó)網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210019)

電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷作為一種非線(xiàn)性負(fù)載，研究充電機(jī)接入電網(wǎng)后產(chǎn)生的諧波及其抑制具有重要意義。通過(guò)建立并簡(jiǎn)化典型的單臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)模型，分析單臺(tái)和多臺(tái)充電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生諧波的理論過(guò)程。利用MATLAB Simulink工具建模仿真，得到輸出功率曲線(xiàn)和電流FFT分析結(jié)果，畸變率在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)。最后比較了當(dāng)前通用的諧波抑制方式，建議采用并聯(lián)型有源濾波器(APF)為規(guī)?；瘧?yīng)用后大量入網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)提供諧波治理。

電動(dòng)汽車(chē)；充電機(jī)；諧波機(jī)理；有源濾波器

電動(dòng)汽車(chē)充電站(樁)配置的充電機(jī)是采用三相整流橋、DC/DC功率變換單元等結(jié)構(gòu)組成的非線(xiàn)性電力電子設(shè)備，其在接入配電網(wǎng)工作時(shí)，作為電網(wǎng)非線(xiàn)性負(fù)載，必然產(chǎn)生諧波電流，因而降低電網(wǎng)功率因數(shù)，污染公用電網(wǎng)。因此在建設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充電站(樁)前，通過(guò)對(duì)充電機(jī)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，計(jì)算注入電力系統(tǒng)的諧波，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549.93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，以判斷選擇的設(shè)備是否合理、是否需要配置諧波抑制單元。

1 充電機(jī)諧波分析

1.1充電機(jī)原理和模型

以常規(guī)充電方式下充電機(jī)為例。常規(guī)充電方式指采用小電流恒壓或恒流充電，充電電流較低，一般在15A左右。電網(wǎng)輸入的三相交流電流通過(guò)整流電路，經(jīng)濾波電路為高頻DC/DC功率變換單元提供直流輸入，功率變換電路的輸出經(jīng)濾波電路為車(chē)用動(dòng)力電池充電，原理圖如圖1所示，圖中Lf表示濾波電感，Cf表示濾波電容[1-2]。

圖1 高頻充電機(jī)一般結(jié)構(gòu)圖

高頻功率變換器建模較復(fù)雜且計(jì)算量大，不利于觀(guān)察整個(gè)充電過(guò)程電流的變化情況，因此將其近似等效。目前電池充電策略常采用典型的兩階段充電方法，即前半段恒流限壓、后半段恒壓限流。相對(duì)于工頻周期(0.02s)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力蓄電池充電過(guò)程所需時(shí)間很長(zhǎng)(4～6h)，在數(shù)個(gè)工頻周期內(nèi)，都可近似假定充電機(jī)輸出電流IO和輸出電壓UO是恒定直流的，即高頻功率變換電路工作在恒功率狀態(tài)，當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，輸入電流須相應(yīng)降低。故在完整的充電過(guò)程中，可以用非線(xiàn)性變化的電阻Rc近似模擬高頻功率變換電路等效輸入阻抗。[3]

(1)

式中：UI，II，PI分別是高頻功率變換電路輸入電壓、電流和功率；UO，IO，PO分別是輸出電壓、電流和功率；η是功率變換模塊效率。

充電機(jī)近似等效模型如圖2所示，Rc是代替功率變換單元的非線(xiàn)性電阻。

圖2 充電機(jī)簡(jiǎn)化等效模型

1.2充電機(jī)諧波分析

系統(tǒng)三相平衡時(shí)，三相電流波形相同，相位依次相差120°。以二極管三相橋式整流電路作為高頻充電機(jī)的前級(jí)輸入，取a相為例[4-5]，設(shè)圖2中a相相電壓為

(2)

式中：U是輸入單相電壓有效值。

用Sa(t)表示圖2整流電路中二極管開(kāi)關(guān)函數(shù)，忽略交流側(cè)阻抗影響，用傅里葉級(jí)數(shù)表示：

(3)

式中：m=6k±1,m>0,k=0,1,2,…。

輸出電流連續(xù)時(shí)，整流橋輸出電壓為：

(4)

式中：Ud是整流橋輸出電壓直流分量;udn(t)是其n次諧波分量。直流不能通過(guò)電容C，因此UB=Ud。

整流橋直流側(cè)電流id(t)也可以用直流分量與各次諧波分量之和表示：

(5)

式中：Zd是直流阻抗，與Rc相等；Zn是n次諧波阻抗。

a相電流ia(t)可表示為：

(6)

則

(7)

式中：n=6p,p=0,1,2,3,…。

(8)

直流側(cè)電流id(t)可以表示為：

(9)

將傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式帶入上述公式，整理得交流側(cè)a相電流：

(10)

根據(jù)上述諧波理論分析結(jié)果可得到以下結(jié)論：

a.交流側(cè)輸入電流主要由基波和(6k±1)次高次諧波組成，不產(chǎn)生偶次諧波，能與半波對(duì)稱(chēng)的充電機(jī)整流電路結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。

b.各次諧波電流有效值與諧波次數(shù)成反比，諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。

c.a相電流基波和各次諧波有效值與U，Lf，Cf和Rc都有關(guān)。

d.U和Rc一定時(shí)，Lf越大，n次諧波阻抗Zn越大，可以減小濾波電流有效值；U，Lf，Cf一定時(shí)，Zn取決于Rc，a相電流基波和各次諧波有效值相應(yīng)隨Rc變化而變化；Rc由輸出功率PO決定，PO越大，Rc越小，諧波電流有效值越大。

e.電流總諧波畸變率與功率因數(shù)成反比。

f.當(dāng)充電機(jī)間斷工作時(shí)，與連續(xù)工作狀態(tài)相比，電流總諧波畸變率高、功率因數(shù)低。

1.3充電站諧波分析

一般情況下，一個(gè)充電站內(nèi)有多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，而電網(wǎng)需要向充電站提供N臺(tái)充電機(jī)輸入電流的總和。因充電機(jī)輸出功率發(fā)生變化時(shí)，輸入電流任意一次諧波幅值和相角都將變化，即輸出功率不同的充電機(jī)產(chǎn)生的同次諧波、尤其是高次諧波有時(shí)可相互抵消，這對(duì)降低充電站電流總諧波畸變率起到積極作用。

2 充電機(jī)諧波仿真實(shí)例與諧波抑制

2.1充電機(jī)仿真模型參數(shù)

根據(jù)北京某充電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用曲線(xiàn)擬合建立充電機(jī)輸出功率曲線(xiàn)[6]：

(13)

用MATLAB繪制充電機(jī)輸出功率曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 充電機(jī)輸出功率模擬曲線(xiàn)

將非線(xiàn)性電阻Rc離散處理以簡(jiǎn)化計(jì)算，100s內(nèi)離散化結(jié)果如圖4所示。

圖4 Rc離散化后取值

2.2充電機(jī)仿真與諧波結(jié)果

根據(jù)上述模型，利用MATLAB Simulink搭建如圖5所示的充電機(jī)仿真模型，結(jié)果如圖6～8所示。

在圖7可以看出諧波畸變率是33.51%，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549.93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的限定范圍內(nèi)。

3 諧波抑制方式的選擇與機(jī)理

上文的理論與建模分析表明，充電機(jī)是諧波源負(fù)荷，電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流，降低充電機(jī)功率因數(shù)，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模化發(fā)展的實(shí)際需求，需根據(jù)實(shí)際情況，在工程建設(shè)中按照“四同時(shí)”(同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投運(yùn)、同時(shí)驗(yàn)收)原則，酌情增加諧波抑制單元[3-5,7-8]。諧波抑制包括改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低諧波源諧波含量，加裝濾波裝置、在諧波源處吸收諧波電流，改善供電環(huán)境等方法。對(duì)各種諧波抑制方法進(jìn)行比較后，得出并聯(lián)型有源濾波器(PAPF)更適用于電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)諧波抑制這一結(jié)論。

圖5 單臺(tái)充電機(jī)MATLAB Simulink模型

圖6 a相電流的局部放大圖

圖7 a相電流FFT分析結(jié)果

圖8 充電機(jī)輸出功率仿真曲線(xiàn)

APF利用可控功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源總諧波電流為零，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流。APF原理框圖如圖9所示，首先通過(guò)電阻對(duì)直流側(cè)電容充電，達(dá)到預(yù)定值后，充電接觸器閉合；充電過(guò)程結(jié)束后，APF開(kāi)始工作，主控制器從CT采集的諧波電流信號(hào)中提取需補(bǔ)償?shù)闹C波和無(wú)功電流(可分別或同時(shí)補(bǔ)償)；最后控制器生成IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變器產(chǎn)生與負(fù)載電流諧波和無(wú)功電流幅值相等、相位相反的補(bǔ)償電流。

圖9 有源濾波器原理框圖

并聯(lián)型有源濾波器(PAPF)給諧波電流提供一個(gè)在諧波頻率處等效導(dǎo)納為無(wú)窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使諧波電流流過(guò)該并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)而不進(jìn)入系統(tǒng)，可以抑制電流諧波、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題，用以補(bǔ)償負(fù)荷電流中的諧波電流，使電源側(cè)電流保持為正弦波，從而隔離諧波源與電網(wǎng)，防止諧波污染。若與電容器相配合，還可進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。從工作機(jī)理可以判斷，適用于電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)諧波治理的有源濾波器類(lèi)型是并聯(lián)型有源濾波器。并聯(lián)型有源濾波器接線(xiàn)示意圖如圖10所示。

圖10 并聯(lián)型有源濾波器接線(xiàn)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的簡(jiǎn)化模型，對(duì)諧波產(chǎn)生進(jìn)行理論分析，并利用MATLAB Simulink仿真計(jì)算典型充電機(jī)實(shí)例，得到輸出功率波形和電流快速傅里葉變換結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在一定輸出和負(fù)載功率下，三相橋式整流充電機(jī)產(chǎn)生的電流諧波能一般能控制在國(guó)標(biāo)允許范圍內(nèi)。但考慮到規(guī)?；瘧?yīng)用時(shí)大量充電機(jī)接入電網(wǎng)帶來(lái)的諧波影響，建議可考慮適當(dāng)增加并聯(lián)型有源濾波器作為濾波方式。

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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，江蘇南京人，國(guó)網(wǎng)南京供電公司助理工程師，主要從事電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)工作。

TM743

B

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