不同類型的電動汽車充電站的諧波分析

林鑫

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 引言

由于電動汽車在節(jié)能減排方面的現(xiàn)實需要和化石能源面臨枯竭的中遠期狀況，國內(nèi)外的許多汽車廠在積極研究和推廣電動汽車［1］，而中國能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境治理方面的壓力更是促動近期的汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策。電動汽車作為一種新型高速發(fā)展的交通工具，在節(jié)約能源，減少污染物排放等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。而電動汽車的能源供給設(shè)施——電動汽車充電站是電動汽車發(fā)展中必不可少的重要環(huán)節(jié)［2］。

充電機是電動汽車充電站的主要設(shè)備。綜合考慮到不同整流裝置的電動汽車充電機產(chǎn)生的諧波性質(zhì)不同，電動汽車充電機的制造成本，電動汽車充電站的建設(shè)成本及其長遠的經(jīng)濟效益，公用電網(wǎng)各次諧波電流允許值等因數(shù)的影響。本文通過PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，仿真分析了三相橋式不控整流裝置和雙三相橋12脈波整流裝置的電動汽車充電機對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，并仿真分析了LC無源濾波電路的濾波效果［3－5］。分析總結(jié)了這兩種電動汽車充電機的適用范圍，為電動汽車充電站的諧波治理和充電機類型的選擇提供參考依據(jù)。

2 充電機仿真模型的建立

在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建充電機的仿真模型，包括整流器、直流側(cè)濾波穩(wěn)壓的電感和電容，以及負載等效電阻，建立充電機的仿真模型如圖1所示。

圖1 充電機仿真模型

圖中 L、C為濾波電感和電容，L取5mH，C取10μF，R為電動汽車電池充電過程的等效負載。

關(guān)于R:本文主要研究不同類型電動汽車充電機對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，因此可以將處于充電過程中的電動汽車電池視為一個負載。根據(jù)文獻［6］可知，在充電過程中R是關(guān)于時間t的變化曲線，由于負載越輕，即越大，產(chǎn)生的諧波越大，基波越小，所以取R的最小值23.59Ω≈24Ω。

3 電動汽車充電機對電網(wǎng)的影響

3.1 三相橋式不控整流電動汽車充電機

對于采用三相橋式不控整流電路的電動汽車充電機來說，脈波數(shù)為6，諧波電流主要為6k±1次諧波，(k=1，2，3…)，即諧波次數(shù)主要是 5、7、11、13 次等。在PSCAD中建立1臺三相橋式不控整流電動汽車充電機的充電站，仿真模型如圖1所示。

圖2 1臺三相橋式不控整流電動汽車充電機的充電站

從公用電網(wǎng)引入10kV，50Hz的三相交流電源，經(jīng)過型號為S9－250kVA/10kV 0.4 DYN11的雙繞組變壓器降壓為400V，50Hz，輸入用電末端的電動汽車充電機負荷。由于變壓器采用DYN11接法，可以有效地抑制整流器注入三相交流電源的3n次諧波(n=1，2，3，…)［7］。

在PSCAD中建立12臺三相橋式不控整流電動汽車充電機的充電站，即在圖2的變壓器低壓側(cè)并聯(lián)12臺三相橋式不控整流電動汽車充電機。對比1臺充電機和12臺充電機兩種情況下，變壓器低壓側(cè)電流Ia波形如圖3所示。

圖3 1臺充電機和12臺充電機電流Ia波形的比較

表1 1臺充電機與12臺充電機電流Ia各次諧波電流有效值(單位A)

通過仿真數(shù)據(jù)可以看出，對于采用三相橋式不控整流電路的電動汽車充電機，三相交流電源各次諧波電流有效值的大小將隨著充電機臺數(shù)的增加而增大。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 14549－1993》可知，12臺充電機產(chǎn)生的5次諧波電流有效值已達75.24%。當(dāng)注入公共聯(lián)接點的諧波電流允許值會超過規(guī)定限額的75%時，便不允許負荷接入電網(wǎng)，因此需要對充電機產(chǎn)生的諧波電流進行治理。本文采用LC無源濾波器對充電機產(chǎn)生的諧波進行濾波，以減小諧波對電網(wǎng)的影響，從而提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。將LC濾波器接在變壓器與充電機之間，如圖4所示。

圖4中LC無源濾波器的電感L和電容C的最佳值的求取經(jīng)驗公式如下［5］:

圖4 LC無源濾波電路

式:U～——電網(wǎng)電壓的有效值;

f——電網(wǎng)電壓的頻率;

P——整流器的輸出功率。

經(jīng)LC無源濾波器濾波后，充電站變壓器低壓側(cè)電流Ia主要含有的諧波電流為:1臺充電機時主要含有5次1.00A的諧波電流，12臺充電機時主要含有5次1.14A的諧波電流，濾波后1臺充電機和12臺充電機電流Ia的波形對比如圖5所示。

圖5 LC濾波后1臺充電機和12臺充電機的Ia波形比較

可見經(jīng)過LC無源濾波電路濾波后，Ia的各次諧波電流已基本被濾除，Ia的波形得到了很好的矯正，完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 14549－1993》所規(guī)定接入公用電網(wǎng)諧波電流允許值的要求。但值得注意的是，當(dāng)僅有1臺充電機時，濾波前功率為6046W，濾波后功率為10366W，充電功率提高了71.45%;而當(dāng)充電站有12臺充電機同時并網(wǎng)運行時，濾波前每臺充電機的功率為 5700W，濾波后的功率為 772W，降低了86.46%，充電速度和效率大大降低，功率損耗嚴重，已經(jīng)不適合實際應(yīng)用。綜合上述分析可知，在充電機同時并網(wǎng)臺數(shù)少時，LC無源濾波器不但可以起到很好的濾波效果，而且還能提高充電機的充電功率;而在充電機同時并網(wǎng)臺數(shù)多時，LC無源濾波器雖然也能起到很好的濾波效果，但充電機的功率卻大大降低了。因此，LC無源濾波器適合應(yīng)用于小型電動汽車充電站。

3.2 雙三相橋12脈波整流電動汽車充電機

對于三相橋式不控整流裝置來說，最大的兩次諧波電流是5次和7次，而采用雙三相橋12脈波整流電路的電動汽車充電機，三相交流電源中只含有12K±1次諧波電流(K=1，2，3…)，最低次諧波電流為11次，但是為了得到12脈波整流電壓，需要兩組三相交流電源，且兩組電源間的相位差應(yīng)是30°。由于雙三相橋12脈波整流器對三相交流電源的電壓幅值和相角要求較高，因此需要獨立使用三相三繞組變壓器，這無疑增大了電動汽車充電站的建設(shè)成本。

在PSCAD中建立12臺雙三相橋12脈波整流電動汽車充電機的充電站，仿真模型如圖6所示。

圖6 612臺雙三相橋12脈波整流電動汽車充電機的充電站

仿真得到變壓器低壓側(cè)的電流Ia0、Ia1以及高壓側(cè)的電流Isa的波形如圖7所示。

通過圖7便可看出變壓器低壓側(cè)的電流Ia0和Ia1已經(jīng)產(chǎn)生嚴重的畸變，然而高壓側(cè)的電流Isa由兩低壓側(cè)的感應(yīng)電流合成后，僅含有11次0.47A和13次0.23A的諧波電流，波形幾乎不發(fā)生畸變，因此無需再進行濾波處理。隨著充電機臺數(shù)的增加，變壓器高壓側(cè)的電流Isa中所含的11次和13次諧波電流值增加仍十分微小。使用雙三相橋12脈波整流電動汽車充電機的充電站，只要加裝一臺三相三繞組變壓器供充電機負荷獨立使用，便可隔離低壓側(cè)諧波電流對高壓側(cè)公用電網(wǎng)的影響。這種充電站每臺充電機的功率為5855W，是采用三相橋式不控整流電路12臺充電機經(jīng)LC濾波后功率的7.58倍。而且隨著充電機臺數(shù)的增加，兩種充電站的功率差距越大。因此，建設(shè)大型電動汽車充電站適合使用雙三相橋12脈波整流裝置的充電機。

圖7 電流 Ia0、Ia1和 Isa波形

4 總結(jié)

從以上分析可以看出，隨著充電機臺數(shù)的增加產(chǎn)生的諧波電流有效值也將增大。建設(shè)大型的快速電動汽車充電站，適合使用雙三相橋12脈波整流裝置的充電機。而建設(shè)小型的電動汽車充電站，適合使用經(jīng)過LC濾波的三相橋式不控整流裝置的充電機，這種充電站無需加裝變壓器，可從公用電網(wǎng)直接引入380V的三相交流電源，從而減小了電動汽車充電站的建設(shè)成本，同時也能滿足充電機并入公用電網(wǎng)的要求和小型電動汽車充電站的建設(shè)需求。

［1］魏哲林.電動汽車的環(huán)境效益評估［J］.電力與能源，2013，3:231－234+238.

［2］李娜，黃梅.基于不同整流裝置的電動汽車充電機比較［J］.華北電力技術(shù)，2011，01:23－29.

［3］李學(xué)生.PSCAD建模與仿真［M］.北京:中國電力出版社，2013:4.

［4］陳堅.電力電子學(xué):電力電子變換和控制技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2004，12.

［5］曲學(xué)基，曲敬鎧，于明揚.電力電子濾波技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008，10.

［6］黃少芳.電動汽車充電機(站)諧波問題的研究［D］.北京交通大學(xué)，2008.

［7］Roger C.Dugan，Surya Santoso，Mark F.McGranaghan，H.Wayne Beaty.Electrical Power Systems Quality［M］.McGraw－ Hill Professional;2nd Revised edition，2002，12.

［8］GB/T 14549－1993，電能質(zhì)量:公用電網(wǎng)諧波［S］.