電動(dòng)客車(chē)大功率充放電諧波問(wèn)題研究

王洪軍，雷 杰，馬愛(ài)國(guó)，武云龍

(比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118)

相較傳統(tǒng)燃油客車(chē)，電動(dòng)客車(chē)排放友好、噪聲小，可通過(guò)大功率車(chē)載V2G充放電技術(shù)作為并網(wǎng)儲(chǔ)能裝置對(duì)電網(wǎng)削峰填谷，在緩解電網(wǎng)效率偏低的同時(shí)創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益。但由于電動(dòng)客車(chē)對(duì)電網(wǎng)充放電的電流超過(guò)100 A，功率高達(dá)80 kW，多車(chē)同時(shí)充電或同時(shí)放電會(huì)使電網(wǎng)負(fù)荷加重，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)諧波含量劇增，電網(wǎng)設(shè)備和用戶(hù)設(shè)備被干擾，電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障。因此，在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)客車(chē)大功率充放電功能的基礎(chǔ)上，確保電網(wǎng)側(cè)諧波含量趨于合理是大功率車(chē)載V2G充放電技術(shù)進(jìn)步的重要一環(huán)。

1 電動(dòng)客車(chē)充放電諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 充放電諧波的影響

充放電諧波的產(chǎn)生主要與非線(xiàn)性負(fù)載有關(guān)。通過(guò)電網(wǎng)對(duì)車(chē)輛充電時(shí)，車(chē)輛端的整流電路阻抗為變化值，其阻抗隨外加電壓的變化而變化，導(dǎo)致整流電路從電網(wǎng)吸取的電流不是理想正弦波。同樣，車(chē)輛對(duì)電網(wǎng)放電時(shí)逆變電路和電網(wǎng)阻抗的不斷變化也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)從車(chē)輛端吸收的電流不是理想正弦波。充放電諧波會(huì)影響電網(wǎng)和電網(wǎng)負(fù)載的正常運(yùn)行［1－2］:

1)使電網(wǎng)供電線(xiàn)纜的損耗電壓增大，且線(xiàn)纜易發(fā)熱過(guò)溫甚至損壞。

2)諧波電流使變壓器芯損和銅損增大，還會(huì)通過(guò)變壓器本身的結(jié)構(gòu)電容流過(guò)變壓器殼體，導(dǎo)致變壓器局部發(fā)熱。

3)高頻諧波分量易流過(guò)電網(wǎng)電容器，增加電容器損耗，使電容發(fā)熱過(guò)溫甚至炸裂。

4)使電網(wǎng)側(cè)的電器設(shè)備出現(xiàn)失效或誤動(dòng)作情況。電網(wǎng)諧波過(guò)大還會(huì)滲透到其他公共電網(wǎng)，影響公共電網(wǎng)下電器設(shè)備的電源質(zhì)量，干擾敏感設(shè)備的信號(hào)傳輸，導(dǎo)致電器設(shè)備無(wú)法正常工作。

1.2 諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

由于純電動(dòng)客車(chē)對(duì)電網(wǎng)放電的諧波專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)還處于空白狀態(tài)，純電動(dòng)客車(chē)對(duì)電網(wǎng)充放電的諧波標(biāo)準(zhǔn)主要參考IEC 61000系列;同時(shí)部分國(guó)家和地區(qū)也會(huì)參考并網(wǎng)設(shè)備和電網(wǎng)本身的諧波要求。

1)充電諧波電流標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)電動(dòng)客車(chē)充電諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17625.8—2015《電磁兼容 限值 每相輸入電流大于16 A小于等于75 A連接到公用低壓系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生諧波電流限值》［3］，此標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IEC 61000－3－12—2011 轉(zhuǎn)化而來(lái)［4］，規(guī)定了三相平衡設(shè)備在不同短路比下的奇次諧波電流(5次、7次、11次、13次)、偶次諧波電流(2次、4次、6次、8次、10次、12次)及總諧波電流畸變率(THD)的限值要求，其中THD最小限值要求為13%。

2)放電諧波電流標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)客車(chē)放電諧波電流限值主要有兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn):一類(lèi)為放電諧波電流需滿(mǎn)足充電諧波電流限值要求;另一類(lèi)為分布電源與電力系統(tǒng)互聯(lián)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 519—2014《電力系統(tǒng)諧波控制的建議做法和要求》［5］，美國(guó)、加拿大、韓國(guó)等國(guó)家以此標(biāo)準(zhǔn)作為并網(wǎng)設(shè)備的放電諧波要求。其規(guī)定了電力系統(tǒng)中奇次諧波(3次～49次)、偶次諧波(2次～50次)、及總諧波電流畸變率(THD)的要求，其中THD限值要求為5%。GB/T 19939—2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》規(guī)定了光伏并網(wǎng)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的奇次諧波(3次～33次)、偶次諧波(2次～32次)及總諧波電流畸變率(THD)，其中THD最小限值要求為5%，比充電諧波電流13%的限值要求更嚴(yán)苛［6］。

3)充放電諧波電壓標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)客車(chē)充放電諧波電壓主要有兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn):一類(lèi)是IEC 61000－2－2—2017《公共低壓供電系統(tǒng)低頻傳導(dǎo)和信號(hào)傳輸?shù)碾姶偶嫒菟健罚藰?biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低壓電網(wǎng)中的奇次諧波電壓、偶次諧波電壓及總諧波電壓畸變率(THD)的限值要求，其要求THD≤11%;另一類(lèi)為電網(wǎng)諧波電壓標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定0.38 kV電網(wǎng)的總諧波電壓畸變≤5%，奇次諧波電壓含有率≤4%，偶次諧波電壓含有率≤2%，較 IEC 61000－2－2 要求更嚴(yán)苛［7－10］。

2 諧波測(cè)試及改善

2.1 諧波測(cè)試原理

諧波的測(cè)試方法有模擬濾波器測(cè)量法、傅里葉變換測(cè)量法、小波變換測(cè)量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量法等。目前使用最廣泛的是傅里葉變換測(cè)量法，主要包括離散傅里葉變換和快速傅里葉變換，具有準(zhǔn)確度高、使用方便的優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是采樣和傅里葉變換的時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差。采用傅里葉變換測(cè)量法的常見(jiàn)測(cè)試設(shè)備有EMC諧波測(cè)試機(jī)、電能質(zhì)量分析儀、功率計(jì)、波形記錄儀、示波器等［11］。測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試原理圖

V2G采用三相半橋電壓型PWM變流器和非隔離雙向DC－DC，通過(guò)改變變流器工作狀態(tài)和升降壓實(shí)現(xiàn)充放電功能，控制方式成熟，功能豐富，匹配的交流充電樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低;但受限于工作效率和空間，大功率雙向DC/DC無(wú)法和直流充電樁(快充)一樣采用隔離變壓器。

2.2 充放電諧波電流電壓測(cè)試

文中電動(dòng)客車(chē)對(duì)電網(wǎng)充放電通過(guò)2個(gè)2×40 kW車(chē)載V2G實(shí)現(xiàn)(交流慢充、慢放)，最大充放電功率可達(dá)80 kW。

1)表1為3輛車(chē)充電時(shí)的A相奇次諧波電流值，均滿(mǎn)足IEC 61000－3－12的要求。通過(guò)額定總電流和總諧波電流畸變率(THD)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，充電電流變大時(shí)THD減小，奇次諧波中5次、7次諧波電流含有率最大。

表1 3輛車(chē)充電時(shí)A相奇次諧波電流值(交流慢充)

2)表2為3輛車(chē)對(duì)電網(wǎng)放電時(shí)的A相奇次諧波電流值，均滿(mǎn)足IEC 61000－3－12的要求。放電時(shí)的諧波電流變化規(guī)律和充電諧波電流變化規(guī)律基本一致，放電電流變大時(shí)總諧波電流畸變率(THD)減小。

表2 3輛車(chē)放電時(shí)A相奇次諧波電流值(交流慢放)

3)表3為3輛車(chē)充電時(shí)的A相奇次諧波電壓值，均滿(mǎn)足IEC 61000－2－2和GB/T 14549的要求。

表3 3輛車(chē)充電時(shí)A相奇次諧波電壓值(交流慢充)

4)表4為3輛車(chē)對(duì)電網(wǎng)放電時(shí)的A相奇次諧波電壓值，均滿(mǎn)足IEC 61000－2－2和GB/T 14549的要求。

表4 3輛車(chē)放電時(shí)A相奇次諧波電壓值(交流慢放)

2.3 諧波問(wèn)題及分析

從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，3輛電動(dòng)客車(chē)大功率充放電諧波數(shù)據(jù)良好，未出現(xiàn)超標(biāo)情況，隨著充電總電流增大，充電諧波電流的THD還會(huì)因?yàn)槊總€(gè)V2G之間各次諧波的互相疊加而減小。實(shí)際上，由于大功率交流慢充、慢放時(shí)通過(guò)V2G與電網(wǎng)直接傳導(dǎo)相連，若V2G自身諧波未處理好，各V2G諧波容易通過(guò)傳導(dǎo)相互影響導(dǎo)致諧波加劇;而快充一般采用直流充電柜，使用了隔離變壓器，部分諧波可被抑制。因此電動(dòng)客車(chē)通過(guò)V2G對(duì)電網(wǎng)充放電仍存在以下諧波的優(yōu)化問(wèn)題:

1)多車(chē)同時(shí)大功率充電時(shí)，電網(wǎng)負(fù)載增大，若電網(wǎng)冗余容量不足，低含量的諧波也會(huì)引發(fā)電網(wǎng)異常。

2)大功率車(chē)載V2G使用的IGBT具備顯著的高頻率、大電流、高電壓特性，IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流、電壓沖擊會(huì)更明顯，從而導(dǎo)致高頻諧波含量增加。

3)V2G自帶濾波模塊可濾除單車(chē)充放電的大部分諧波含量，但多車(chē)同時(shí)充放電時(shí)，由于V2G采用非隔離DC－DC，每個(gè)V2G的濾波模塊均通過(guò)電網(wǎng)傳導(dǎo)相連，最后形成一個(gè)復(fù)雜耦合濾波網(wǎng)絡(luò)，若耦合濾波網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)同時(shí)產(chǎn)生諧振，電網(wǎng)諧波會(huì)更嚴(yán)重。

4)多車(chē)同時(shí)充放電時(shí)，各V2G的開(kāi)關(guān)器件控制狀態(tài)不一致，導(dǎo)致各V2G之間易形成環(huán)流，環(huán)流雖有助于減小總諧波電流畸變，但也可能使某次諧波含量劇增。

5)多車(chē)同時(shí)充放電時(shí)，各V2G的開(kāi)關(guān)器件內(nèi)部死區(qū)和漏電流引發(fā)的諧波易通過(guò)傳導(dǎo)連接的耦合網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生放大效應(yīng)直接影響電網(wǎng)。

以多車(chē)同時(shí)大功率充電為例，2017年某地公交場(chǎng)站反饋夜間充電過(guò)程中變壓器聲音異常，產(chǎn)生周期性的異常嘯叫聲，同時(shí)變壓器的運(yùn)行溫度很高。該場(chǎng)站共接有4臺(tái)800 kVA變壓器，每臺(tái)變壓器帶有10個(gè)60 kW充電樁，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題:

1)同一變壓器下的10輛城市客車(chē)同時(shí)60 kW充電時(shí)，電網(wǎng)L1相總諧波電壓畸變率達(dá)到7.9%，雖然滿(mǎn)足 IEC 61000－2－2的要求，但不滿(mǎn)足 GB/T 14549中5%的總諧波電壓畸變限值要求。

2)多車(chē)充電時(shí)存在潮汐變化的高次諧波電壓，10輛車(chē)同時(shí)充電時(shí)L2相的36次諧波電壓含有率最高可達(dá)7.1%，遠(yuǎn)超GB/T 14549中2%的偶次諧波電壓限值要求。

2.4 諧波治理

2.4.1 抑制車(chē)載V2G諧波源

1)V2G使用脈寬調(diào)制(PWM技術(shù))。在載波頻率很高時(shí)，PWM技術(shù)可以很好抑制輸出中的低次諧波含量，同時(shí)還可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件通斷時(shí)序減小某次諧波的含量。

2)V2G使用多電平變流技術(shù)。多重方波疊加可以消除次數(shù)較低的諧波，重?cái)?shù)越多，波形越接近正弦波，諧波含量越低，與PWM技術(shù)配合使用效果更好。

3)V2G增加換流裝置脈動(dòng)數(shù)。諧波的主要成分集中在奇次諧波，增加脈動(dòng)數(shù)可以平滑波形，減小幅值較大的低次諧波含量，如12脈、18脈整流器。

2.4.2 抑制V2G諧波傳播途徑

使用V2G無(wú)源濾波裝置，無(wú)源濾波器可以給特定頻率的諧波提供一個(gè)低阻抗回路，讓諧波通過(guò)濾波器回到諧波源頭，使諧波不會(huì)流經(jīng)電網(wǎng)。傳統(tǒng)的LC濾波器由濾波電容器、電阻器和電抗器組成，可以在一定程度上凈化電網(wǎng)諧波，成本低，效果較好，但局限性很強(qiáng)，針對(duì)不同諧波需設(shè)計(jì)不同濾波回路(如多級(jí)濾波器)來(lái)濾除大部分諧波［12］。

2.4.3 充放電車(chē)輛總功率合理配置

通過(guò)配置合理的充放電總功率可減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。供電系統(tǒng)短路容量與接入設(shè)備短路容量之比為短路比，短路比越大，同樣大小的諧波電流對(duì)系統(tǒng)的影響越小，電網(wǎng)抗干擾能力越強(qiáng)，因此可通過(guò)設(shè)置部分系統(tǒng)容量冗余來(lái)增強(qiáng)電網(wǎng)的抗干擾能力。此方法同樣可解決多車(chē)同時(shí)大功率充電出現(xiàn)的變壓器異常嘯叫問(wèn)題，但成本較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)客車(chē)大功率V2G充放電技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，隨著大功率V2G充放的增多，電網(wǎng)負(fù)荷急劇加重，電網(wǎng)側(cè)的諧波問(wèn)題會(huì)變得愈加嚴(yán)峻。在實(shí)現(xiàn)多車(chē)同時(shí)大功率充電或放電的同時(shí)，確保電網(wǎng)側(cè)諧波含量趨于合理，是大功率V2G充放電批量化應(yīng)用必須解決的問(wèn)題。