關于供配電工程設計中充電樁的諧波治理分析

廣東建能電力工程有限公司 藍文巨

1 引言

當前，隨著科學技術的發(fā)展，同時受氣候變化對我國國民經濟的影響，國家對于新能源汽車行業(yè)的投入力度逐漸加大，并提倡人們綠色出行，多使用電動車等交通工具。而新能源汽車充電樁則是新能源主要的動力補給裝置，在充電樁工作時常會出現(xiàn)諧波現(xiàn)象，與充電樁的整體供配電工程的設計有著緊密的關聯(lián)，因此要加大對供配電工程設計中充電樁諧波治理的研究，避免安全事故的發(fā)生。

2 諧波及其污染危害

2.1 諧波概述

第一，諧波概念起源?！爸C波”一詞是由物理電磁學而來，在電力系統(tǒng)中常會出現(xiàn)此類狀況，但在20世紀二十年代才走入人們的視野，逐漸被人們關注。開展相關試驗和研究最早的國家是德國，起初是因為在應用靜止貢弧變流器時，導致了電壓以及電流波形畸變的情況，最后產生了諧波。

第二，諧波概念定義。在供配電工程系統(tǒng)在運行的過程中會有電流的產生，而基波則是電流的基本頻率，諧波則是基波整倍的電量。也就是說，將周期性非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，所分解出的大于基波頻率電流所產生的電量便是諧波（其示意圖可參考圖1）。

圖1 基波與諧波對比

第三，諧波概念產生。諧波的產生當前有三方面的因素，其一是由于電源端產生；其二是輸配電過程產生；其三是電力設備產生。其中，這三面產生諧波的主導原因一是由于制作工藝問題；二是由于發(fā)電機的穩(wěn)定性較差所導致；三是受變頻設備影響。

第四，諧波電流特性。采用仿真模擬的方式對供配電工程中的充電樁諧波電流進行統(tǒng)計，根據仿真結果來看，充電樁在運行期間所形成的諧波次數(shù)存在“6x±1（x=1,2,3，…）”特征，即主要的諧波次數(shù)為5次、7次、11次、13次……，其中諧波次數(shù)與電流存在反比關系，即產生諧波電流的諧波次數(shù)主要為5次與7次。

2.2 污染危害

一是降低供配電工程充電樁電路系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定性。由于諧波這種波形在呈現(xiàn)形態(tài)和特點上，存在復雜性、不確定性，因此導致了整體電力設置設施的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性容易引發(fā)安全事故，并會降低電網的運行質量，像斷路器的補償以及用電設備運行效率較低等。

二是增加電網額外損耗。當輸出同等電量的情況之下，由于諧波因素，導致輸電過程變得越發(fā)不穩(wěn)定，因此部分配電設備就會降低運行效率，使得接受電量客體，無法得到穩(wěn)定足夠的電量，并且如果是在長時間的輸電情況之下，還容易產生感性設備過熱等問題，進而容易引發(fā)短路并減少相關設備的使用壽命，形成配電工程整體絕緣呈現(xiàn)老化現(xiàn)象。

三是容易導致電能計量紊亂。供配電工程通常系統(tǒng)較為龐大，相應的諧波也會大量的提高電流頻率，因此就會對電能計量裝置造成干擾，最終導致計量的不準確，使得電網工作人員的工作壓力進一步加大，并降低了電能計量的實際功效，同時這種不穩(wěn)定的情況還容易進一步引發(fā)火災等情況的發(fā)生。諧波污染是國際公認的電力危害之一，其可對電網穩(wěn)定性造成極大影響，故在供配電工程設計過程中，應強化充電樁諧波控制治理工作，防止諧波污染影響電網運行。

3 基于供配電工程設計的充電樁諧波治理措施

3.1 減少諧波源

供配電工程充電樁諧波治理期間，應從根源治理諧波，減少諧波源，以此切實保障供配電工程電網質量，為充電樁的穩(wěn)定運行創(chuàng)造良好電網環(huán)境。

3.1.1 增加脈動數(shù)

將電動汽車充電樁增加為12脈整流，其電路結構如圖2所示，在其結構中共有兩個橋式整流電路，即橋Ⅰ、橋Ⅱ整流電路，兩者以變壓器為紐帶實現(xiàn)聯(lián)結，一次側為星形聯(lián)結繞組，二次側為三角形聯(lián)結繞組與星形聯(lián)結繞組，三者繞組比例為“1:√3：1”在此繞組結構作用下完成兩個橋式整流電路的供電作業(yè)，并確保橋Ⅰ、橋Ⅱ電路良好聯(lián)結至整流變壓器結構上。為驗證增加脈動數(shù)的諧波源減少效果，可分別計算橋Ⅰ、橋Ⅱ電流表達式，進一步得出網側線電流數(shù)據，經計算分析得知，橋Ⅰ、橋Ⅱ僅形成了“12n+1”次諧波，其中“n”為正整數(shù)，非“12n+1”次諧波均被抵消，以此有效減少了諧波源，抑制了諧波的形成[1]。

圖2 12脈整流電路結構

3.1.2 脈寬調制

脈寬調制又被稱之為PWM 整流技術，通過脈寬調制能夠實現(xiàn)多臺充電樁在特定頻率周期內的直流輸入。PWM 脈寬調制最顯著的優(yōu)勢在于取消了工頻變壓器的應用，縮小了體積，其以IGBT 模塊為充電功率主要元器件。經PWM 整流技術處理后，能夠改善充電樁交流側電流，使其無限接近于正弦波，繼而使電流相位與電壓相位保持一致，并完成對單位功率因數(shù)的調制，以此降低了整流器所形成的諧波電流數(shù)量。

3.1.3 校正功率因數(shù)

校正功率因數(shù)又被稱之為PFC 技術，該技術功能的實現(xiàn)多依靠功率因數(shù)校正裝置，將該裝置設置于電動汽車充電樁前端，當裝置閉合運行后，電路交流側電流將會趨向正弦化變化，以此減少了非線性特征，并校正優(yōu)化了功率因數(shù)，繼而有效縮減了裝置諧波電流含量。

3.2 安裝濾波裝置

根據供配電工程實際情況安裝濾波結構可有效抑制諧波的產生，以此形成良好的諧波治理效果。

3.2.1 無源濾波器

無源濾波器（PPF）為拓撲結構，通過適當?shù)碾娮杵?、電感、電容組合設計，構建成濾波電路，使諧波源與濾波電路形成阻抗旁通結構，在實現(xiàn)濾波的同時，可完成無功補償。無源濾波器可進一步分為帶通濾波器、單調諧濾波器，其中帶通濾波器能夠實現(xiàn)特定頻率內的諧波補償，而單調諧濾波器能夠直接將特定諧波過濾掉。在供配電工程設計中，可通過直接安裝無源濾波器進行無功補償與諧波抑制，但在應用期間，存在效果不穩(wěn)定、體積大、耗費高的缺陷，故需根據供配電工程實際結構進行針對性設計。

無源濾波器在實際應用過程中，應根據裝置阻抗比情況確定濾波特性，并綜合考慮供配電工程充電樁諧波污染最嚴重狀態(tài)，以此為依據選擇適宜規(guī)的無源濾波器。無源濾波器主要是以特定次諧波特性為依據確定裝置參數(shù)，通過諧波電流接地的方式完成濾波，結合供配電工程中的充電樁諧波治理情況來看，其諧波電流含量較大的頻次為5次與7次，此時可選用單調諧濾波器對5次、7次濾波進行過濾。對無源濾波器5次、7次諧波參數(shù)進行總結，在5次諧波下，其諧波電容、電感、電阻分別為2.8mH、140μF、0.1Ω；而諧波電容、電感、電阻在7次諧波狀態(tài)下，其分別為5.5mH、37.6μF、0.26Ω。

為確保無源濾波器能夠良好發(fā)揮效果，面對復雜成分諧波，需具體情況具體分析，合理協(xié)調無功補償與濾波功能，防止出現(xiàn)諧波被放大的情況。若整個供配電系統(tǒng)過于復雜，則會造成濾波效果極度不穩(wěn)定的情況，若諧波強度超出一定界限，將會損壞元件，此外無源濾波器雖可起到一定諧波治理效果，但卻無法大幅降低諧波總量。為杜絕上述問題，需增設有源濾波器，使有源濾波器與無源濾波器協(xié)同運行，以此形成穩(wěn)定且高效的諧波治理效果。

3.2.2 有源濾波器

有源濾波器（APF）屬于新型裝置，其解決了傳統(tǒng)無源濾波器缺陷問題，可實現(xiàn)諧波動態(tài)化抑制。相較于無源濾波器，有源濾波器具有諧波抑制穩(wěn)定，連接簡單、投切靈活的優(yōu)勢，且隨著相關技術的日漸成熟，有源濾波器故障問題減少，故在供配電工程設計中，為有效治理充電樁的諧波問題，應合理運用有源濾波器。

隨著產業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，無源濾波器現(xiàn)已無法滿足供配電工作要求，在此形勢下，需根據供配電工程實際概況引入有源濾波器裝置。在供配電工程系統(tǒng)內，依靠有源濾波器可提取諧波電流及無功電流，在變流器設備作用下實現(xiàn)電流補償，經上述處理后即可有效降低諧波成分，盡可能降低諧波污染對于供配電工程充電樁的干擾。有源濾波器具有靈活優(yōu)勢，可針對不同情況下的諧波進行抑制，通過針對性調整提高諧波治理效果。有源濾波器在實際運行期間始終滿足額定容量運行要求，不會出現(xiàn)過載情況，效果顯著，故在供配電工程設計中，應優(yōu)先選用有源濾波器，盡可能為供配電系統(tǒng)充電樁的運行穩(wěn)定性創(chuàng)造良好條件。

3.2.3 混合有源濾波器

混合有源濾波器（HAPF）主要是指混合使用無源濾波器與有源濾波器，將兩者并聯(lián)構成一個完整的濾波體系，借助無源濾波器部分消除特定次諧波，在有源濾波器作用下動態(tài)化處理充電樁諧波，通過無源、有源裝置的協(xié)同應用，進一步提升供配電工程充電樁體系中的諧波治理效果，此外還可依托于無源濾波器進行無功補償。在供配電工程充電樁體系中，其在運行期間主要形成的諧波主要為的5次、7次諧波，高次諧波相對較少，可忽略不計，在這一諧波特性下，可針對5次、7次諧波設置無源濾波結構（由單調諧濾波器構成）。

考慮到供配電充電樁運行期間可產生高頻毛刺，故可在混合有源濾波器結構中增設LC 低通濾波器，用于削弱并消除高頻毛刺。為確保無源濾波器與有源濾波器能夠在并聯(lián)結構中發(fā)揮良好作用，需引入耦合變壓器，對兩者的電流與電壓進行調節(jié)，同時借助變壓器進行電氣隔離，為無源濾波器與有源濾波器協(xié)同發(fā)揮作用創(chuàng)造良好條件。此外，濾波器在運行過程中存在濾波電容與濾波電感，可能會造成基波諧振，繼而使基波電流均流至無源濾波器，此時基波電壓與基波電流不會對有源濾波器產生影響，故應用混合有源濾波器進行供配電諧波治理過程中，有源濾波器可選擇小容量規(guī)格，在保障濾波效果的同時抑制諧波，且可在一定程度上減少濾波成本，大幅提升混合有源濾波器應用價值。

3.2.4 供電設備

抑制供配電工程充電樁諧波還可從提高變壓器繞組方面入手，通過繞組調整實現(xiàn)諧波治理，如三角形聯(lián)結變壓器，其可有效消除三次諧波。在諧波治理過程中，應從根源處入手，根據供配電工程發(fā)電機實際情況選擇適宜電能，以此減少或消除電動勢，繼而實現(xiàn)諧波治理。從星形聯(lián)結變壓器角度來看，其同樣可實現(xiàn)三次諧波的消除，在實際治理期間，應立足于實際情況明確諧波性質，根據具體諧波表現(xiàn)進行應對。

3.2.5 整流設備

脈動數(shù)與整流設備諧波之間存在正相關關系，為實現(xiàn)供配電工程設計中的充電樁諧波治理，應對整流設備脈動數(shù)進行調制改善，繼而實現(xiàn)諧波抑制。增加脈動數(shù)量可形成良好的諧波治理效果，而脈動數(shù)量的增加需相對應的優(yōu)化裝置配置。通常情況下，供配電工程多采用12脈整流或24脈整流，通過整流脈動數(shù)的調制削弱諧波含量，將諧波抑制在特定范圍內。為進一步發(fā)揮出整流設備在供配電工程充電樁諧波治理中的作用，可引入多重化技術，該技術主要指并聯(lián)錯位設置變流裝置，借助階梯波盡可能靠近正弦波，以此起到低次諧波治理效果，但多重化技術的實現(xiàn)需較多裝置，故在一定程度上增加了成本，需結合供配電工程充電樁實際情況合理應用。

綜上所述，電力諧波的存在,極大影響了供配電工程中的充電樁運行穩(wěn)定性，為確保充電樁能夠為電力汽車產業(yè)的發(fā)展提供助力，需在供配電工程設計過程中做好諧波治理工作。結合現(xiàn)階段產業(yè)發(fā)展情況來看，諧波治理主要從兩方面入手，即減少諧波源、安裝濾波裝置，在設計治理期間，應結合供配電工程實際情況選擇諧波治理方式，為充電樁的穩(wěn)定運行奠定良好基礎。