電動汽車直流充電機諧波發(fā)射特性現(xiàn)場測試與分析

鐘慶，陳付強，王鋼，汪隆君

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

截止2019 年底，中國電動汽車（electricvehicles，EVs）累計產(chǎn)量已超過450 萬輛，大量電動汽車充電負(fù)荷給電網(wǎng)造成的影響不容忽視[1-2]。以直流充電機為主的快速充電站是充電設(shè)施建設(shè)的重要方向[3]。在眾多影響中，諧波問題尤為突出，主要體現(xiàn)在：充電站內(nèi)多臺充電機運行時必然會向電網(wǎng)注入大量諧波電流；由于大功率直流充電機前級整流器常采用高頻開關(guān)器件，運行過程中還會向電網(wǎng)引入2～150 kHz范圍內(nèi)的超高次諧波[4-5]。同時，電動汽車充電設(shè)施接入電網(wǎng)的電氣環(huán)境復(fù)雜，諧波發(fā)射特性與實驗室測試存在明顯差異，因此，通過現(xiàn)場測試方式研究充電機的諧波發(fā)射特性，對于充電設(shè)施規(guī)劃、電動汽車的推廣具有重要意義。

針對電動汽車充電機的諧波特性，國內(nèi)學(xué)者從仿真和現(xiàn)場實測兩方面開展了一些研究。文獻[6]建立了單臺不控整流型充電機和充電站的仿真模型，以諧波電流總畸變率為指標(biāo)，分析了單臺充電機發(fā)射水平隨功率變化的規(guī)律，文獻[7]同樣以不控整流型充電機為研究對象，通過現(xiàn)場測試分析充電站對電網(wǎng)諧波的影響，并提出了相應(yīng)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測和諧波治理方案。文獻[8]和文獻[9]分別以車載充電機和大功率充電機為對象，搭建了脈寬調(diào)制整流充電機的仿真模型，分析其2 kHz 以下的諧波特性。文獻[10]針對帶有兩電平脈寬調(diào)制整流器的電動汽車充電機，通過仿真及實測結(jié)果證實了超高次諧波頻譜特征，初步分析了充電機超高次諧波的發(fā)射特性。國外對于充電機的諧波問題已有較多研究成果。文獻[11]基于對城市居民住宅的實測數(shù)據(jù)，分析車載充電機對諧波、超高次諧波的影響，并分析了超高次諧波的次生發(fā)射現(xiàn)象[12]。文獻[13]則在理想電壓源情況下，針對交直流一體充電機的超高次諧波發(fā)射特性與運行狀態(tài)相關(guān)性展開測試，研究其特征頻率在充電過程中的變化規(guī)律。綜上所述，目前仿真分析和實驗室測試仍然是電動汽車充電設(shè)施諧波發(fā)射特性的主要研究手段。如能與現(xiàn)場測試的結(jié)果相結(jié)合，在充電機的諧波發(fā)射特性、諧波抵消效應(yīng)和超高次諧波發(fā)射特性等方面進行分析，將能更全面地掌握電動汽車充電設(shè)施的諧波發(fā)射特性。

為此，本文以對某市4 座充電站中3 個品牌5種類型直流充電機開展了現(xiàn)場測試工作，并通過測試結(jié)果分析，研究直流充電機的諧波發(fā)射特性。首先介紹了充電機的電氣接線、測試方法和測試點的選取和現(xiàn)場測試實施等基本情況；其次基于測試結(jié)果，分析了充電機的功率變化特點及其與諧波發(fā)射水平的關(guān)系，并分析了總需求電流畸變率（total demand distortion，TDD）和總電流諧波畸變率（total harmonic distortion of current，THDi）等指標(biāo)在不同負(fù)載率下的變化情況，給出了評估指標(biāo)的建議；然后分析了不同類型充電機在最大功率下的諧波電流值、TDD 和THDi等指標(biāo)，并與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進行了對比，給出了標(biāo)準(zhǔn)限值的建議；之后分析了不同類型充電機的諧波電流相位分布，以得到諧波電流抵消效應(yīng)，給出了充電站的規(guī)劃布置建議；最后，對比了不同類型直流充電機超高次諧波發(fā)射特性，并重點分析了某充電站內(nèi)發(fā)生的超高次諧波次生發(fā)射現(xiàn)象。

1 測試情況

1.1 測試對象

本文選取某市4 座汽車充電站內(nèi)的5 種充電機作為測試對象，基本信息見表1，共包含3 個品牌和5 個類型，額定電壓均為380 V，額定功率分別為120 kW 或180 kW。

表1 充電機參數(shù)Table 1 Parameters of charger

1.2 測試與分析方法

充電機接線示意圖見圖1，CB1為配電箱進線斷路器，CB2、CB3為配電箱出線斷路器，分別連接至兩個相同類型的充電機。根據(jù)GB/T 29316—2012[14]對充電機電能質(zhì)量檢測的要求，將兩臺充電機電源進線側(cè)設(shè)置為測試點1 和測試點2，將配電箱的進線處設(shè)置為測試點3。在測試點1 和測試點2 采用PS1000，在測試點3 采用PQ-Box 300 記錄諧波信息，記錄間隔為1 min。

圖1 充電機測試接線示意圖Fig.1 Wiring schematic diagram of charger test

1.3 現(xiàn)場測試

所選充電站主要是為公共交通工具充電，因此現(xiàn)場測試時段為21：45 至次日6：45。測試期間充電站內(nèi)除充電機外無其他大型負(fù)載運行。共進行了11 組測試，現(xiàn)場見圖2。

圖2 現(xiàn)場接線Fig.2 Wiring at site

2 諧波發(fā)射特性分析

2.1 諧波發(fā)射水平與功率的關(guān)系

為研究諧波發(fā)射水平與充電功率間的關(guān)系，本文分析了充電機在充電全過程中的功率變化特點。圖3 為測試中所有類型充電機負(fù)載率的變化情況。充電時段內(nèi)，充電機的負(fù)載率一般都在80%以上。

圖3 5臺充電機的負(fù)載率變化情況Fig.3 Load rate variation of 5 sets of chargers

所測試的充電機均可以同時為多臺電動汽車充電。圖4 為在充電機連接不同數(shù)量的電動汽車時，不同類型充電機負(fù)載率的分布情況。僅接入1輛汽車充電時，負(fù)載率視充電機及EV 類型不同分布在16%-96%之間；為多于1 輛汽車電時，充電機負(fù)載率始終高于80%。

圖4 接入不同數(shù)量EV時充電機負(fù)載率分布Fig.4 Load rate distribution of chargers with connection of different number of EV

以A 相電流為例，繪制所有測試的TDD 與負(fù)載率的散點圖，按照充電機類型進行分類，結(jié)果見圖5。從整體上看，TDD 會隨著充電功率的增大而增大。以充電機B2為例，其負(fù)載率分別為60%、80%、100%時對應(yīng)的TDD 約為1.5%、2%、2.5%。但在某個功率水平下，充電機的TDD 值會發(fā)生微小的變化，這由外部電氣環(huán)境變化造成的。

圖5 充電機負(fù)載率-TDD散點圖Fig.5 Scatter plot of TDD depending on load rate

充電機A2和C1在不同負(fù)載率時的TDD 和THD見圖6（a）和圖6（b）所示。隨著負(fù)載率增大，TDD增大，THD 則呈下降趨勢。對于C1充電機，當(dāng)其負(fù)載率接近20%時，其THD 超過10%，而TDD 僅為1.7%，這說明采用TDD 作為評估指標(biāo)更能反映充電機諧波電流發(fā)射水平。

圖6 不同負(fù)載率下的TDD與THDFig.6 TDD and THD at different load rates

2.2 諧波電流特性分析

選取充電機最大功率時的2～19 次諧波電流最大值進行分析，其頻譜見圖7，主縱坐標(biāo)為諧波電流與基準(zhǔn)電流（額定電流）比值，次縱坐標(biāo)為THD 的百分值。從整體上看，5 個類型的充電機諧波電流發(fā)射特性存在明顯差異。除B1外，其余充電機產(chǎn)生的諧波電流最大分量為5 次或7 次，與額定電流的比值約為2%。充電機C1存在明顯的11 次諧波電流，與額定電流的比值約1.8%。5 種類型的充電機均產(chǎn)生偶次電流諧波，其中充電機B1的4 次諧波電流是最大的諧波分量，與額定電流的比值超過2.5%。A1存在明顯的2 次和12 次諧波電流，B1存在明顯2次諧波電流。

圖7 諧波電流頻譜Fig.7 Harmonic currents spectrum

GB/T 29316—2012 規(guī)定電動汽車在額定工況下THDi應(yīng)小于8%，各次諧波電流應(yīng)滿足GB/T 14549—1993 要求[14]。5 種類型充電機在近似額定工況下的THDi和各次諧波電流均符合國標(biāo)要求，但部分充電機無法獲得額定工況下的THDi。根據(jù)北美標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd 519—2014 對各次諧波限值的要求（見圖中陰影），充電機的奇次諧波電流均滿足要求，但A1和B2的2 次諧波電流、B1的4 次諧波電流和A1的12 次諧波電流均越限。因此在國家標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)完善電動汽車充電機接入電網(wǎng)時對各次諧波電流的要求。

2.3 諧波抵消效應(yīng)

當(dāng)充電站內(nèi)多臺充電機同時運行時，可能由于不同充電機之間諧波電流相位的差異而發(fā)生一定的抵消效應(yīng)。對S33 個測試點的A 相5 次諧波電流有效值進行分析，其變化情況見圖8。測試點3處的諧波電流與測試點1、測試點2 的諧波電流之和基本相等。由于兩臺充電機類型和電氣環(huán)境相同，因此諧波電流相位差異很小，未出現(xiàn)諧波抵消現(xiàn)象[15]。

圖8 充電機B2的5次諧波電流有效值變化情況Fig.8 Variation of 5th harmonic current（RMS）of the charger B2

所有類型充電機5 次及7 次諧波電流的相位分布情況見圖9。

圖9 諧波電流相位分布Fig.9 Phase distribution of harmonic current

對于5 次諧波，充電機B2諧波電流相位在第4象限，其他充電機的諧波電流相位則均分布于第3象限；對于7 次諧波，所有充電機諧波相位都在90°～150°之間。因此，充電機B2與其他類型的充電機在5 次諧波電流上具有抵消效應(yīng)。在進行充電站設(shè)計規(guī)劃時，若將具有諧波電流抵消效應(yīng)的充電機安裝到同一母線，可以有效減少充電站向電網(wǎng)注入的諧波電流。

3 超高次諧波發(fā)射特性分析

3.1 超高次諧波發(fā)射特性

記錄不同類型充電機超高次諧波電壓的CP95值，A 相的超高次諧波電壓頻譜見圖10。充電機C1在22 kHz 和24 kHz 頻率處的幅值最大，分別為0.16 V 和0.06 V；其他充電機的諧波發(fā)射主要集中在46～50 kHz 范圍內(nèi)，其中A2、B1、B2在48 kHz 處的幅值最大，均超過1 V，充電機A1在50 kHz 處的幅值最大，為0.34 V。由此可知，不同類型的充電由于采用的開關(guān)器件和控制策略不同，超高次諧波的發(fā)射特性也不同。

圖10 充電機超高次諧波頻譜（10-50 kHz）Fig.10 Ultra high harmonic spectrum of charger（10-50 kHz）

表2 為根據(jù)測試數(shù)據(jù)得到5 種充電機的主導(dǎo)頻率及相應(yīng)的諧波電壓幅值。從圖中可見，除充電機A1外，其他充電機的超高次諧波電壓雖然三相主導(dǎo)頻率相同，但幅值存在較大差異。

表2 充電機主導(dǎo)超高次諧波電壓頻率與幅值Table 2 Ultra high harmonic voltage frequency and amplitude dominated by chargers

3.2 超高次諧波的次生發(fā)射

當(dāng)站點安裝有不同類型充電機，由于彼此間電氣距離短，可能會引發(fā)超高次諧波的次生發(fā)生問題。在站點S1開展測試時，測試點3 處的48 kHz、50 kHz 超高次諧波電壓幅值變化情況見圖11。測試對象為充電機A1，但與之相鄰處有充電機A2工作。圖中標(biāo)出了A1和A2的充電起止時刻。在A1及A2均未開始充電時，48 kHz 和50 kHz 諧波電壓幅值接近0；在相鄰的A2開始充電后，測試點3 處的48 kHz 諧波電壓幅值從0 增大至0.2 V；當(dāng)A1開始充電以后，48 kHz 諧波電壓幅值降低至0.1 V 左右，50 kHz 諧波電壓幅值從0 增大至0.3 V；A1充電機停止運行后，50 kHz 諧波電壓幅值降至0，48 kHz諧波電壓再次增大至0.2 V 左右；直至相鄰的A2充電機也停止充電后，48 kHz 的超高次諧波電壓幅值降低至0。

圖11 測試點3處超高次諧波變化情況Fig.11 Variation of ultra high harmonic at 3 test points

根據(jù)表2 可知，A1的超高次諧波頻率主要體現(xiàn)為50 kHz，而A2的超高次諧波頻率主要體現(xiàn)在48 kHz，因此，測試點3 處的48 kHz 頻段的超高次諧波，實際上來自于A2充電機的次生發(fā)射。

4 結(jié)語

本文通過對電動汽車充電站中的直流充電機展開現(xiàn)場測試，基于實測數(shù)據(jù)進行分析，研究了充電機的諧波發(fā)射特性。主要結(jié)論如下：

1）不同類型充電機諧波發(fā)射特性存在明顯差異，且充電機負(fù)載率越大，產(chǎn)生的諧波電流越大，并與外部電氣環(huán)境關(guān)系密切。

2）部分充電機無法獲得額定工況下的THDi，且存在單次諧波超過IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，因此建議國家標(biāo)準(zhǔn)采用TDD 作為評估指標(biāo)，并完善對單次諧波的限值要求。

3）充電站中安裝不同類型充電機時可能會造成超高次諧波的次生發(fā)射問題，安裝同一類型充電機時又無法發(fā)揮諧波抵消效應(yīng)，因此應(yīng)充分考慮不同類型充電機的諧波發(fā)射特性，在規(guī)劃設(shè)計過程中減少充電站造成的諧波污染。