一種充電樁諧波治理裝置的研制

蔣鵬為 楊俊燁 林懷德

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局）

0 引言

當(dāng)下，新能源汽車發(fā)展迅速，然而新能源汽車的充電勢必對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響，特別是諧波方面不容忽視。研制充電樁諧波治理裝置，就是要未雨綢繆，在電動汽車大規(guī)模影響配電網(wǎng)絡(luò)前，對這類新出現(xiàn)的負荷進行有效研究，杜絕其對配網(wǎng)線路和設(shè)備產(chǎn)生不良影響，保證新能源汽車的綠色環(huán)保優(yōu)勢和配電網(wǎng)的安全。

1 概述

目前充電樁主要有直流和交流兩種形式，兩種充電樁在充電過程中都會產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流，進而對配電網(wǎng)的電能輸送質(zhì)量產(chǎn)生影響，極端的甚至?xí)斐膳潆娫O(shè)備跳閘和燒壞。

直流樁一般功率較大，常見的為100kW 左右，一般設(shè)計在專用的電動車充電場地，常見的有高速公路服務(wù)器、城市電動公交車站場、收費充電停車場等，直流樁的體積一般較大，占地較多，相應(yīng)的設(shè)計也較為完善，自身可以處理充電時產(chǎn)生的諧波，一般來說對電網(wǎng)不會產(chǎn)生較大的危害；而交流充電樁一般采用單相供電，功率為7kW 左右，其充電原理是采用車載充電機將交流電整流成直流，進而給車載電池充電，因為交流充電樁體積小，占地少，一般小區(qū)的停車場內(nèi)采用的都是交流充電樁，我們研發(fā)的裝置，主要針對的就是城市小區(qū)內(nèi)的交流充電樁。

2 理論分析

諧波對電網(wǎng)的運行存在一定的危害，由于充電樁所帶負荷一般為非線性負荷，所以在充電過程中，整流器將會產(chǎn)生一定的高次諧波，通過零線，注入電網(wǎng)；影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，進而產(chǎn)生一些不好的影響，比如增加輸電線路電能損耗、降低功率因數(shù)、降低配電無功補償設(shè)備壽命、降低繼電保護的可靠性、干擾控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作等。

實際中交流充電樁對應(yīng)的車載常用的三相橋式整流型電路的理想等效模型如圖1 所示，利用傅里葉諧波分析理論對該模型產(chǎn)生的諧波進行理論分析，得出諧波的規(guī)律為：充電整流電路是半波對稱的，所以無偶次諧波，主要為奇次諧波，僅含6k±1（k為正整數(shù)）次諧波，即5、7、11、13、17、19 次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

圖1 三相橋式整流型電路的理想等效模型

根據(jù)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549—1993）等國家標準要求，公共連接點注入的諧波電流分量允許值如表1 所示。

表1 諧波電流分量允許值

當(dāng)公共連接點處的最小短路容量不同于基準短路容量時，上表中的諧波電流允許值按以下公式進行換算。

考核點的最小短路容量Sk1不同于假定基準最小短路容量Sk2時，應(yīng)按照國標附錄B 進行換算，換算公式如下：

式中，Sk1為實際公共連接點的最小短路容量，MVA；Sk2為基準短路容量，MVA；Ihp為國標表6-2中的第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，A。

經(jīng)過實際驗證發(fā)現(xiàn)充電樁諧波問題真實存在，有改良和治理的必要，為此，提出進行一種充電樁諧波治理裝置的研制。

3 典型場景

為配合充電樁諧波治理裝置的研制，選取廣東某區(qū)供電局下轄城鎮(zhèn)住宅小區(qū)（某光小區(qū)A 和某城小區(qū)B）內(nèi)的公用配電網(wǎng)進行研究。

根據(jù)配電系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和用電客戶反饋，這兩個小區(qū)曾經(jīng)在夜晚10～11 點左右發(fā)生配電開關(guān)跳閘事件，并導(dǎo)致小區(qū)部分區(qū)域停電，居民意見比較大。

翻查后臺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生跳閘事件的當(dāng)天，小區(qū)內(nèi)的負荷較為正常，并未出現(xiàn)過負荷的現(xiàn)象，因此也就不存在長時間過負荷引起開關(guān)設(shè)備觸發(fā)長延時電流保護跳閘，同時，變壓器的三相負載也是較為均衡的，不存在中性線電流過大的問題，從而引發(fā)中性點保護跳閘的問題。接著又通過搖絕緣試驗和外觀檢查排除了配電設(shè)備本身的質(zhì)量問題。

繼續(xù)排查系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)在某光小區(qū)A 里，在近期新增了一部分充電樁專用電表，這些電表有些為單相，報裝容量7kW；有些為三相交流快充充電樁，使用的是三相電表，報裝容量為15kW。經(jīng)過統(tǒng)計，在A 小區(qū)里，發(fā)生開關(guān)跳閘事件的臺區(qū)下，一共有11戶報裝了充電樁專用電表，總的報裝容量為125kW。因為充電樁專用電表可以享受峰谷電價，因此，大多數(shù)充電樁的用戶都是在電壓低谷，也就是晚上10 點以后開啟電動車充電的，與發(fā)生開關(guān)跳閘存在時間上的關(guān)聯(lián)。

因此重點懷疑是充電樁用戶使用的同期率較高，在差不多同一時間開啟非線性負荷的充電工作，會引起諧波電流耦合振蕩，在配電網(wǎng)的零線上造成較多的諧波電流通過，從而引發(fā)開關(guān)設(shè)備的中性線電流保護跳閘。

選取晚上8 點半至第二天的凌晨4 點左右，測試地點為各交流充電樁接入的公用配電站內(nèi)，低壓母線A、B、C 相線上的電流值。采用的測試設(shè)備為日置（HIOKI）3198 電能質(zhì)量分析儀。A 小區(qū)電流諧波的測試結(jié)果如表2 所示。

表2 A 小區(qū)電流諧波的測試結(jié)果

結(jié)果顯示，在被測小區(qū)中，諧波電流主要存在于3、5 次中，其中5 次諧波量最大，超過5.75A 的標準電流限值。證實了小區(qū)內(nèi)開關(guān)設(shè)備跳閘是因為存在較大的諧波電流。其中由非線性負荷引起的諧波電流中，5 次諧波的含量最大，也是重點治理的方向。

在B 小區(qū)中，從系統(tǒng)中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)顯示，一共有15 戶報裝了充電樁專用電表，總的報裝容量為185kW，情況較為類似，配網(wǎng)零線中也存在同樣的情況，這就消除了不同品牌設(shè)備對測量結(jié)果的影響。

4 裝置設(shè)計

根據(jù)交流充電樁的不同，本次研制的裝置分為兩種，一種為單相交流充電樁的諧波治理裝置，另外一種為三相交流充電樁的諧波治理裝置，分別適用于不同類型的充電樁。

（1）硬件線路

單相交流充電樁諧波治理裝置的硬件線路圖如圖2 所示，D1為電源側(cè)方向，為公用電房出來的火線和零線，非線性負載代表正在工作的交流充電樁，其在充電時并不是恒定負載，會不定時地釋放諧波電流，所以簡化成一個非線性負載。

圖2 單相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

虛線框內(nèi)為所設(shè)計的諧波治理裝置，其一端和火線相連，另外一端和零線相連，在電路上和非線性負荷構(gòu)成并聯(lián)的關(guān)系。裝置內(nèi)部有三條并行的線路，分別由L，C和R構(gòu)成一個基本的諧振電路，每條諧振支路都可以由控制器單獨開啟，在加入控制器后，諧波治理裝置的運行比較智能，可以根據(jù)非線性負載的工況實時變化，并且在實際運行中，如果L、C或R元件存在故障，在控制器的幫助下，也可以很快檢測出基礎(chǔ)元器件的故障，從而快速切除，避免發(fā)生短路故障。

三相交流充電樁治理裝置的工作方式類似，其內(nèi)部含有過濾不同頻率諧波的元件，分別由不同的控制器控制，該裝置整體接入三相交流電源，具體安裝位置為三相電流表的表前，裝置的控制器可以根據(jù)三相非線性負載開啟不同頻率的濾波元件，減小甚至消除三相不平衡負荷產(chǎn)生的諧波，保證配電網(wǎng)電能質(zhì)量，如圖3 所示。

圖3 三相交流充電樁諧波治理裝置電路圖

對于治理裝置的控制器，采用功能齊全的FPGA開發(fā)板進行研發(fā)，其內(nèi)置多種邏輯控制芯片，是承載治理控制邏輯的良好載體。

選用國產(chǎn)FPGA 開發(fā)板進行研發(fā)，其接口較多，并且容易開發(fā)，在此開發(fā)板上，可以通過加裝RS485模塊，實現(xiàn)與充電樁專用智能電表的通訊功能，通過智能電表的CT，可以檢測出電表后的非線性負荷什么時候開始工作，來決定何時開啟控制器及諧波治理裝置。

（2）控制器控制流程

控制器的軟件控制流程如圖4 所示。

圖4 軟件流程圖

治理裝置的兩端分別接入單相電源的火線和零線，治理裝置的控制器可以和處于裝置后段的智能電表進行通信，通過電表的CT 檢測負載是否開啟，當(dāng)單相交流充電樁開始工作的時候，電表CT 中有電流通過，控制器啟動；而即非線性負載開始產(chǎn)生諧波的時候，控制器開始接通內(nèi)部的部分濾波元件開始濾波，當(dāng)濾波器檢測到還有更高頻次的諧波通過零線時，控制器會開啟更多的濾波器件，降低諧波含量。

（3）裝置應(yīng)達到的技術(shù)參數(shù)

裝置的絕緣電阻：參考《低壓有源電力濾波器技術(shù)規(guī)范》（DL/T 1796—2017）中對絕緣電阻的規(guī)定：裝置中帶電回路之間、帶電回路與裸露導(dǎo)電部件以及帶電回路與地之間的絕緣，應(yīng)采用相應(yīng)絕緣電壓等級（至少 500V） 的絕緣測量儀器測量。測得的絕緣電阻按標稱電壓應(yīng)至少為50MΩ。

裝置的損耗：參考《低壓有源電力濾波器技術(shù)規(guī)范》（DL/T 1796—2017）對設(shè)備損耗的規(guī)定：裝置在額定電壓下按基波無功模式運行，當(dāng)輸出額定電流時，其有功功率損耗應(yīng)不大于裝置額定視在功率的3%。對于所設(shè)計的單相諧波治理裝置而言，其額定功率為7kW，即其有功損耗不大于210W；對于三相諧波治理裝置來說，其額定功率為15kW，即其有功損耗不大于450W。

5 安裝使用

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，A 小區(qū)內(nèi)11 戶充電樁一共有10戶的電表表前可以安裝諧波治理裝置，B 小區(qū)一共有13 戶電表表前有空間和位置，條件允許，也安裝了諧波治理裝置。

在安裝后，也對裝置的安裝效果進行了檢查和試驗，發(fā)現(xiàn)裝置在后段電表不工作時，電阻大于2500MΩ，工作正常，而在后段非線性負荷開啟后，裝置也開始正常工作，功耗僅為50W，達到了設(shè)計要求。

6 效果比較

（1）技術(shù)效益比對

在充電專用電表表前安裝諧波治理裝置后，對設(shè)備的效果開展了效果檢驗。同樣的，測試時間為晚上8 點半至第二天的凌晨4 點左右，測試地點為各交流充電樁接入的公用配電站內(nèi)，低壓母線A、B、C相線上的電流值。采用的測試設(shè)備為日置（HIOKI）3198 電能質(zhì)量分析儀。A 小區(qū)電流諧波的測試結(jié)果如表3 所示。

表3 A 小區(qū)電流諧波的測試結(jié)果

對比以后發(fā)現(xiàn)，諧波治理裝置對充電樁產(chǎn)生的諧波有比較明顯的治理作用，明顯降低了配網(wǎng)線路中電流的諧波畸變率，并提高了該配網(wǎng)臺區(qū)的功率因數(shù)。

（2）社會效益比對

一般來說，充電樁安裝集中的小區(qū)都是服務(wù)意識較高的居民用戶，其對停電事件異常敏感。之前，由于停電的原因尚未摸清，每次跳閘復(fù)電的時間都在1h 左右，每月都會發(fā)生3 起上下，如果所有具備條件安裝充電樁的小區(qū)，同步安裝了充電樁諧波治理裝置，可大大降低停電事件的發(fā)生次數(shù)，節(jié)約搶修費用、搶修人員的同時，可大大提高供電可靠性，降低停電時戶數(shù)，為保障縣區(qū)供電局作為先鋒模范打造的國內(nèi)供電可靠性一流供電企業(yè)做出貢獻。

7 結(jié)束語

本文通過研發(fā)一種充電樁諧波治理裝置，成功將試點小區(qū)內(nèi)的配網(wǎng)諧波進行了有效治理，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟應(yīng)用前景。而對充電樁諧波的有效治理，有利于提高整套充電系統(tǒng)的效率，減少系統(tǒng)的損耗，保證電能計量的準確性和充電樁通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也使得電動汽車充電裝置能更好地滿足智能電網(wǎng)的要求，從而促進電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。