基于电动汽车充电机的谐波特性及抑制措施的分析

基于电动汽车充电机的谐波特性及抑制措施的分析

董晨叶建德

(南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司江苏南京211106)

摘要：由于纯电动汽车具有零排放和零污染特点，被政府大力推广。针对电动汽车充电需求问题，国家出台了相应的政策。目前，城市中的充电站主要建设在居住小区、大型购物中心、可停车的路边地、单位写字楼、公共停车场等。充电机向电动汽车电池充电，需要使用非线性电力电子器件，在电力系统中作为非线性负载会带来相关的电能质量问题，其中谐波问题就是一个亟待解决的问题。目前，国内外针对充电站的谐波问题研究主要集中在充电站谐波特性分析和充电站谐波抑制方法。基于此，本文主要对电动汽车充电机谐波特性及抑制进行分析探讨。

关键词：电动汽车；充电机；谐波特性；抑制

1、引言

随着能源危机和环境污染的加剧，如何高效、清洁地利用能源变得尤为重要，电动汽车是新能源汽车工业发展的重要方向之一，作为电网与电动汽车接口的充电站是电动汽车的重要配套设施。充电机是电动汽车充电站的重要组成部分，充电机为非线性设备，在充电过程中会产生大量的谐波电流，会严重影响电网的正常运行，增加输电线路电能损耗、影响功率因数、降低继电保护的可靠性、干扰控制系统稳定工作等。因此，对充电机谐波特性及抑制方法的研究对今后大规模充电站的建设、提高电网质量等具有重要意义。

2、电动汽车充电机特性分析

充电机的一般原理框图如图1所示。

图1充电电源原理图

从变压器来的3相交流电压，经过3相整流桥整流和电容滤波变成直流电压，高频逆变桥在控制电路的控制下，根据设定电路的给定值，将此直流电压变换为宽度可变的高频方波，经高频变压器隔离变换后，由高频整流滤波器滤波，得到所需的直流电压。输出电路采用LC滤波电路，在额定功率下，将输出电压纹波限制在允许范围内。

电动汽车充电机是一种非线性设备，工作时产生的谐波电流很高。谐波对电力系统的影响可以归结为损耗增加、设备过热及寿命损失、对继电保护、控制和通信电路的干扰等，同时会造成电流畸变、电压畸变，进而影响公用电网中其他用电设备的正常运行。谐波治理常采用两种途径:抑制谐波源和保护被干扰对象。

3、充电机谐波抑制措施

3.1抑制谐波源

谐波频率和整流装置密切相关，增加充电机的整流脉动数，可以有效降低谐波的含有量。另外，采用PWM整流，不仅可抑制谐波，还可提高功率因数，实现能量的双向流动。采用PWM整流技术的充电机能够实现电动汽车与电网互动，未来的发展前景十分光明。

3.2保护被干扰对象

电网作为被谐波干扰的对象，可在电网中直接加滤波器来达到治理谐波的目的。目前，常采用的方法是加装有源电力滤波器。在设计滤波器时应该主要针对5次、7次、11次、13次谐波进行治理。

由于非线性负荷的谐波成份复杂，而且随着负荷特性的改变而改变，采用有源电力滤波器能很好地解决这一问题。有源电力滤波器最大的特点是能对变化的谐波进行快速的动态跟踪，它根据负荷的谐波进行动态补偿，能有效滤去高次谐波，是谐波治理的理想的装置。电动汽车充电机对电能质量的影响主要体现在谐波污染。一个拥有大量充电机的充换电站，则会对供电系统的电能质量造成更大的影响。为了消除和抑制对公用电网的污染，有必要对充电机产生的谐波进行测试和分析。

4、充电站谐波机理分析及抑制方法

4.1充电站谐波机理分析

一般情况下，一个充电站内有多台充电机同时运行，而电网需要向充电站提供N台充电机输入电流的总和。因充电机输出功率发生变化时，输入电流任意一次谐波幅值和相角都将变化，即输出功率不同的充电机产生的同次谐波、尤其是高次谐波有时可相互抵消，这对降低充电站电流总谐波畸变率起到积极作用。

对于任意谐波源负荷，当负荷间存在相位差时，便会存在谐波抵消现象。一般来说，相位差越大，抵消效果越明显。在一个充电周期内，由于充电功率的时变性，充电机的各次谐波相位也是不断变化的。对于充电机这一负荷，谐波相位的差异本质上是由于其充电功率的时变造成的。因此，通过理论分析可知，当各台充电机的充电功率不同时，将必然会发生一定程度上的谐波抵消现象。

对于非车载充电机构成的充电站谐波问题可以从以下两个角度解决:

（1）从整流充电机的整流环节上做出改进，即从谐波发生源进行治理;

（2）加入滤波装置对充电站谐波进行集中治理。

4.2谐波抑制方法

（1）改进充电机整流方法抑制谐波

通过分析3相不控整流充电机产生的谐波特性时发现，不控整流脉波数量会影响充电站谐波含量，当脉波数增加时谐波含量减小，因此可以通过提高充电机的脉波数来降低充电站谐波含量;另一种方法通过采取PWM整流电路，将普通的整流电路中的不可控电力电子器件替换为全控的器件，并采用SPWM技术控制全控器件的导通或关断。目前的PWM整流充电机以3相半桥VSＲ拓扑结构使用最广泛。施加在3相桥臂的调制信号为相位互差120°的3相对称正弦波，并且幅值与频率均相同。

（2）加入滤波器进行谐波抑制

加入滤波器集中治理充电站谐波问题的方式主要有两种:有源滤波方式和无源滤波方式。无源滤波方式通常采用电力电容器、电抗器和电阻器进行适当的串并联组成无源滤波器进行滤波。其一旦制成，性能参数难以改动，难以满足充电站动态谐波治理的要求。有源滤波器则是通过谐波电流检测算法和电流跟踪控制算法，利用由可控的功率半导体期器件组成的PWM变流器向电网注入与负载谐波电流幅值相等、方向相反的电流，从而达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，有源滤波器具有自适应功能，能够自动跟踪变化的谐波。

根据对充电站谐波特性的研究，电动汽车充电过程中谐波含量变化较大，并且伴随着车辆的接入和离开，有源滤波器由于对谐波变化有更好的动态补偿特性，相较于无源滤波器谐波治理效果更好。

5、结语

电动汽车充电站谐波主要由充电机产生，非车载充电机由于含有有源功率因数矫正环节，造成的总谐波含量约为3．32%，满足谐波的相关标准要求。因3相不控整流环节的存在，车载充电机造成的谐波含量高达40%，需要采用谐波抑制方法解决。本文主要分析了电动汽车充电机谐波特性及抑制措施，对电动汽车充电站谐波机理与抑制方法的探讨。

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