李 璨

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250000）

由于電動(dòng)汽車具有極好的環(huán)保效能和節(jié)約燃料的特點(diǎn)，使其成為未來(lái)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［1-2］。現(xiàn)階段在國(guó)外市場(chǎng)，混合動(dòng)力汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，純電動(dòng)汽車也已占有一定的市場(chǎng)份額。研究表明，如果電動(dòng)汽車的充電工作在電力負(fù)荷的低谷時(shí)段（如夜間）進(jìn)行，可以有效地改善電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，在提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)達(dá)到環(huán)保、低耗的目的。中國(guó)的電動(dòng)汽車起步較晚，但是發(fā)展較快，在接下來(lái)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)，圍繞電動(dòng)汽車進(jìn)行的研究將與新能源發(fā)電技術(shù)一起成為中國(guó)智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要方面。

為了滿足電動(dòng)汽車電池充電或更換的需要，電網(wǎng)公司和汽車生產(chǎn)商必須建設(shè)廣泛、方便、快捷的電動(dòng)汽車充電站。對(duì)電網(wǎng)而言，充電站的充電機(jī)是一個(gè)非線性負(fù)載，隨著充電工作的進(jìn)行，將給電網(wǎng)注入較大的諧波電流［3-5］，諧波的出現(xiàn)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)一系列的危害。解決充電站的諧波問題，對(duì)于電動(dòng)汽車的推廣有重大意義。

電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)要經(jīng)過一個(gè)整流環(huán)節(jié)，這些整流裝置在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的非正弦周期電流，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。文獻(xiàn)［6-9］分別介紹了12，24和48脈動(dòng)的整流方法，大大減少了電網(wǎng)側(cè)的諧波含量，雖然此類諧波抑制方法有一定效果，但是隨著整流脈動(dòng)數(shù)的增加，使換流變壓器與整流裝置以及附屬設(shè)備的成本升高、接線復(fù)雜、維護(hù)困難；文獻(xiàn)［10］介紹了無(wú)源濾波的方法，無(wú)源濾波器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資較省，但難以達(dá)到較好的濾波效果，且濾波支路與系統(tǒng)的等值阻抗相并聯(lián)，當(dāng)受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化影響時(shí)，容易出現(xiàn)諧振過電壓、電網(wǎng)諧波放大等現(xiàn)象；文獻(xiàn)［11-12］介紹了有源濾波的方法，有源濾波器雖然改進(jìn)了無(wú)源濾波方式的濾波效果，但有源濾波技術(shù)在工程應(yīng)用時(shí)要備有諧波發(fā)生源和大功率晶閘管元器件，還要配有跟蹤控制和脈寬調(diào)制系統(tǒng)，雖濾波效能優(yōu)越，但成本費(fèi)用高，技術(shù)難度大；文獻(xiàn)［13］利用移相電抗器進(jìn)行諧波抑制，此種方法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但是參數(shù)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。

基于此，筆者根據(jù)電動(dòng)汽車充電站的基本特點(diǎn)，考慮同時(shí)充電汽車數(shù)量與充電時(shí)段，設(shè)計(jì)出以三相不控整流（6脈動(dòng)整流）裝置為基礎(chǔ)，利用供電變壓器的繞組接線方式形成了12脈動(dòng)諧波抑制效果的雙6脈動(dòng)整流電源供電方式，在保證電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，無(wú)需額外裝設(shè)濾波裝置，大大降低了諧波抑制成本，這一方法將有利于電動(dòng)汽車的推廣。

1 電動(dòng)汽車充電站的諧波分析

根據(jù)目前的電動(dòng)汽車充電機(jī)的工作原理可將充電機(jī)分為3類：①由三相不控整流與斬波器組成；②由三相不控整流與DC／DC變換器組成；③由PWM整流與DC／DC變換器組成。

第1類充電機(jī)屬于早期產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)外充電站中較少使用，雖然其直流側(cè)的紋波小，動(dòng)態(tài)性能佳，但是這類充電機(jī)會(huì)對(duì)電網(wǎng)注入大量的諧波電流，網(wǎng)側(cè)的電流畸變率可達(dá)90%，大大增加了濾波成本，顯然此類充電機(jī)不適合接入電網(wǎng)。

第2類充電機(jī)是目前廣泛采用的方式，電網(wǎng)三相交流電經(jīng)三相橋式不控整流電路進(jìn)行整流，平波后將直流電供給高頻DC／DC功率變換電路，再經(jīng)濾波電路為電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池充電，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型充電機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of typical battery charger

此類充電機(jī)中，經(jīng)過直流側(cè)平波電路平波作用后，直流電壓的紋波小，且交流側(cè)電流諧波含量小，主要諧波次數(shù)為6k±1（k=1，2，...），總的諧波畸變率可達(dá)30%以下，較第1類充電機(jī)有較大的改善，但是仍不滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求，必須對(duì)其采取諧波抑制措施。

第3類充電機(jī)利用了三相PWM整流方法來(lái)抑制電網(wǎng)側(cè)的諧波，這是一種新型的充電方法，網(wǎng)側(cè)電流畸變率可小于5%，充電過程中無(wú)需裝設(shè)濾波裝置，但是PWM整流方法要求開關(guān)器件能在高頻下工作，開關(guān)電能損耗大，發(fā)熱溫升問題嚴(yán)重，而且控制復(fù)雜、成本高，難以用于大容量場(chǎng)合。

2 諧波抑制原理分析

文獻(xiàn)［7-10］提出的多脈動(dòng)移相疊加整流方法是按一定的規(guī)律將2個(gè)或多個(gè)（通常為偶數(shù)個(gè)）變流器進(jìn)行組合，通過移相變壓器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行移相，使得各個(gè)整流橋輸入電壓存在一定的相位差，從而獲得整流負(fù)載電流之間的相位差，不同相位差的整流負(fù)載電流在電網(wǎng)側(cè)的疊加，可以使某些次諧波相互削弱或抵消，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流的正弦化矯正。這類方法的最大缺陷是多組換流變壓器與整流電路向一個(gè)功率變換電路供電，成本較高?，F(xiàn)考慮能否在保持電網(wǎng)側(cè)電流波形不變的前提下，利用將多脈動(dòng)整流電路中的多組整流器向不同的功率變換電路供電，實(shí)現(xiàn)多脈動(dòng)整流電路的多直流電源供電。多脈動(dòng)整流電路分組運(yùn)行后，電網(wǎng)側(cè)的諧波電流能否保持抵消狀態(tài)是此方法可行的核心問題。為達(dá)這一目的，就必須要求受電側(cè)的多個(gè)功率變換電路要同時(shí)工作才能進(jìn)行諧波抵消，也就是說要有多輛電動(dòng)汽車同時(shí)充電。

考慮到充電站的實(shí)際特點(diǎn)與電網(wǎng)電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，確定利用12脈動(dòng)整流的方式，這種方式與傳統(tǒng)的12脈動(dòng)整流有較大差異，通過Y／Y與Y／Δ變壓器向2組不控整流電路供電，以雙電源的形式給電動(dòng)汽車充電，其整流電路不參與電壓、電流調(diào)節(jié)，最大限度地降低了充電電路的成本與運(yùn)行維護(hù)的工作量，直流電壓、電流的調(diào)節(jié)可通過DC／DC功率變換電路進(jìn)行，調(diào)節(jié)更為方便，只需更改其控制方式。這種將12脈動(dòng)整流分組運(yùn)行的方式較傳統(tǒng)的12脈動(dòng)晶閘管半控整流結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、控制更方便、價(jià)格更低廉。分組運(yùn)行后，雖然2個(gè)整流電路直流側(cè)的紋波含量增大，但是直流紋波的消除方法相對(duì)簡(jiǎn)單，通過調(diào)節(jié)平波電路的電抗與電容即可使直流電壓、電流的紋波含量達(dá)到要求。

2.1 Y／Y變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形分析

當(dāng)Y／Y變壓器向三相不控整流供電時(shí)，電路如圖2所示。

以A相電路為例分析變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時(shí)電流近似為方波波形，忽略電流的初相位，標(biāo)幺值形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

圖2 Y／Y變壓器供電電路Figure 2 Circuit diagram of Y／Y transformer power supply

式（1）是一個(gè)T=2π／ω的周期函數(shù)展開，其傅立葉級(jí)數(shù)：

式中

則

則

從式（3）可以看出，Y／Y變壓器向不控整流負(fù)載供電時(shí)，電源側(cè)即原邊電流會(huì)有波形畸變，主要諧波為特征諧波，次數(shù)為6k±1。

2.2 Y／Δ變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形分析

當(dāng)Y／Δ變壓器向三相不控整流供電時(shí)，電路如圖3所示。

圖3 Y／Δ變壓器供電電路Figure 3 Circuit diagram of Y／△transformer power supply

以A相電路為例分析變壓器電網(wǎng)側(cè)電流波形，此時(shí)電流近似為“品”字型波形，標(biāo)幺值形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

展開傅立葉級(jí)數(shù)為

式中

則

則

可以看出，Y／Δ變壓器向不控整流負(fù)載供電時(shí)，電源側(cè)即也會(huì)有波形畸變，主要諧波次數(shù)為6k±1，與Y／Y變壓器相同。

從式（3）、（6）可知，Y／Y與Y／Δ變壓器的網(wǎng)側(cè)電流諧波次數(shù)與大小相同，而且6k±1（k=1，3，…）次諧波正負(fù)相反，如果2個(gè)電流疊加，可相互抵消，只剩下6k±1（k=2，4，…）即12k±1（k=1，2，…）次諧波，電網(wǎng)側(cè)總電流形式為

利用Y／Y與Y／Δ變壓器分別向2個(gè)不控整流電路供電，疊加后的電網(wǎng)側(cè)電流中的5，7次諧波保持抵消狀態(tài)，電流中只含有少量的12k±1（k=1，2，…）次諧波，由于各次諧波與基波有效值的關(guān)系為

電流中隨著諧波次數(shù)的增大，諧波有效值減小，故雖然2個(gè)電流的12k±1（k=1，2，…）次諧波也有疊加，但是其有效值較小，對(duì)電流波形的影響不大，實(shí)現(xiàn)了基于Y／Y與Y／Δ變壓器的諧波抑制方法。

3 充電站運(yùn)營(yíng)模式分析

電動(dòng)汽車充電站的運(yùn)營(yíng)模式應(yīng)基于電力市場(chǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)環(huán)境下，充電汽車的充電量按很短時(shí)間間隔（如以小時(shí)為單位）進(jìn)行定價(jià)，根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，在負(fù)荷低估時(shí)段電價(jià)下浮，高峰時(shí)段上漲。電網(wǎng)調(diào)度部門可依據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)的情況對(duì)第2天充電電價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)，供用戶參考。

根據(jù)該文提出的諧波抑制方法，充電站布置如圖4所示，為使各充電機(jī)的諧波互不影響，電網(wǎng)以多母線形式供電，每段母線分別為1臺(tái)Y／Y與1臺(tái)Y／Δ變壓器供電，同一母線上的2臺(tái)充電機(jī)同時(shí)進(jìn)行充電。由于充電站的汽車具有流動(dòng)性的特點(diǎn)，并不能保證每條母線上都有2輛汽車同時(shí)充電，所以可對(duì)單輛汽車充電與2輛汽車充電電價(jià)進(jìn)行劃分，單輛充電時(shí)電價(jià)上浮，用戶需繳納諧波污染費(fèi)，2輛充電時(shí)電價(jià)相對(duì)較低。

圖4 電動(dòng)汽車充電站布置Figure 4 Arrangement of battery charging station electric vehicles

除此之外，由于電動(dòng)客、貨車與電動(dòng)轎車的電池容量大小不同，充電站中應(yīng)該配置不同類型的充電機(jī)，但是同一母線上的充電機(jī)應(yīng)型號(hào)相同，或者充電機(jī)的功率變換電路設(shè)成能夠根據(jù)汽車類型不同進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述分析，實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示，電網(wǎng)分別通過Y／Y與Y／Δ變壓器向2個(gè)不控整流電路供電，為分析簡(jiǎn)便，2個(gè)整流電路的直流負(fù)載為大小相同的電阻。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路Figure 5 Experimental circuit diagram

用示波器分別測(cè)量Y／Y與Y／Δ變壓器的電壓、電流，其波形如圖6，7所示，并利用示波器分析電流的諧波含量，如表1所示。實(shí)驗(yàn)表明，Y／Y與Y／Δ變壓器的電網(wǎng)側(cè)電流總畸變率THD與各特征諧波含有率大致相同，驗(yàn)證了前文的分析。

圖6 Y／Y變壓器電網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形Figure 6 Voltage and current diagram of Y／Y transformer in power grid

圖7 Y／Δ變壓器電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Figure 7 Voltage and current diagram of Y／△transformer in power grid

表1 電網(wǎng)側(cè)電流諧波含有率Table 1 Harmonic percentage of current in power grid

用示波器測(cè)量電網(wǎng)側(cè)總電壓、電流波形與諧波含有率，如圖8，表2所示。實(shí)驗(yàn)表明，2組整流電路的5，7，17，19次等諧波可以在電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行有效削弱，其沒有完全抵消是由于2組整流電路直流側(cè)電阻不一定完全相等，而且Y／Y與Y／Δ變壓器的繞組匝數(shù)有誤差，再加之電網(wǎng)電流含有一定的固有諧波，若在器件制作工藝以及電網(wǎng)環(huán)境理想的狀態(tài)下可以完全抵消。

圖8 電網(wǎng)側(cè)總電壓、電流波形Figure 8 Voltage and current waveform in power grid

表2 電網(wǎng)總電壓、電流諧波含有率Table 2 Harmonic percentage of voltage and current in power grid

由于疊加后的基波電流增大，故11，13，23，25次等諧波的疊加對(duì)電流波形的影響并不明顯，所以分組運(yùn)行的12脈動(dòng)整流與傳統(tǒng)的12脈動(dòng)整流的諧波抑制效果相同，電網(wǎng)側(cè)的電流波形得到了明顯的改善，其各次諧波經(jīng)容量換算后，滿足國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》GB／T 14594—93的要求。

以圖4為基礎(chǔ)，結(jié)合圖5，建立一個(gè)實(shí)際的充電站進(jìn)行仿真驗(yàn)證。充電站中裝設(shè)了4組充電機(jī)，即可同時(shí)向8輛汽車充電，其中4輛為電動(dòng)客、貨車，將仿真電路中整流電路直流側(cè)的電阻設(shè)為10Ω，另外4輛為電動(dòng)轎車，整流電路直流側(cè)的電阻設(shè)為15 Ω。8輛汽車同時(shí)充電時(shí)，其電網(wǎng)側(cè)A相電壓、電流波形分別如圖9，10所示。

圖9 電網(wǎng)側(cè)總電壓仿真波形Figure 9 Simulation waveform of total voltage in power grid

圖10 電網(wǎng)側(cè)總電流仿真波形Figure 10 Simulation waveform of total current in power grid

由圖9，10可知，8輛汽車同時(shí)充電時(shí)，電網(wǎng)側(cè)總電壓幾乎為正弦波形，電流大約有8%的波形畸變，這一結(jié)果與前文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。通過仿真可得出：在充電站中無(wú)論正在充電的汽車數(shù)目的多少，只要滿足各組充電機(jī)同時(shí)充電，整流電路的主要諧波即可有效抵消，充電站電網(wǎng)側(cè)母線總電流諧波含量可滿足國(guó)標(biāo)要求；如果某組充電機(jī)單臺(tái)運(yùn)行，其諧波就會(huì)對(duì)母線電流產(chǎn)生影響，而且隨著單臺(tái)運(yùn)行的充電機(jī)增多，其影響越明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)將會(huì)進(jìn)入快速的發(fā)展時(shí)期，電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)的建立將會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)較大的電能質(zhì)量方面的危害，成為影響電動(dòng)汽車普及的重要因素，解決電動(dòng)汽車充電站的諧波抑制問題的意義重大。

筆者提出的基于Y／Y與Y／Δ變壓器的諧波抑制方法，將傳統(tǒng)的12脈動(dòng)整流電路分組運(yùn)行，以2組三相不控整流的形式實(shí)現(xiàn)了雙直流電源充電，在保證電網(wǎng)側(cè)電流波形的前提下，較大程度地降低了諧波抑制成本，這一方法適合在未來(lái)電網(wǎng)中廣泛使用。

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