1、书书书文章编号: 1004 289X( 2015) 06 0023 04不同类型的电动汽车充电站的谐波分析林鑫( 福州大学电气工程与自动化学院， 福建福州350116)摘要: 以电动汽车充电机为研究对象， 利用 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件建立模型对其进行仿真， 对其产生的谐波电流进行分析并利用 LC 无源滤波器进行滤波。分析总结出大型电动汽车快速充电站适合选用双三相桥 12 脉波整流装置的充电机， 小型充电站适合选用三相桥式不控整流装置的充电机。关键词: 电动汽车充电机; 整流装置; 谐波电流; LC 无源滤波器中图分类号: TN713文献标识码: BHarmonic Analy
2、sis of Electric Vehicle Charging StationsLIN Xin( College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University， Fujian 350116， China)Abstract:The PSCAD/EMTDC electromagnetic transient simulation software was used to establish models for the elec-tric vehicle charging machine and simulation ana
3、lysis the harmonic current produced by the charger， then using LC pas-sive filter for filtering. Analysis summed up the large electric vehicle fast charging stations for choose double three phase bridge 12 pulse rectifier device charger， small charging stations for selection of three phase bridge un
4、controlledrectifier device charger.Key words:electric vehicle charging machine; rectifying device; harmonic current; LC passive filter1引言由于电动汽车在节能减排方面的现实需要和化石能源面临枯竭的中远期状况， 国内外的许多汽车厂在积极研究和推广电动汽车1 ， 而中国能源结构和环境治理方面的压力更是促动近期的汽车产业结构调整政策。电动汽车作为一种新型高速发展的交通工具， 在节约能源， 减少污染物排放等方面具有无可比拟的优势。而电动汽车的能源供给设施 电动汽车充电站
5、是电动汽车发展中必不可少的重要环节2 。充电机是电动汽车充电站的主要设备。综合考虑到不同整流装置的电动汽车充电机产生的谐波性质不同， 电动汽车充电机的制造成本， 电动汽车充电站的建设成本及其长远的经济效益， 公用电网各次谐波电流允许值等因数的影响。本文通过 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件， 仿真分析了三相桥式不控整流装置和双三相桥 12 脉波整流装置的电动汽车充电机对电网产生的影响， 并仿真分析了 LC 无源滤波电路的滤波效果3 5 。分析总结了这两种电动汽车充电机的适用范围， 为电动汽车充电站的谐波治理和充电机类型的选择提供参考依据。2充电机仿真模型的建立在 PSCAD/EMTDC
6、 环境下搭建充电机的仿真模型， 包括整流器、 直流侧滤波稳压的电感和电容， 以及负载等效电阻， 建立充电机的仿真模型如图 1 所示。图 1充电机仿真模型图中 L、 C 为滤波电感和电容， L 取 5mH， C 取10F， 为电动汽车电池充电过程的等效负载。32电气开关 ( 2015 No 6)关于 : 本文主要研究不同类型电动汽车充电机对电网产生的影响， 因此可以将处于充电过程中的电动汽车电池视为一个负载。根据文献 6可知， 在充电过程中 是关于时间 t 的变化曲线， 由于负载越轻，即越大， 产生的谐波越大， 基波越小， 所以取 的最小值 23. 5924。3电动汽车充电机对电网的影响3. 1
7、三相桥式不控整流电动汽车充电机对于采用三相桥式不控整流电路的电动汽车充电机来说， 脉波数为 6， 谐波电流主要为 6k 1 次谐波，( k =1， 2， 3) ， 即谐波次数主要是 5、 7、 11、 13 次等。在 PSCAD 中建立 1 台三相桥式不控整流电动汽车充电机的充电站， 仿真模型如图 1 所示。图 21 台三相桥式不控整流电动汽车充电机的充电站从公用电网引入 10kV， 50Hz 的三相交流电源， 经过型号为 S9 250kVA/10kV 0. 4 DYN11 的双绕组变压器降压为 400V， 50Hz， 输入用电末端的电动汽车充电机负荷。由于变压器采用 DYN11 接法， 可以
8、有效地抑制整流器注入三相交流电源的 3n 次谐波( n =1， 2，3， )7 。在 PSCAD 中建立 12 台三相桥式不控整流电动汽车充电机的充电站， 即在图 2 的变压器低压侧并联 12台三相桥式不控整流电动汽车充电机。对比 1 台充电机和 12 台充电机两种情况下， 变压器低压侧电流 Ia波形如图 3 所示。图 31 台充电机和 12 台充电机电流 Ia波形的比较表 11 台充电机与 12 台充电机电流 Ia 各次谐波电流有效值( 单位 A)谐波次数571113171923251 台4. 061. 851. 610. 940. 900. 650. 590. 4712 台46. 6515
9、. 9412. 236. 583. 772. 931. 661. 33通过仿真数据可以看出， 对于采用三相桥式不控整流电路的电动汽车充电机， 三相交流电源各次谐波电流有效值的大小将随着充电机台数的增加而增大。根据国家标准 GB/T 14549 1993 可知， 12 台充电机产生的 5 次谐波电流有效值已达 75. 24%。当注入公共联接点的谐波电流允许值会超过规定限额的75%时， 便不允许负荷接入电网， 因此需要对充电机产生的谐波电流进行治理。本文采用 LC 无源滤波器对充电机产生的谐波进行滤波， 以减小谐波对电网的影响， 从而提高电网的电能质量。将 LC 滤波器接在变压器与充电机之间， 如
10、图 4 所示。图 4 中 LC 无源滤波器的电感 L 和电容 C 的最佳值的求取经验公式如下5 :L =0. 03U2fPC =0. 12PfU2( 1)图 4LC 无源滤波电路式: U 电网电压的有效值;f 电网电压的频率;P 整流器的输出功率。经 LC 无源滤波器滤波后， 充电站变压器低压侧电流 Ia 主要含有的谐波电流为: 1 台充电机时主要含有 5 次 1. 00A 的谐波电流， 12 台充电机时主要含有 542电气开关 ( 2015 No 6)次1. 14A 的谐波电流， 滤波后1 台充电机和12 台充电机电流 Ia 的波形对比如图 5 所示。图 5LC 滤波后 1 台充电机和 12
11、 台充电机的 Ia 波形比较可见经过 LC 无源滤波电路滤波后， Ia 的各次谐波电流已基本被滤除， Ia 的波形得到了很好的矫正，完全满足国家标准GB/T 14549 1993 所规定接入公用电网谐波电流允许值的要求。但值得注意的是，当仅有1 台充电机时， 滤波前功率为6046W， 滤波后功率为 10366W， 充电功率提高了 71. 45%; 而当充电站有 12 台充电机同时并网运行时， 滤波前每台充电机的功率 为 5700W，滤 波 后 的 功 率 为 772W，降 低 了86. 46% ， 充电速度和效率大大降低， 功率损耗严重，已经不适合实际应用。综合上述分析可知， 在充电机同时并网
12、台数少时， LC 无源滤波器不但可以起到很好的滤波效果， 而且还能提高充电机的充电功率; 而在充电机同时并网台数多时， LC 无源滤波器虽然也能起到很好的滤波效果， 但充电机的功率却大大降低了。因此， LC 无源滤波器适合应用于小型电动汽车充电站。3. 2双三相桥 12 脉波整流电动汽车充电机对于三相桥式不控整流装置来说， 最大的两次谐波电流是 5 次和 7 次， 而采用双三相桥 12 脉波整流电路的电动汽车充电机， 三相交流电源中只含有 12K 1次谐波电流( K =1， 2， 3) ， 最低次谐波电流为 11 次，但是为了得到 12 脉波整流电压， 需要两组三相交流电源， 且两组电源间的相
13、位差应是 30。由于双三相桥12 脉波整流器对三相交流电源的电压幅值和相角要求较高， 因此需要独立使用三相三绕组变压器， 这无疑增大了电动汽车充电站的建设成本。在 PSCAD 中建立 12 台双三相桥 12 脉波整流电动汽车充电机的充电站， 仿真模型如图 6 所示。图 6612 台双三相桥 12 脉波整流电动汽车充电机的充电站仿真得到变压器低压侧的电流 Ia0、 Ia1以及高压侧的电流 Isa的波形如图 7 所示。通过图 7 便可看出变压器低压侧的电流 Ia0和 Ia1已经产生严重的畸变， 然而高压侧的电流 Isa由两低压52电气开关 ( 2015 No 6)侧的感应电流合成后， 仅含有 11
14、 次 0. 47A 和 13 次0. 23A 的谐波电流， 波形几乎不发生畸变， 因此无需再进行滤波处理。随着充电机台数的增加， 变压器高压侧的电流 Isa中所含的11 次和13 次谐波电流值增加仍十分微小。使用双三相桥 12 脉波整流电动汽车充电机的充电站， 只要加装一台三相三绕组变压器供充电机负荷独立使用， 便可隔离低压侧谐波电流对高压侧公用电网的影响。这种充电站每台充电机的功率为5855W， 是采用三相桥式不控整流电路 12 台充电机经LC 滤波后功率的 7. 58 倍。而且随着充电机台数的增加， 两种充电站的功率差距越大。因此， 建设大型电动汽车充电站适合使用双三相桥 12 脉波整流装
15、置的充电机。图 7电流 Ia0、 Ia1和 Isa波形4总结从以上分析可以看出， 随着充电机台数的增加产生的谐波电流有效值也将增大。建设大型的快速电动汽车充电站， 适合使用双三相桥 12 脉波整流装置的充电机。而建设小型的电动汽车充电站， 适合使用经过LC 滤波的三相桥式不控整流装置的充电机， 这种充电站无需加装变压器， 可从公用电网直接引入 380V 的三相交流电源， 从而减小了电动汽车充电站的建设成本， 同时也能满足充电机并入公用电网的要求和小型电动汽车充电站的建设需求。参考文献 1魏哲林 电动汽车的环境效益评估J 电力与能源， 2013， 3:231 234 +238 2李娜， 黄梅 基
16、于不同整流装置的电动汽车充电机比较J 华北电力技术， 2011， 01: 23 29 3李学生 PSCAD 建模与仿真 M 北京: 中国电力出版社， 2013: 4 4陈坚 电力电子学: 电力电子变换和控制技术M 北京: 高等教育出版社， 2004， 12 5曲学基， 曲敬铠， 于明扬 电力电子滤波技术及其应用M 北京:电子工业出版社， 2008， 10 6黄少芳 电动汽车充电机( 站) 谐波问题的研究D 北京交通大学， 2008 7oger C. Dugan， Surya Santoso， Mark F. McGranaghan， H. WayneBeaty Electrical Power
17、 Systems QualityM McGraw Hill Professional;2nd evised edition， 2002， 12 8GB/T 14549 1993， 电能质量: 公用电网谐波S收稿日期: 2014 09 17作者简介: 林鑫( 1983 ) ， 男， 福建永泰， 研究生， 研究方向: 电力市场檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪。( 上接第 22 页)且该装置同时运行光伏并网发电和有源滤波两项功能时电网电流的频谱图， 可以看出， 多功能并网装置的投入不仅给电网输送了能量， 同时也大大改善了电网的电能质量。5小结本文首先对对 LCL 滤波器的谐振问题， 提出了基
18、于电容电流反馈的有源阻尼控制， 采用重复控制来跟踪控制指令电流的高性能跟踪， 最后通过仿真， 结果验证了参数设计的正确性和控制策略的有效。参考文献 1孙曙光， 王景芹， 师顺泉 单相电路谐波及无功电流实时检测的研究J 电测与仪表， 2008， 01: 4 7 2Twining E Holmes D Grid current regulation of a three phase voltagesource inverter with an LCL input filterJ IEEE Transactions Power Elec-tronics， 2003， 18( 3) : 888 895
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