电动汽车充电谐波抑制技术的进展

程浩 王光汉

【摘要】电动汽车的快速发展推动了电动汽车充电站的广泛建设，大量充电机的投入运行将对电网产生严重的谐波危害。文章分析了电动汽车谐波的常用抑制措施，重点分析了有源电力滤波器（APF），脉冲宽度调制（PWM）等新型的谐波抑制手段，并在此基础上进一步展开探讨。

【关键词】电动汽车;充电机;谐波抑制

引言

随着电动汽车技术的日益完善，电动汽车充电站将大量涌现以满足充电需求[1]。 对电网而言，充电站的充电机是一个非线性负载，电动汽车充电机在工作过程中会产生很高的谐波电流，谐波注入公用电网对电网电能质量有很大影响，会对电网的正常运行带来一系列的危害[2]。所以需要对电动汽车充电产生的谐波进行研究和抑制，改善电动汽车充电站的谐波问题。

现阶段针对电动汽车谐波抑制的研究很多，发展迅速，本文介绍了现有的谐波抑制，补偿的方法和技术，并对此展开讨论。

1.电动汽车充电机的发展趋势

为了有针对性的对电动汽车充电谐波展开探讨，我们需要对各类电动汽车充电机的组成结构及工作方式有所了解。根据现有的电动汽车充电机的工作原理，可将其分为3类：不控整流与斩波器、不控整流与DC/DC变换器、PWM整流与DC/DC变换器。

（1）第一类充电机由工频变压器、不控整流与斩波器组成，属于早期产品。特点是直流侧电压纹波小、动态性能好、工频隔离、体积大、电网侧电流谐波大和变换效率低，这类充电机电网侧的交流电流畸变严重，对电网注入大量的谐波电流故不适合接入电网。

（2）第二类充电机采用工频变压器、三相不控整流和高频变压器隔DC/DC变换器组成。特点是直流侧电压纹波小、动态性能好、高频隔离、体积小、电网侧电流谐波小（30%左右），较第一类充电机有较大的改善。目前使用最多的是此类充电机。

（3）第三类充电机由PWM整流DC/DC变换器组成。此类充电机利用了三相PWM整流方法来抑制电网侧的谐波，优势体现在功率因数高，网侧电流畸变率可小于5%。相应各次谐波电流也小，高频隔离，装置体积减小，输出纹波低，动态性能好，变换效率高。采用此类充电机不需要加装谐波治理装置。但是目前PWM整流技术还处于研究阶段，技术尚不成熟，而且成本高，设备复杂，可靠性低。

2.多脉动整流技术和PWM技术

充电机的谐波主要来自充电机的整流装置部分，在充电机给电动汽车充电时，直流电流在交流三相之间不断的换相而产生谐波。可以采取措施减少电力电子设备自身产生的谐波，改变谐波源的配置或工作方式，限制大量产生谐波的工作方式。

2.1 多脉动整流技术

现有充电机一般为6脉动不控整流负荷，低次特征谐波电流（5、7次）含量较大，为利用现有充电机，以小成本获得谐波抑制效果，可采用多重移相叠加技术，增加脉动数[3]。也可在充电站进线改装双二次绕组的整流变压器，2个二次绕组接线角差30°，充电机成对接入不同的二次绕组并保证成对运行，即通过变压器绕组的接线， 使2组容量相同的6脉波整流装置在输入端经30°移相构成1套12脉波整流装置，可以保证部分抵消5、7次特征谐波。李璨[4]等人采用了12脉动整流充电机配合无源滤波器对谐波进行抑制，采用此种方法可以将谐波电流在电网侧进行有效的抵消。

使用12脉动整流充电机虽然使得谐波电流得以一定抑制 ， 但一次性投资仍然很大， 并且由于采用的由于两个变压器绕组相差30°电角，同时并联连接的两个整流器瞬时输出电压也不相等，会导致一台整流器承受反压而关断，需要增设电抗器保证2台整流器的同时导通，功率电路复杂， 设备的可靠性相对会降低。

2.2 PMW技术

采用PWM整流技术可以使直流侧电压为一恒定值[5]，并且可以使系统工作于单位功率因数状态，使变流装置产生的谐波频率比较高、幅值较小，使波形接近正波，获得良好的谐波抑制效果并大大减小谐波含量，但是目前PWM整流充电机控制复杂，成本很高，处于研究阶段。

3.滤装置在谐波治理中的应用

增设滤波装置滤除电网中的谐波，在工程中装设的滤波装置有无源滤波器和有源滤波器。

3.1 无源滤波装置

无源滤波装置除起到滤波作用外还兼顾无功补偿和调压，需要注意的是滤波器的额定电压等级和基波频率要与系统一致，无源电力滤波器的滤波效果是由滤波器的谐波阻抗和电网谐波阻抗共同决定的。对同一个无源滤波器而言，当电网内阻抗较小时滤波效果变差，对于相同的电网谐波阻抗而言，滤波器容量较小时，其谐波阻抗增加，滤波效果变差，只能对特定谐波进行滤波。此外，还可以通过增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受能力，加强谐波管理来减少充电谐波。

3.2 有源滤波装置

有源电力滤波器作为一种新型的谐波治理技术， 是消除谐波污染 、提高电能质量的有效工具。展近年来有源电力滤波器（APF）等以其反应及时，连续可调，动态跟踪补偿等的优越性能，投入到实际应用中，成为一种新型的谐波抑制与无功功率补偿装置[6]。图1为APF控制系统的结构示意图。

图1 APF控制系统的结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the structure of APF control system

并联型有源滤波器（APF）作为电能质量治理的一个分支，它不仅能抑制谐波，还可实现无功补偿，因此并联型APF得到了高度重视和日益广泛的应用。APF的滤波性能不受系统阻抗的影响，不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。根据需求的不同，设计不同的谐波补偿功能，在某些情况下，APF需要滤除特定次的谐波分量或特定组的谐波分量，通过恰当的控制，可以选择性的滤除特定次或特定组的谐波电流。

有源电力滤波器可实现动态治理， 能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化， 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿，成为一种新型的谐波抑制装置投入实际应用[7]。

但是需要注意的是有源滤波器在工程应用时要备有谐波发生源和大功率晶闸管元器件，还要配有跟踪控制和脉宽调制系统，虽滤波效能优越，但成本费用高，技术难度大。充电机是时变负荷，负荷特性变化快，滤波、无功补偿、调压要求有时难以协调，当无源滤波手段无法满足各项要求时，可以采用有源滤波技术，对多个谐波源进行集中治理。

4.结语

谐波治理是电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切需要。针对电动汽车充电机产生谐波的形式，减低充电机自身产生的谐波，可采用12脉动整流充电机，同时选择合理的供电方式和功率因数校正技术[8]。无源滤波装置是目前应用较为广泛的谐波抑制手段，但存在一些难以克服的缺点，理论上有待进一步完善。

有源电力滤波器经过多年的发展已成为补偿电力系统谐波及无功功率的重要装置，目前在实际应用中，并联型APF是比较成熟的拓扑结构，是优选的方案。

参考文献

[1]刘国海，魏明洋，陈兆岭.电动汽车充电机谐波抑制工作机理的研究[J].电力电子技术，2011，45（12）：11-13.

[2]卢艳霞，张秀敏，蒲孝文.电动汽车充电站谐波分析[J].电力系统及其自动化学报，2006，18（3）：51-54.

[3]马玲玲，张洁琼.基于PSCAD的电动汽车充电装置建模研究及谐波分析[J].新能源，2012，07：28-31.

[4]李璨，杭乃善，陈光会，卢珊，吴昕.智能电网中电动汽车充电站的谐波抑制方法研究[J].电网与清洁能源，2012，28（2）：11-15.

[5]李均强.电动汽车充电站谐波分析与充放电系统仿真研究[D].华北电力大学，2012.

[6]王玉斌，吕燕，田召广，徐桢.谐波抑制与无功补偿装置控制技术的进展[J].电测与仪表，2006，43：1-4.

[7]张铁龙，徐公林，陶霞.谐波抑制与滤波装置的应[J].电气开关，2009，4：75-78.

[8]蒋浩.电动汽车充电站谐波的抑制与消除[J].广东电力.2010，8（23）：16-19.