基于变压器Y/y0/d11接线的十二脉冲整流电动汽车充电站谐波分析

李 峰,刘卫东,东 维,王卓勇

(国网河北省电力公司衡水供电分公司,河北 衡水 053000)

基于变压器Y/y0/d11接线的十二脉冲整流电动汽车充电站谐波分析

李 峰,刘卫东,东 维,王卓勇

(国网河北省电力公司衡水供电分公司,河北 衡水 053000)

结合电动汽车充电站运行特征,以十二脉冲整流充电电路为研究对象,构建基于十二脉冲整流的电动汽车充电站模型,通过Matlab Simulink仿真实现十二脉冲整流电动汽车充电运行状态并分析谐波含量,提出电动汽车充电站谐波抑制的改进措施。

电动汽车;谐波抑制;十二脉冲整流

近年来,大量分布式电源、储能设备和客户双向负荷等分布式能源资源逐步接入,打破传统配电网潮流单向辐射状供电。电动汽车(Electric Vehicle,EV)有别于一般电力负荷,为其充电的充电机为非线性设备,在运行时产生大量谐波污染,影响电网运行环境,且影响范围可能波及到配电网范围较远处[1]。当前电动汽车充电站中多应用Yd11接线的变压器提供电源,在充电站运行时产生谐波含量偏大,对电网造成较大污染。结合这一情况,增加三相移相构建十二脉冲整流充电站,进一步消减谐波分量,为配网安全运行提供技术保障。基于电动汽车充电站产生谐波及对配电网影响情况,该文对十二脉冲整流充电站充电机进行建模分析,提出充电站谐波抑制的改进措施。

1 谐波对配电网系统的影响

频率大于1整数倍基波频率的分量成为谐波,谐波的出现污染公共配电网系统,主要影响表现为,谐波使电网中的元件产生谐波损耗,降低了输配电设备的效率;谐波影响各种电器设备的正常运行,使电机产生噪声、过电压和机械振动,使变压器局部过热及电缆绝缘老化;谐波引起电网中局部的串、并联谐振,进而放大谐波和产生过电压,引起严重事故;谐波将影响继电保护和自动装置的保护工作,并使电气测量仪计量不准确;谐波会对相近的通信系统产生干扰,影响通信系统的正常工作[2]。

2 十二脉冲整流的电动汽车充电站原理

十二脉冲整流是指在原有六脉冲整流的基础上,在输入端增加移相变压器后再增加一组六脉冲整流器,使得直流母线电流由12个可控硅整流完成。充分利用变压器Y/y0/d11副边侧为2个六脉冲整流桥提供电源。

3 十二脉冲整流充电机谐波分析

整流变压器一次侧线电流的波形随变压器的联结方式不同而不同,因此利用变压器联结方式不同引起的变化可以构成多脉冲整流电路。对于变压器Yy0联结,变压器一、二次电压和电流的波形和相位都相同;对于Yd11联结,一次侧线电流的基波和正序谐波分量比二次侧滞后30°,而一次侧线电流的负序谐波分量比二次侧超前30°。2个不可控三项整流电路串联组成十二脉冲整流电路,变压器联结方式采用Y/y0/d11[3]。

对于Y/y0侧,阀侧线电流与其感应的网侧电流相同,即:

通过推导可以看出,对于十二脉冲整流电路,即对于十二脉冲整流充电机来说,其交流侧谐波脉动数为12,谐波次数主要为12k±1,k=1,2,3,……,即11,13,23,25……。增加脉动数有利于抑制谐波,谐波次数越高,谐波幅值越小。

4 十二脉冲整流充电机仿真模型

运用MatlabSimlink 7.0仿真软件,在Simulink环境中构建十二脉冲整流充电模型,三相交流电源,三相三绕组变压器,晶闸管整流桥,控制电路(同步脉冲发生器)及负载,建立仿真模型如图1所示。

三相交流电源幅值为10 kV,频率50 Hz,相位互差120°。三相三绕组变压器联结方式采用Y/ y0/d11,负载为阻感负载;同步脉冲发生器,脉冲频率为50 Hz,脉冲宽度15°,双脉冲触发,触发延迟角为0°,仿真时间为100 ms,求解方式为ode23tb。

通过在Simulink环境下设置各项参数,并对模型进行仿真运算,可以直接得出直流电压Ud、直流电流id、变压器一次侧和二次侧相电流。

图1 基于Matlab Simulink环境十二脉冲整流充电机仿真示意

图2 整流后输出电压和电流波形

十二脉冲整流电路输出直流电压Ud、直流电流Id的波形如图1所示,对其傅里叶级数展开后可知,m脉冲整流电压的谐波次数为m k次(k=1,2, 3…),整流电流的谐波由整流电压决定,也为m k次,m增加时,最低谐波次数增大,谐波幅值减小。从图2中波形可以得出,电压和电流波形在每个周期内脉动12次,谐波含量比六脉冲整流要小。

整流电路变压器一次侧电流的谐波含量直接影响电网的电能质量,对整流电路而言,其变压器一次侧相电流谐波含量越小,性能越好,通过仿真得出十二脉冲整流电路一次侧相电流波形,如图3所示。

图3 十二脉冲整流电路变压器一次侧相电流波形

5 充电站谐波抑制

谐波抑制方法主要分为2类,即被动型和主动型,被动型滤波是指增加滤波装置在交流侧减少谐波含量,主要包括电力无源滤波(LC)、APF补偿以及混合型滤波;主动型滤波是指从谐波源本身出发,在直流侧减少谐波的产生,主要包括多脉冲整流、多电平变流、功率因数校正等方法[4]。

通过运用MatlabSimlink 7.0仿真十二脉冲整流充电模型,十二脉冲整流电路一次侧相电流波形通过傅里叶级数展开后可以看出,谐波次数为11,13,23,25,……;即12k±1次。主要由于变压器二次侧采用了移相多重联结,副边电流折算到原边后可以相互叠加,因故抵消了5,7,17, 19,……次谐波,极大地降低了谐波含量。十二脉冲整流电路直流电压和电流的脉冲动明显小于六脉整流电路。

基于上述分析可以得出,十二脉冲整流电路的直流电压、直流电流、一次侧相电流谐波含量均小于传统的六脉冲整流电路(三相桥式整流电路)。十二脉冲整流的充电站模型,主要在10 k V侧抵消了5次和7次的谐波电流,使得在配网10 k V侧的谐波电流满足了国家标准要求,但在0.4 k V侧谐波电压、电流并没有得到改善,从而可以看出十二脉冲整流充电站对配网的谐波影响较小,更加适用于大容量电动汽车充电站。

6 结论

十二脉冲整流电路对于谐波的抑制要优于六脉冲整流电路,通过仿真分析可以看出,电动汽车充电站Y/y0/d11接线变压器构建的充电模型中谐波含量较小,较当前应用的Yd11接线变压器具有显著优势。因此Y/y0/d11接线变压器构建的充电方式将成为电动汽车充电站的研制和推广方向。

[1] SORTOMME E,HINDI M M,MACPHERSON S D J,et al.Coordinated charging of plug-in hybrid electric vehicles to minimize distribution system losses[J].IEEE Trans. Smart Grid,2011,2(1):198205.

[2] 杜学龙,电动汽车充电站谐波特性及抑制[D].济南:山东大学,2013:910.

[3] 王兆安.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2006:5561.

[4] 杜学龙,刘志珍,王 建,等.电动汽车充电站谐波抑制方法的对比分析[J].电力系统保护与控制,2012,40(19):139 143.

本文责任编辑：罗晓晓

Analysis on 12-pulse Rectifier Harmonic Suppression of Electric Vehicle Charging Based on Converter Y/y0/d11 Lines

Li Feng,Liu Weidong,Dong Wei,Wang Zhuoyong
(State Grid Hebei Electric Power Corperation Hengshui Power Supply Branch,Hengshui 053000,China)

Combined with the feature of electric vehicle charging station operation,corresponding simulation model of electric vehicle charging station based on 12-pulse rectifier.the harmonic content and power factor are researched.with building Matlab-Simulink simulation model,the result shows that the improvement measures for method are proposed.

electric vehicle(EV);harmonic suppression;12-pulse rectifier

TM910.6

B

10019898(2017)02003002

20160628

李 峰(1980-),男,高级工程师,主要从事营销农电管理及电动汽车推广应用工作。