电动汽车交流充电桩对供电系统谐波的影响

张 策，刘 莉，赵文静，罗晓乐

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)



电动汽车交流充电桩对供电系统谐波的影响

张 策，刘 莉，赵文静，罗晓乐

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

在电动汽车快速发展的形势下，电动汽车的大量接入会直接影响到电网的电能质量。针对此方面的影响，先介绍了两种充电机的工作原理，然后利用PSCAD仿真软件对六脉波整流充电机和PWM整流充电机的模型进行搭建，根据模拟结果，分析比较两种充电机的各次谐波含有率、电流的变化趋势以及功率因数，进而得出哪种交流充电桩对供电系统谐波的影响相对较小，同时还能增加电网的功率因数。仿真结果表明，PWM整流充电机能够产生更小的谐波电流，并且能使电网的功率因数达到最大，可以更好地抑制谐波，进而提高电网运行的经济性。因此，该研究对提高供电系统的电能质量具有重要的实际意义。

电动汽车；谐波；整流充电机；PSCAD

目前，能源衰竭和环境破坏的问题已经逐渐成为我们迫切关心的话题之一，随着人们对能源的滥用，我们的生存环境遭到了严重地破坏。电能相对于传统石油燃料来说，具有清洁环保的特点，并且还能减少有害气体和二氧化碳的排放[1-2]。我国为此提出了以电代煤和以电带油的重要举措，进而提高经济的可持续发展[3]。近几年，我国在发展充换电设施方面取得了突飞猛进的进展。我国在2010年底共建成充换电站超过950万个，交直流充电桩超过10.1万个，超过25万辆电动汽车依靠这些基础设施进行充换电服务。随着大量的用户将电动汽车接入电网中对其进行充电，势必会带来谐波污染问题，因此，首要解决的问题就是如何减少充电桩谐波的产生。然而充电桩种类的多种多样会给电网带来不同程度的谐波污染，因此研究不同种类的充电桩具有重要的意义。

在供电系统中，为了使电网的运行更合理、更经济，需要将电动汽车有效地接入电网进行充电。文献[4]针对六脉波整流充电机，将高频功率变换模块进行非线性电阻等效，提出了充电机的谐波分析方法。文献[5]搭建了基于双向直流-直流变换器和电压型PWM整流器的充电模型，实现了一种新的充电控制策略，对该研究提供了帮助。利用PSCAD软件对电动汽车接入供电系统的新型模型进行搭建，比较了六脉波整流机和PWM整流机接入电网后的谐波含量、电流畸变率和功率因数，通过对比提出了能有效减少供电系统谐波的交流充电桩，这对提高电能质量意义重大。

1 充电机工作原理

1.1 六脉波整流充电机

六脉波整流电路称为不可控整流电路也被称为三相桥式不可控整流电路。它的结构较为简单，并且应用非常广泛。三相桥式不可控整流电路相对于单相桥式不可控整流电路来说，由于相数较多，会减少谐波含量，也会减少对供电系统的干扰。因此，在电路中采用三相桥式电路更合适[6-7]。

图1中变压器采用△/Y连接，这就为3次(包括3的倍数)谐波电流提供流通路径，以减少谐波对交流电源的影响。然而在整流电路应用的许多方面，还需要可调节、可控制的直流电压。当二极管在电路中导通后，输出直流电压会向负荷供电，二极管如果在δ角导通，以VD6和VD1同时导通的时刻作为初始时刻，线电压uab为：

(1)

相电压ua为：

(2)

图1 三相桥式不可控整流电路

主要数量关系为：

2)输出电流的平均值IR为

(3)

二极管电流的平均值Id为

(4)

1.2 PWM整流充电机

PWM整流电路有两种类型：电压型PWM整流电路和电流型PWM整流电路。前者用电容元件削减谐波，输出的电压波动不大；后者用电感元件削减谐波，输出的电流波动不大[8]。在逆变电路中，由于正弦脉宽调制技术的应用进而产生了脉冲宽度调制整流电路，对其进行合理控制，能使波形为正弦波。

图2是三相桥式电压型PWM整流电路，它的开关管由6个全控型器件IGBT组成；直流输出侧并联电容C；三相输入侧串接三组进线电抗器Ls；网侧等效电阻由Ks组成，包括电源的内阻和电抗器的电阻。

图2 三相桥式电压型PWM整流电路

2 六脉波整流充电机仿真建模分析

2.1 六脉波整流充电机模型的建立

对于六脉波整流充电机，用10 kV电源供电，变压器等级为10 kV/0.4 kV，dy11接法，根据文献[9]，将DC/DC模块与充电电池以非线性电阻代替。利用PSCAD软件构建的充电站仿真模型如图3所示。

图3 六脉波不可控整流充电机仿真模型

通过搭建仿真拓扑结构图对谐波电流和功率因数进行仿真，如图4所示。

图4 六脉波不可控整流充电机仿真拓扑

2.2 0.4 kV侧谐波电流分析

利用谐波分析模块和傅里叶变换模块进行仿真，变压器低压400 V侧的基波至31次谐波电流的含有率如图5所示。

图5 六脉波整流充电机0.4 kV侧各次谐波含有率

由仿真图可知，六脉整流充电机只能产生奇次谐波，低次谐波的含量极其明显。谐波含有率较高的是5次谐波，为26.42%；7次、11次、13次含有率分别为10.81%、8.06%和5.27%，总畸变率为30.69%。不难看出，波次越高，谐波含量越少，直至趋于0。

六脉整流桥交流侧的电流波形如图6所示，即使波形发生畸变，波形依然周期变化。

图6 六脉波整流桥交流侧电流波形

接入六脉波整流充电机的电动汽车后，电网的各次谐波电流会随时间发生改变，研究了5、7、11、13次谐波电流的变化曲线，其中5次谐波电流曲线如图7所示，各次谐波电流值见表1。

图7 5次谐波电流曲线

图7表明充电时长的改变会使谐波电流的大小发生改变。初始时刻起，谐波电流会突然增大，在0.06 s时达到最大值13.33 A，随后立即减小，并在0.15 s之后便保持不变，电流稳定在6.89 A。

表1 各次谐波电流值

由表1数据可知，六脉波整流充电机在电网中进行充电时产生的奇次谐波电流值和畸变率都超出国家标准，因此会给电网带来严重的谐波污染问题。

2.3 功率因数测量模块

利用PSCAD仿真软件搭建了六脉波整流充电机位移因数测量模块，在整流桥的交流侧测取相电压基波的位移因数，在变压器的低压侧测取相电流基波的位移因数，将两者做差取余弦，测得位移因数为0.999 9，如图8所示。

图8 位移因数测量模块

通过仿真测取其基波因数为0.841 1，如图9所示。

图9 基波因数测量模块

结合之前两步，通过仿真测取六脉波整流充电机的功率因数为0.842 5，如图10所示。

图10 功率因数测量模块

仿真结果表明，三相桥式不可控整流电路相对于单相桥式不可控整流电路来说，位移因数通常是滞后的，但优点在于其值更接近1。基波因数则受到负荷和电感元件的制约。基波因数也决定着功率因数，功率因数会因负荷的增加而变大；当抑制谐波的电感元件较大时，位移因数会因负荷的增加而减小。当负荷保持不变时，位移因数也会因电感元件的增加而减小。

3 PWM整流充电机仿真建模分析

3.1 PWM整流充电机的模型建立

对于PWM整流充电机，仍然用10 kV电源供电，变压器等级为10 kV/0.4 kV，dy11接法，根据文献[10]中的内容，为了使整流器能够获得良好的电流波形，利用PSCAD软件构建的充电站仿真模型如图11所示。

图11 三相电压型PWM整流充电机仿真模型

搭建三相电压型PWM整流充电机仿真拓扑结构，如图12所示。

对PWM整流充电机模型进行仿真，交流侧电流波形如图13所示。

由仿真图可知，PWM整流电路的交流侧电流波形波动范围不大且畸变较小，可近似为正弦波。

3.2 0.4 kV侧谐波电流分析

利用谐波分析模块和傅里叶变换模块进行仿真，变压器低压400 V侧的基波至31次谐波电流的含有率如图14所示。

仿真结果表明，PWM整流充电机主要产生奇次谐波，相对于其他次谐波来说，5、7、11、13次谐波尤为明显。5次谐波，为2.58%；7次、11次、13次含有率分别为0.89%、0.61%和0.24%，总畸变率为3.84%。由于高次谐波含有率非常小，由此可见，PWM整流充电机对电网的谐波影响比较小。

接入PWM整流充电机的电动汽车后，研究了5、7、11、13次谐波电流的变化曲线，其中5次谐波电流曲线如图15所示，各次谐波电流值见表2。

图12 三相电压型PWM整流充电机仿真拓扑

图13 交流侧电流波形

图14 交流侧电流波形

图15 5次谐波电流曲线

图15表明，随着充电时间的改变，脉宽调制整流充电机的5次谐波电流也会发生不同程度的改变，最大时可达到8.67 A，小于六脉波整流充电机5次谐波电流最大值，其变化趋势为衰减震荡，在2.5 s后在电流值为4 A时等幅振荡。

表2 各次谐波电流值

由表2可知，PWM整流充电机在网侧只产生奇次谐波，5次谐波的电流值最大，即8.67 A。由于PWM整流充电机在电网中进行充电时产生的5、7次主要谐波电流值和畸变率都未超出国家标准，因此会减少充电装置给供电系统带来的谐波污染问题。

3.3 功率因数测量模块

利用PSCAD仿真软件搭建了PWM整流充电机位移因数测量模块，在整流桥的交流侧测取相电压基波的位移因数，在变压器的低压侧测取相电流基波的位移因数，将两者做差取余弦，测得位移因数为0.998 9，如图16所示。

图16 位移因数测量模块

通过仿真测取其基波因数为0.989 2，如图17所示。

图17 基波因数测量模块

在前两步的基础上，通过仿真测取PWM整流充电机的功率因数为0.988 1，如图18所示。

图18 功率因数测量模块

由此可见，虽然PWM整流充电机和六脉波整流充电机的位移因数相近，但是PWM整流充电机的基波因数和功率因数都比六脉波整流充电机大的多，在数值上更接近1，这就说明PWM整流充电机比六脉波整流充电机的补偿效果更好。

4 结 论

首先介绍了六脉波整流充电机和PWM整流充电机的工作原理，接着利用PSCAD仿真软件搭建了两种整流充电机的模型，对0.4 kV侧整流充电机谐波电流变化进行分析，得知两种充电机整流桥交流侧谐波电流变化趋势相似，均为先陡增达到最大值再快速减小，最后趋于平稳。但PWM充电装置产生的谐波电流变化较小，在谐波含有率和功率因数层面上，PWM整流充电机相对于六脉波整流充电机来说也具有更大优势，符合国家的谐波标准。因此，当电动汽车接入电网进行充电时，加装PWM整流装置能够更加有效地抑制谐波产生进而提高电网运行的经济性。

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(责任编辑魏静敏校对张凯)

ImpactonHarmonicofPowerSupplySystemwithElectricVehicleACChargingPileAccesstoGrid

ZHANG Ce,LIU Li,ZHAO Wen-jing,LUO Xiao-le

(School of Electric Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang110136,Liaoning Province)

A large number of electric vehicles access to grid will directly affect the power quality of the power system. This paper firstly introduced the working principle of two chargers,and then built the six pulse rectifier charger and PWM rectifier charger models with PSCAD simulation software. According to the simulation results,this paper analyzed the harmonic contain trend rate,current and power factor of two chargers to find which AC charging pile has relatively smaller impact on the power system harmonics and can increase the power factor of the power grid. The simulation results showed that the PWM rectifier charger could generate smaller harmonic currents and maximize the power factor of the grid,and thereby it could suppress harmonics preferably and improve the operation economy of the power grid. There search of this paper has important practical significance to improve the power quality of power supply system.

Electric vehicle; Harmonic; Rectifier charger; PSCAD

2017-05-22

辽宁省电网节能与控制重点实验室建设-风光储及电动汽车一体化微电网关键技术研究项目( F16-091-1-00)

张 策(1993-)，男，辽宁沈阳人，硕士研究生。

刘 莉(1963-)，女，辽宁沈阳人，教授，硕士生导师，博士，主要从事电力系统分析与控制、智能电网等方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.008

TM711

： A

： 1673-1603(2017)03-0234-06