电动汽车充电机(站)的谐波影响仿真分析

张秀磊，蔺 红



电动汽车充电机(站)的谐波影响仿真分析

张秀磊，蔺 红

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

随着现代电动汽车的普及和大容量电池技术的推广，电动汽车制造的技术成本在逐年降低，数量也将急剧增长。电动汽车充电会对电网产生严重的谐波影响，电动汽车充电的大功率充电机采用现代电力电子技术是高度非线性用电设备。基于大量电动汽车充电需求的合理充电技术，防止电网被谐波干扰，研究电动汽车充电机非线性等效模型的可行性，分别对单台充电机和充电站进行建模，仿真分析了充电机台数不一样的情况下产生的谐波特性。仿真结果表明：在一定数目的充电机工作的情况下，充电站需要采用滤波器等谐波抑制装置，才能保证所建充电机(站)接入系统运行能够满足国家谐波标准。

电动汽车；充电机(站)；谐波分析；滤波器

0 引言

近年来，随着电动汽车的普及，电动汽车充电站带来的电能质量问题越来越受到人们的重视。电动汽车以电代油，实现了零排放、低噪音，是目前解决能源和环境问题的重要手段。电动汽车作为新的背景下新能源汽车的代表，相对以汽油燃料等传统能源作为动力的电动汽车而言，在环保、清洁、节能等方面占据明显的优势。大力发展电动汽车是落实科学发展观、实施国家能源战略和实现节能减排、建设资源节约型和环境友好型社会的战略措施。其中纯电动汽车的发展被认为是汽车工业的未来[1]。

随着未来大量密集的电动汽车出现，充电桩等非线性设备对公共电网的谐波污染将会对电网的电能质量造成很大影响。由于电动汽车尚处于初期市场推广阶段，充电桩和充电站的数量还是很有限，缺乏实际数据作为研究支撑。长期以来，非线性设备对公共电网造成的谐波污染以及谐波监测和滤波问题受到了广泛关注。目前国际上尚未在电动汽车充电方面出台相应的标准，我国各地已建的示范充电站在前沿技术方面均存在差异，官方虽出台了充电接口的相应标准《GB/T电动汽车传导式充电接口》等，但并未对充电技术做出明确的解释说明。国内外学者对这一方面的研究处在探索阶段。文献[2]建立了单台三相不可控整流充电机模型，并分析了多台充电机的谐波特征。文献[3]分析了由不同整流装置构成的充电机接入系统产生的谐波影响。文献[4]建立了含车载充电机的住宅区传统三相配电网和新型单相配电网仿真模型，分析了车载充电机接入小区时产生的谐波影响。文献[5]利用某一型号充电机参数建立充电机(站)的Matlab仿真模型，然后釆用快速傅里叶变换(FFT)对仿真数据进行谐波分析。以上关于充电站谐波仿真研究多是将充电机的等效电阻进行线性分段来进行研究，未能体现出电动汽车动力电池充电曲线的连续性，另外，当前研究单台充电机等效模型和多台同类型充电机同时工作的文献较多，而研究将有源滤波器加入充电装置的文献较少。

本文使用Matlab构建充电机的仿真模型，根据其实际参数和电池的工作过程数据分析其产生谐波的原因，并跟实际观测数据进行比较，验证充电机模型方针的可行性；以此为理论依据，建立充电机电力系统整体模型，并分析其产生的谐波特性。从电动汽车充电机(站)对电力系统谐波方面的影响进行了研究。

1 建立充电机(站)的Matlab仿真模型

首先搭建某一型号充电机的单台充电机仿真模型，进而搭建整个充电机(站)的Matlab仿真模型。

电动汽车充电机是一种非线性设备，工作时产生的谐波电流很高。目前，使用最多的是由三相不可控整流电路与DC/DC功率变换器构成的充电机，其具有成本低、谐波含量高等特点，典型结构见图1。其工作原理是三相不可控整流电路对三相交流电进行整流，经由电阻f、电感f和电容f组成的滤波电路为DC/DC功率变换电路提供直流输入，经输出滤波电路为电动汽车蓄电池提供电源。

图1 单台三相不可控整流充电机结构框图

虽然动力蓄电池的充电过程很长，但在一个微元s中可以认为充电机的输出电流0和输出电压0是恒定的，即可用1个电阻c来近似模拟DC/DC功率变换电路的等效输入阻抗。

式中：1、1和1分别为高频功率变换电路的输入电压、电流和功率；0、0和0分别为高频功率变换电路的输出电压、电流和功率；为功率变换模块效率。

单台三相不可控整流充电机充电机的等效模型如图2中所示。其中f为线路及电感f等的等效电阻，电阻值一般较小，可忽略不计。

图2 单台三相不可控整流充电机等效模型

据式(1)可知，c也随着动力蓄电池充电过程而发生变化，如图3所示。

图3 充电过程中Rc变化曲线

2 充电机(站)仿真模型验证

对建立的单台充电机仿真模型和充电站模型进行谐波特性分析，仿真结果表明，建立的仿真模型满足实际工程计算。

2.1 单台充电机等效模型验证

建立充电机仿真等效模型如图4所示。

建立的非线性等效电阻在整个充电周期内都会发生变化，采用15 kW的某型号充电机进行仿真分析,其输出功率0()随动力蓄电池充电过程而变化，如图5所示。

图4 充电机仿真等效模型

图5 充电机输出功率P0曲线

式中：为时间，单位为min；P0max为最大输出功率，单位为kW。由式(2)画出充电机输出功率曲线，如图5所示。

对公共电网的电力设备质量的影响，通过对充电器的电源质量测试，计算模型的电力负荷。计算得到在0.4 kV侧主要出现了5、7次谐波，实测A相电流及谐波电流值如表1所示。为了验证仿真模型的有效性，仿真数据与实测数据对比，得到表1。表中数据测量采用GB测量，以95%为标准概率测量周期的每个阶段的测量值。

表1 仿真数据与实际数据对比

Table 1 Comparison of simulation data with actual data

由表1可知，仿真计算值与实际测量数据误差不大于5%，所以仿真模型可以用于工程计算。

保持谐波电路中电阻和的值不变，改变电感f，仿真结果如表2所示。

表2 不同f的基波、各次谐波有效值

Table 2 Different Lf fundamental and subharmonic effective values

仿真结果表明：当c和保持不变时，滤波电感f增大，次谐波阻抗n也会增加大，这样可以减少THD和谐波电流。

2.2 充电站等效仿真模型验证

以国家电网谐波标准为数据基础，对参考电位点的电流电压分析。由于充电器的三相桥式整流电路为非线性电器元件，将正弦电压加载在电路上后，得到的电流为非正弦波，在电路阻抗上产生阻抗角，最终系统中会得到畸变的谐波，不考虑畸变，把其定为正弦波形，对谐波进行分析。

搭建充电站仿真模型如图6所示。

图6 充电站仿真等效模型

模拟了1台、5台、10台、20台充电机充电时的状态，能够得到以下结论：谐波次数仍然主要为5，7，11，13，而5次的谐波电流最大，7次谐波略小，见图7。

将谐波和充电站的谐波电流限值比较，如表3所示。因为三绕组变压器220 kV电源变电站(250 MVA)，高中低三绕组容量比为1:1:1，所以，按照国际标准方法计算，并将谐波值归算至10 kV侧，供电能力与220 kV侧、10 kV侧相同，供电容量250 MVA，分母太大，谐波限值非常小，如表3所示。因此，5次谐波超标收费站4个充电器同时运行。充电站两个10 kV电缆在每行，每105个充电器，70%的工作负荷，计算各收费站进线必然超标，因此产生谐波电流，充电站需要提供谐波抑制装置。

图7 10台充电机工作时基波、各次谐波有效值

表3 各次谐波电流的仿真值

由表3可以看出，在满足国家谐波限值的范围之内，为减少谐波同时工作的充电机的台数是一定的。因此，限制了充电站的发展，基于此在多台充电机与电网相连时加入有源滤波器(APF)可以很大程度上减小谐波。

3 结论

电动汽车充电机(站)会产生电流谐波注入供电网，对电网造成污染。

紧密联系工程实际问题，本文对充电机(站)充电时产生谐波的问题进行了研究。首先根据某一型号充电机参数建立单台充电机的Matlab仿真模型。仿真结果表明：充电机在正常工作情况下，0.4 kV侧主要出现5、7次谐波，其次仿真值可以用于工程计算，还有电流畸变率THD和谐波电流的大小会受到滤波装置中电感的影响。对充电站的仿真结果表明：在多台充电机同时充电的情况下会存在谐波相互抵消的现象，在一定充电机数目的情况下，谐波值满足国家电网谐波阀限标准，但对于大型充电站的建设，充电机需要加入有源滤波器等谐波抑制装置来减少谐波，提高电能质量。

通过将仿真数据和实际数据对比，证明了充电机(站)仿真模型的有效性和实用性。

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Modeling and harmonic characteristic analysis of electric vehicle charger (station)

ZHANG Xiulei, LIN Hong

(School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

With the popularization of modern electric vehicles and the promotion of large-capacity battery technology, the technical cost of electric vehicle manufacturing is also decreasing year by year, and the number will also increase dramatically. Electric vehicle charging will have serious harmonic effects on the power grid. The high-power charger for electric vehicle charging adopts modern power electronic technology, which is a highly nonlinear electrical equipment. Based on the reasonable charging technology of a large number of electric vehicle charging requirements, the grid is protected from harmonic interference. This paper studies the feasibility of the nonlinear equivalent model of electric vehicle chargers, models the single charger and charging station respectively, and simulates the harmonic characteristics generated under different conditions of the number of chargers. The simulation results show that the charging station needs to adopt measures such as filters and other harmonic suppression devices to ensure that the built-in charger (station) access system can meet the national harmonic standards.

This work is supported by Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region (No. 2017D01C029).

electric vehicle; charger (station); harmonic analysis; wave filter

2018-07-25；

2018-08-22

张秀磊(1991—)，男，河南，硕士研究生，主要从事电力系统建模及控制策略；E-mail: 2756529382@qq.com

蔺 红(1969—)，女，副教授，硕士生导师，电力系统稳定与控制及风力发电技术工作。E-mail: xjulh69@163.com

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2017D01C029)