应用感应滤波原理构建的电动汽车充电站直流供电系统

王绍阳，李 勇，刘乾易，罗隆福



应用感应滤波原理构建的电动汽车充电站直流供电系统

王绍阳，李 勇，刘乾易，罗隆福

(国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)， 湖南 长沙 410082)

针对当前电动汽车充电站运行效率低、谐波损耗等电能质量问题，提出了一种应用感应滤波方法的电动汽车充电站直流供电系统。该供电系统由感应滤波变压器和12脉波整流桥构成，在负载侧实现了电能质量治理，减少了谐波对电网的影响，降低了谐波对变压器的损耗。通过介绍应用感应滤波原理构建的直流供电系统及其充电站的拓扑结构，建立了直流供电系统的等效电路模型，利用数学推导进一步分析了感应滤波方法在谐波抑制和无功补偿方面的工作机理，得出了实施感应滤波方法的必要条件，最后搭建仿真模型测试了所提出的直流供电系统的滤波效果，验证了该理论分析的正确性。

电动汽车；谐波抑制；无功补偿；多脉波整流；感应滤波；直流供电系统

0 引言

电动汽车作为一种绿色无污染的交通工具，有着能源利用效率高、无移动废弃排放等特点，已经成为缓解能源危机、推进可持续发展的重要手段[1-2]。现阶段电动汽车充电站采用的是大功率高频充电机电流通过充电桩内部的不可控整流桥，滤波后输入高频DC-DC功率变换模块，功率模块输出再次滤波后为车载电池提供电源[3]。大功率高频充电机是典型的非线性负荷，其内部含有大量电力电子器件，电力电子器件固有的非线性特性严重影响了电能质量，当其接入电力系统时不可避免地会引发谐波污染、无功损耗等问题[4]。

电动汽车充电站谐波治理的方法目前可以分为两种。一种是从充电设备的内部构造考虑，如增大单台充电机的滤波电感，减小充电机功率变化单元等效电阻，采用先进的功率因数校正技术代替普通的二极管整流桥等。另一种则是以充电桩整体作为考虑对象，主要有多脉波整流、PWM整流以及加装滤波装置等方法[5]。文献[6]基于基波谐振原理和基波磁通补偿原理提出一种改进型无源滤波方法；文献[7-8]讨论了电动汽车充电设备的分类及它们对供电系统电能质量的影响，并对采用有源滤波器进行谐波抑制和无功补偿的原理结构进行了剖析；文献[9]对电动汽车充电站并联有源滤波器可能引起的充电站集电母线电流谐波放大效应进行了分析探究；文献[10]详细地对比了采用有源电力滤波器、十二脉整流以及PWM整流三种谐波抑制方法的效果。就目前的技术手段而言，在大型的电动汽车充电站中改造设备内部结构，采用PWM充电技术的建设成本较高，控制也更为复杂。实际应用中多采用加装滤波装置的方法，通过对滤波装置合理配置无功补偿容量可实现在抑制谐波的同时提升系统功率因数。

电动汽车充电站谐波治理的方法目前可以分为两种。一种是从充电设备的内部构造考虑，如增大单台充电机的滤波电感，减小充电机功率变化单元等效电阻，采用先进的功率因数校正技术代替普通的二极管整流桥等。另一种则是以充电桩整体作为考虑对象，主要有多脉波整流、PWM整流以及加装滤波装置等方法[5]。文献[6]基于基波谐振原理和基波磁通补偿原理提出一种改进型无源滤波方法；文献[7-8]讨论了电动汽车充电设备的分类及它们对供电系统电能质量的影响，并对采用有源滤波器进行谐波抑制和无功补偿的原理结构进行了剖析；文献[9]对电动汽车充电站并联有源滤波器可能引起的充电站集电母线电流谐波放大效应进行了分析探究；文献[10]详细地对比了采用有源电力滤波器、十二脉整流以及PWM整流三种谐波抑制方法的效果。就目前的技术手段而言，在大型的电动汽车充电站中改造设备内部结构，采用PWM充电技术的建设成本较高，控制也更为复杂。实际应用中多采用加装滤波装置的方法，通过对滤波装置合理配置无功补偿容量可实现在抑制谐波的同时提升系统功率因数。

感应滤波是一种集谐波治理与无功补偿功能于一身的新方法，其在整流变压器的铁芯上附加滤波绕组，使得特定次谐波流经阀侧绕组产生的磁通能够和滤波绕组感生出的反向磁通相互抵消，达到谐波消除及将谐波屏蔽在负载侧的目的。文献[10-13]通过建立谐波频域下感应滤波的等效电路模型和数学模型，分析了感应滤波的谐波抑制和无功补偿的原理，阐述了感应滤波的实现条件及感应变压器的参数设计。

本文以12脉波整流技术为基础，结合感应滤波技术，提出了一套适用于电动汽车充电站的直流供电系统。文章首先对新型电动汽车充电站结构作简要介绍，接着建立单相等效电路模型及数学模型，从理论上揭示了其滤波机理。最后，设计建立仿真模型，验证所提出系统的可行性与有效性。

1 感应滤波型电动汽车充电站

图1为新型电动汽车充电站整体的电气结构，左侧为应用感应滤波原理构建的充电站直流供电系统，右侧为充电站充电系统。

图1 感应滤波型电动汽车充电站结构图

电动汽车充电站直流供电系统主要由感应滤波变压器及两个并联的三相不可控整流桥组成，作用是将电网交流电压(35 kV)转化为与充电系统相匹配的低压直流电压。电动汽车充电系统则包括了充电柱、大容量储蓄电池、动力电池等电动汽车充电装置。电动汽车充电站直流供电系统通过公共的直流母线与充电系统相连。

2 直流供电系统结构原理

2.1 系统结构

图2 直流供电系统原理接线图

综上，应用感应滤波原理构建的电动汽车充电站直流供电系统能显著提升系统工作效率，降低充电站建设成本，利于充电站的大规模建设。

2.2 滤波机理

考虑电源系统是三相对称的，因此只需分析单相电路，图3即为充电站直流供电系统的单相等效电路图。整流变压器阀侧绕组所连接的非线性负载等效为谐波电源I2和I3，网侧电压为U。

图3 系统单相等效电路图

参考系统单相等效电路模型，根据安匝平衡定律，感应滤波变压器4个绕组之间应满足关系为

根据多绕组变压器磁动势平衡原理，得到网侧绕组电压与阀侧绕组电压、滤波绕组电压之间关系为

式中：I含义同式(1)，U为网侧绕组、阀侧星接绕组、阀侧角接绕组和滤波绕组电压；Z为变压器绕组等值阻抗(=1,2,3,4)。

结合图3中电流流通路径及基尔霍夫电压/电流定律，可得关系式为

将来自充电系统的谐波电流等效到网侧，得到

结合式(1)—式(5)，可得负载侧谐波电流I、网侧谐波背景电压U和网侧谐波电流I的影响关系为

由式(6)可以看出当负载谐波电流I和网侧背景谐波电压U为定值，网侧谐波电流I大小将与谐波条件下变压器的阻抗Z、网侧系统阻抗Z以及滤波支路的阻抗Z密切相关。

2.3 系统无功补偿原理

由式(6)得到网侧基波电流表达式为

基波条件下，滤波支路阻抗值要远大于网侧系统阻抗以及变压器短路阻抗，忽略网侧系统阻抗以及变压器短路阻抗对网侧基波电流影响，式(7)可简化为

忽略基波条件下滤波支路阻抗Z1中电阻部分，则网侧基波电流表达式可简化为

根据式(9)可得到网侧电压、电流基波相量图，如图4所示。由图可知，未实施感应滤波时，网侧基波电流为，相位滞后基波电压φ1；在感应滤波支路作用后，网侧基波电流增加了的容性无功电流，补偿后基波电流变化为Is1，相位滞后基波电压φ2。可以看出，在实施感应滤波后，基波电流与电压之间相位差减少Δφ，网侧基波电流幅值降低ΔIs1，此结果表明应用感应滤波方法可以有效提升系统功率因数，降低网侧供电电流。

3 仿真分析

3.1 滤波性能分析

根据上述分析，利用仿真对理论分析进行验证，对于规划充电站容量1 600 kVA，结合充电站基本实际情况，仿真部分相关参数设计如表1、表2所示。

表1 感应滤波变压器设计参数

表2 无源滤波支路设计参数

通过分析不同拓扑结构(传统6脉波、传统12脉波、结合感应滤波的12脉波)的网侧电流波形，得到以下数据结果。

结合图5、图6和表3可知，传统6脉波供电系统网侧电流存在明显畸变；采用12脉波整流技术后，电流波形有了较好的改善，5、7次谐波含量大幅度减少，但11、13次谐波含量没有明显变化，电流谐波的总畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)为10.83%；加装感应滤波装置后，网侧电流波形基本成正弦，5、7、11、13次谐波含量均降低至0.1 A以下，THD下降至1.86%。由此可知在12脉波整流技术基础上结合感应滤波原理构造的直流供电系统谐波抑制效果显著，能够实现系统低耗高效运行的目标要求。

图5 系统网侧电流波形

表3 主要次谐波含量

图6 系统网侧电流波形谐波含量

3.2 功率因数分析

三相桥式整流电路功率因数测量方法，通过对系统基波因数、位移因数的测量，进而计算出系统功率因数。该方法中基波因数、位移因数和功率因数的关系式如式(10)所示。

式中：为功率因数；为基波因数；1为位移因数；1为基波电流有效值；为总电流有效值；为基波电流、电压相位差。

分别对上述三种拓扑结构仿真模型进行功率因数测算，结果如表4所示。

表4 功率因数

由表4可知，相较于传统6脉波供电系统，12脉波系统仅基波因数有较好改善，而应用感应滤波原理构建的12脉波供电系统基波因数、位移因数均有明显提升。

4 结论

本文提出了一种应用感应滤波原理构建的12脉波电动汽车充电站直流供电系统。该系统将感应滤波与多脉冲整流技术进行融合，有效地减少了网侧谐波电流畸变率，实现了在负载侧无功功率就近补偿和谐波电流就近抑制；直流母线的设计，减少了电能变换装置的使用，降低了充电站建设成本。通过对比分析传统与新型充电站供电系统的电路结构和谐波域数学模型，揭示了感应滤波谐波屏蔽及无功补偿的基本原理，表明感应滤波技术具有良好的谐波抑制能力，能显著提升系统运行效率及稳定性，适用于电动汽车充电等领域。

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A DC power supply system of electric vehicle charging station developed with inductive filtering method

WANG Shaoyang, LI Yong, LIU Qianyi, LUO Longfu

(National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center, Hunan University, Changsha 410082, China)

Aiming at the problems of low operating efficiency and harmonic loss of Electric Vehicle (EV) charging station, a DC power supply system with inductive filtering method for EV charging station is proposed. The power supply system is composed of the inductive filtering transformer and a 12-pulse rectifier bridge, which realizes the power quality management on the load side, reduces the influence of harmonic on the power grid and lowers the loss of harmonic on the transformer. By introducing a topology of EV charging station and DC power supply system in which inductive filtering method is applied, the equivalent circuit model of DC power supply system is established. By means of the mathematical derivation, the operating mechanism and reactive power compensation of the inductive filtering are further analyzed and the necessary conditions for the implementation of the inductive filtering method are obtained. Finally, a simulation model, which is used to test the filtering effect of DC power supply system, is built. The simulation results verify the correctness of the theoretical analysis.

This work is supported by Key Research and Development Program of Hunan Province (No. 2018GK2031) and Distinguished Youth Innovation Program of Changsha (No. KQ1707003).

electric vehicles; harmonic suppression; reactive power compensation; multipulse rectifier; inductive filtering; DC power supply system

2018-07-12

王绍阳(1994—)，男，硕士研究生，研究方向为电能优化与控制；E-mail: wsy0670@foxmail.com

李 勇(1982—)，男，通信作者，教授，博士生导师，研究方向为能源/电力系统优化运行与控制、电能变换系统与装备。E-mail: liyong1881@163.com

湖南省重点研发计划项目资助(2018GK2031)，长沙市杰出青年创新项目资助(KQ1707003)