不同类型电动汽车充电机接入后电力系统的谐波分析.pdf

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1、第 35 卷 第 1 期 电 网 技 术 Vol.35 No.1 2011 年 1 月 Power System Technology Jan.2011 文章编号：1000-3673（2011）01-0170-05 中图分类号：TM 76 文献标志码：A 学科代码：4704054 不同类型电动汽车充电机接入后 电力系统的谐波分析 李娜，黄梅（北京交通大学 电气工程学院，北京市 海淀区 100044）Analysis on Harmonics Caused by Connecting Different Types of Electric Vehicle Chargers With Power

2、Network LI Na,HUANG Mei(School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Haidian District,Beijing 100044,China)ABSTRACT:The harmonics caused by connecting different types of battery chargers for electric vehicles(EVs)to power network are mainly from the rectifiers of the chargers,so it i

3、s necessary to perform comparative analysis on harmonics produced by connecting the EV chargers,which are composed of different rectifying devices,to power network for reference in harmonic suppression and selection of EV battery charger.Utilizing PSCAD software,a model to measure harmonics caused b

4、y EV charger is designed and simulation models for EV battery chargers adopting three-phase uncontrolled rectifier,12-pulse rectifier and pulse width modulation rectifier are built respectively,and the measured data are compared and analyzed.The proposed models are available for reference in the sel

5、ection of EV battery charger.The proposed method can be applied to analyze power network harmonics produced by large-scale centralized charging stations adopting traditional charging mode.KEY WORDS:electric vehicle charger;AC/DC converter;harmonic analysis;nonsimultaneous charging 摘要：电动汽车充电站接入电力系统产生

6、的谐波主要来自充电机的整流装置，因此有必要对由不同整流装置构成的充电机接入系统产生的谐波进行对比分析，为充电站的谐波治理和充电机选择提供依据。使用 PSCAD 软件设计了充电机谐波测量模型，建立了三相桥式不控整流充电机、12 脉波整流充电机、脉宽调制整流充电机的仿真模型，使用快速傅里叶变换法测量了谐波，并对数据进行了对比分析。该模型能够为充电站选择充电机提供依据。该方法可用于集中式、采用常规充电方式的大型充电站接入系统的谐波分析。关键词：电动汽车充电机；整流装置；谐波分析；不同时充电 0 引言 新能源汽车因其极好的环保性能和节约燃料的特点，已经成为未来汽车行业的发展趋势1。为满足电动汽车电池充

7、电或更换的需要必须建立电 动车充电站，而充电站的充电机是一个非线性负载，它的投入使用会给电网带来很大的谐波。如果能够在充电站投入使用前解决充电站的谐波问题，对于电动汽车的推广有重要意义2。充电机的谐波主要来自充电机的整流装置部分，目前使用最多的是由三相不控整流桥构成的充电机，其具有成本低、谐波含量高等特点。国内对于电动汽车充电站谐波问题的研究主要集中在不控整流充电机的研究上，并缺少多台充电机不同时投入电力系统情况下的谐波分析。文献3分析了由不可控整流加斩波器构成的充电机和不控整流加DC/DC 变换器(有高频变压器)构成的充电机接入系统时产生的 5、7 次谐波，提出可以增加脉动数或使用脉宽调制(

8、pulse width modulation，PWM)整流，但是没有做详细分析；文献4研究单独一个不控整流电动汽车充电机工作时的谐波电流，再利用概率统计学中心极限定理分析一组充电机产生的谐波电流；文献5通过建立纯电动汽车高频充电机的一般等效模型的方法，研究了由不可控整流加大功率高频变换器的充电机产生的电流谐波的构成以及影响电流谐波含量的主要因素。PWM 整流桥构成的充电机控制复杂、成本高，因此使用较少，但其具有效率高、谐波小等优点；另外，不可控 12脉波整流桥充电机虽然目前没有相关产品，但因为其成本低、谐波小、控制简单，受到了人们的关注。文献6分析了单台充电机和多台充电机同时接入电力系统时产生

9、的谐波。本文针对集中式、采用常规充电方式的大型充电站，利用电磁暂态仿真工具 PSCAD/EMTDC7搭建第 35 卷 第 1 期 电 网 技 术 171 3 种充电机的仿真模型，分别对充电机接入电力系统所产生的谐波进行仿真分析和比较，并对多台充电机不同时投入电力系统情况下的谐波进行仿真分析。1 充电站及谐波测量模型 1.1 功率变换模型 充电机的工作原理是由整流电路对输入三相交流电进行整流，经滤波电路后，为高频 DC-DC功率变换电路提供直流输入，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为车用动力蓄电池充电，充电机原理框图如图 1 所示。输出滤波整流装置 ud 功率变换单元 三相电网IIUI I

10、oUo 图 1 充电机的一般结构框图 Fig.1 Block diagram of EV charger 充电机常规充电时间一般需要300 min 左右5，在该过程中输出电压和电流是变化的，但是在一个微元 ds 中可以认为充电机的输出电流 Io和输出电压 Uo是恒定的，即在一个微元 ds 中可以用一个非电阻R来近似模拟高频功率变换电路的等效输入阻抗。因此在整个充电过程中，可以用一个非线性变化的电阻 R 来等效代替高频功率变换电路。R 值的计算公式为 222IIIIIoIo o/()RUIUPUPUU I=(1)式中：UI、II、PI分别为高频功率变换电路的输入电压、电流和功率；Uo、Io、Po

11、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。R 值的控制程序使用 Fortran 语言，利用充电机参数计算输出功率曲线，用式(1)计算 R 值，然后将R 离散化，用内部时间函数 TIME 控制离散后的每个 R 值变化的时刻，使能够连续仿真充电机整个充电过程，程序流程图如图 2 所示。设定充电机基本参数开始 确定功率曲线 输入计算 R 的方程 每 10 min 采样 1 个 R 值实时改变 R 值 输出 Rc的值 结束 Fortran TIME 图 2 等效非线性电阻 R 的控制程序流程 Fig.2 Flow chart of non-liner resistance cont

12、rol 1.2 充电站模型 根据充电机原理设计谐波测量系统模型，电源采用10 kV供电，变压器为10/0.4 kV电压等级，dy11接法。电感电容值采用常见的充电机参数6，见 表 1。建立 1 台充电机的充电站仿真模型如图 3 所示。表 1 充电机参数 Tab.1 Parameters of charger and battery charging process 电感 L/mH电容 C/F输出电压 Uomax/V 输出电流 Iomax/A1.5 2 215 75 120 整流装置三相电网ABCABCi1l i2l i3l i1r i2r R 图 3 1 台充电机的充电站仿真模型 Fig.3

13、Simulation model for a EV charger 对于 3 种不同整流装置的充电机，考虑到交流侧输入电压相同，但整流输出电压不同，需改变 R值的大小，以保证充电机向蓄电池输出的电压不变。当对多台充电机组成的充电站建立模型时，只需将多台充电机并联在变压器低压侧。采用快速傅里叶变换方法分别测量各种充电机的变压器高压侧总电流、基波、3、5、7、11、13 次谐波8。2 3 种充电机接入系统的谐波分析 2.1 不控整流充电机谐波 由不控整流桥组成的充电机仿真拓扑如图 4 所示。三相不控整流桥直流侧电压为 Udc=1.35E=514 V，由此可以由程序流程图计算出充电过程中各点 R 值

14、。使用 PSCAD 中的快速傅里叶变换谐波测量模块，可以测得变压器高压侧总电流，5、7、11、13 次谐波电流大小如图 5 所示。ABCA B C R 图 4 三相桥式不控整流充电机仿真模型 Fig.4 Simulation model for uncontrolled rectifiers EV chargers 对采用三相桥式不控整流电路的充电机来说，脉动数 p=6，交流侧谐波次数主要为6k 1次，(k=1,2,3,)。由仿真结果可知，充电机主要产生5、7、11、13次谐波；谐波电流的大小随着充电时间的变化而变化，首先是逐渐增大，在150 min处谐波达到最大值，此时对应充电机输出功率的最

15、大值，之后快速减小，并在充电结束时刻达到最小值。n 次谐波电流含有率是指第 n 次谐波电流有效 172 李娜等：不同类型电动汽车充电机接入后电力系统的谐波分析 Vol.35 No.1 t/min(a)5次谐波电流 I/A 0.00 0.10.20.40.350 150 200 100 250 t/min(b)7次谐波电流 I/A 0.000 0.050.100.200.1550 150 200 100 250 t/min(c)11次谐波电流 I/A 0.000 0.040.080.1250 150 200 100 250 t/min(d)13次谐波电流 I/A 0.000 0.020.040.

16、100.0850 150 200 100 2500.06 图 5 不控整流充电机高压侧总电流和各次谐波电流 Fig.5 High voltage side total current and each harmonic currents of uncontrolled rectifier EV chargers 值占基波电流有效值的百分比。当谐波在最大值时，高压侧5次谐波含有率为26.9%，7次谐波含有率为16.2%，11次谐波含有率为8.9%，13次谐波含有率为5.1%。2.2 12 脉波整流充电机 12脉波整流电路分为并联和串联2种9，应用到充电机中时，考虑到充电机的功率变换单元输入电压不

17、能过高，需要控制整流电路的直流侧电压不能过高，因此12脉波整流充电机应使用并联电路。图6为12脉波整流充电机仿真模型。为使12脉波整流的2个整流桥输出瞬时电压在相位上错开30，2个桥式电路的电源由1台三绕组变压器供电，二次侧的2个绕组一个接成星形，一个接成三角形，三角形连接组的输出线电压超前星形连接组输出线电压30。由于2个变压器绕组相差30，同时并联连接的2个整流器的输出电压的瞬时值并不相等，会导致1台整流器因承受反压而关断，故需增设电抗器以保证2台整流器同时导通10，仿真选取平衡电抗器值为0.2 mH，按照整流输出电压值相应修改 R 值。电容电感的选取与三相桥式不控整流充电机相同，可得各次

18、谐波电流大小曲线如图7所示。ABCA B C R ABCABC 图 6 12 脉波整流充电机仿真模型 Fig.6 Simulation model for twelve-pulse rectifiers EV chargers t/min(a)5次谐波电流 I/A 0.0000.100.300.2050150 200 100 250 t/min(b)7 次谐波电流 I/A 0.0000.050.200.1550150 200 100 2500.10 t/min(c)11 次谐波电流 I/A 0.0000.100.300.2050150 200 100 250 t/min(d)13 次谐波电流

19、I/A 0.0000.100.200.1550150 200 100 2500.050.25 图 7 12 脉波整流充电机高压侧各次谐波电流 Fig.7 Different number of harmonic currents of twelve-pulse rectifiers EV chargers 12脉波整流电路主要含有12k 1(k=1,2,3,)次谐波。由仿真结果可知，在最大值时11次谐波的谐波含有率为6.1%，13次谐波的含有率3.4%，而5次和7次谐波分别为3.1%和1.5%。随着 R 值的变化，谐波电流先增大后减小，并在150 min处达到最大值。第 35 卷 第 1 期

20、电 网 技 术 173 2.3 PWM 整流充电机 由IGBT组成的三相电压型PWM整流器，仿真拓扑如图8所示。PWM的控制采用双闭环控 制11-13。电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，为达到较快的电流跟随性能，按典型I型系统设计电流PI调节器14，电压外环的作用是控制三相电压型PWM整流器的直流侧电压，应着重考虑电压环的抗扰性能，按照典型II型系统设计电压外环PI调节器15。交流侧电感取0.005 H，电阻取0.5 16-18，交流侧电容取2 215 F，直流侧电压控制在700 V。Ia Ib Ic Rg2 g5 g6 g3 g4 g1 Usa Usb Usc 图 8 P

21、WM 整流充电机仿真模型 Fig.8 Simulation model for PWM rectifiers EV chargers 图9为PWM整流电路任意时间段的交流侧电压和电流，交流侧电压与电流之间相角为零，且电流波形畸变小。图10为PWM整流直流侧电压，基本恒定为700 V。t/min I/kA,U/kV 0.4110 0.00.2111 114 115 113 1160.20.4112 Usa Ia 图 9 PWM 整流充电机交流侧电压与电流 Fig.9 AC side voltage and current of PWM rectifiers EV chargers t/min U

22、/kV 0 0.20.60.450 150 200 100 2500.00.8 图 10 PWM 整流充电机直流侧电压 Fig.10 DC side voltage of PWM rectifiers EV chargers PWM整流充电机变压器高压侧各次谐波含量为：5次谐波的最大含有率为3%，7次谐波为1.6%，11次谐波为1.29%，13次谐波为1.03%。PWM整流充电机的谐波随着 R 变化而变化的趋势较不明显，总体趋势与上述2种充电机相同。2.4 仿真数据分析 2.4.1 单台充电机 将各次谐波有效值对基波有效值比列于表2。由不控整流装置构成的充电机，主要含有5、7、表 2 3 种充

23、电机谐波含量 Tab.2 Harmonics of three types of EV chargers 充电机类型 基波/%5次/%7次/%11次/%13次/%不控整流充电机 100 26.90 16.2 8.90 5.10 12脉波整流充电机100 3.10 1.5 6.10 3.40 PWM整流充电机 100 3.00 1.6 1.29 1.03 11、13次谐波，其中5、7次谐波含量相比其他2种充电机高很多，因此虽然不控整流充电机结果简单不需要控制，成本低，但是在投入电网时，必须考虑是否需要加装谐波治理装置。12脉波的整流装置能够明显减小交流侧谐波含量，对于5、7次谐波，由于变压器等电

24、力设备原因，虽然不能完全消除，但数值很小。11、13次谐波相对较大。不可控12脉波整流充电机结构简单不需要控制。PWM整流充电机相对其他2种充电机各次谐波的含量很低，且交流侧功率因数为1，但是控制复杂，成本很高。2.4.2 多台充电机 考虑到每台充电机产生的谐波总是在充电机输出功率最大时达到峰值，而同一种充电机输出功率达到最大值的时刻相对充电开始时刻是固定的。因此可将多台充电机间隔投入系统充电，使谐波最大值错开，减小整个充电过程的谐波最大值。图11为10台不控整流充电机在不同投入方式下的变压器高压侧5次谐波电流大小对比。其中图11(a)为每30 min投入1台充电机，共10台所产生的5次谐波电

25、流；图11(b)为同时投入10台充电机产生的5次谐波电流。相对图11(b)情况，图11(a)总电流比 t/min(a)每 30 min 投入 1 台 I/A 0.001.50.51030 40 20 502.01.0 t/min(b)同时投入 10 台 I/A 0.001.50.550150 200 100 2502.52.01.0 图 11 10 台不控整流充电机在不同投入方式下的 5 次谐波电流大小 Fig.11 The 5th harmonic current of 10 uncontrolled rectifier EV chargers with different methods

26、of switch-in system 174 李娜等：不同类型电动汽车充电机接入后电力系统的谐波分析 Vol.35 No.1 图11(b)降低了23.3%，5次谐波电流降低了18%。当充电机台数一定时，同时投入系统的总电流和所需的容量大于间隔投入时的总电流和所需的容量。充电机投入系统的时间间隔越长，谐波电流最大值、总电流和所需容量越小，但是充电时间越长。对于相同台数的充电机，同时投入时谐波超过限制的持续时间大于间隔投入时的持续时间。3 结论 1）本文利用电磁暂态仿真工具PSCAD/EMTDC搭建不控整流、12脉波和PWM整流充电机的仿真模型，改进了非线性连续变化电阻的仿真方法，使之能够在一个

27、充电周期内连续仿真。该模型及谐波测量方法同样也适用于多台充电机组成充电站的谐波分析。2）不可控整流充电机产生的5、7次谐波数值较高，12脉波整流充电机能够很好地抑制低次谐波，PWM整流充电机各次谐波含量数值都很小，功率因数为1，但是控制系统复杂。3种充电机产生的谐波变化趋势相同，都在充电机输出功率最大的时刻达到谐波最大值 3）对于集中式、采用常规充电方式的大型充电站接入系统产生的谐波污染，除考虑加装谐波治理装置以外，还可以通过控制充电机的投入间隔对谐波起到一定的抑制作用。另外适当降低起始充电机台数，加大充电时间间隔，能够降低充电站峰值功率，因此可以通过控制充电机投入间隔释放供电变压器容量(即减

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