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1、电动汽车充电站的谐波治理徐挺挺( 崇明电力公司 , 上 海202150)摘要:电动汽车充电站工作时谐波电流很高, 输入电网会 造成电能 质量降低等 负面影响。分 析了三种典 型结构的充电机对电网的谐波影响,提出了大型充电站谐波污染的针对性治理 方法 , 介绍了它们 的治理效 果及其优缺点。关键词 :谐波 ; PWM 整流 ; 有源电力滤波器;电压型变流器中图分类号 :TM11文献标志码 :B上海崇明陈家镇低碳生态社区将建设成具有鲜明海岛田园特色的现代化低碳生态社区,成为上海新一轮发展的低碳生态示范城镇和具有国际知名度的低碳生态国际示范社区。社区能源方面将构建 以公用电网供电为依托、以可再生能源
2、优化互补为特色的低碳能源供应体系。根据陈家镇总体规划和区域电力专业规划, 结合目前实际情况,上海崇明陈家镇电动汽车充电站建设地点已选址于上海崇明县陈家镇综合交通枢纽旁, 其功能是为各类电动汽车提供充电及换电服务。电动汽车充电站是种非线性设备, 工作时谐波电流很高 , 输入电网会造成电能质量降低等负面影响 , 对公用电网是一种污染。一个大型的充电站有很多这样的充电机, 为了消除和抑制谐波污染, 有必要对大型充电站的谐波污染进行治理。1充电站充电技术分析电动汽车充电机工作原理主要有三种: 不控整流 + 斩波器 ; 不控整流 + DC/ DC 变换器 ( 有高频变压器 ) ; PWM 整流 + DC
3、/ DC 变换器 ( 有高频变压器 ) 。第一类充电机由工频变压器, 不控整流和斩波器组成。特点是直流侧电压纹波小, 动态性能好,工频隔离 , 体积大 , 电网侧电流谐波大和变换效率低。第一类充电机属于早期产品, 对电网注入的谐波电流大, 5 次谐波电流含有率为60%69%, 7 次谐波电流含有率为40% 49%, 11、 13次为 10% 13% 。电流总畸变率达86. 2%。此类充电机谐波电流大,不适合接入公用电网。第二类充电机由工频变压器, 三相不控整流 ,高频变压器隔离DC/ DC 变换器组成, 由三相桥式不可控整流对三相交流电进行整流, 滤波后为高频 DC/ DC 功率变换电路提供输
4、入。功率变换电路的输出经过输出滤波电路后, 为动力蓄电池充电。特点是直流侧电压纹波小, 动态性能好 , 高频隔离 , 体积小 , 电网侧谐波电流大(30% )和变换效率低。第二类充电机比第一类已有较大改善, 电流总畸变率达26%, 奇次谐波电流较大,特别是 5、7、 11、 13 次谐波远大于相关国家标准的规定。第三类充电机由三相PWM 整流和高频变压器隔离 DC/ DC 变换器组成, 部分 结构图如图1所示。整流侧采用PWM 技术 , 增加了充电机成本, 但优势体现在功率因数高, 电网侧电流谐波较少, 注入电网的电流的总畸变率可以小于5% , 相应各次谐波电流也小, 高频隔离 ,装置体积较小
5、,输出纹波低 , 动态性能好 , 变换效率高。采用第三类充电机不需加装谐波治理装置。2谐波污染治理方法及应用效果针对时下应用最为广泛的第二类充电机, 其满载工作的输入功率因数小于0. 95, 谐波电流总畸变率达到26%, 对电能质量影响较大 , 可采用有源滤波器在低压母线侧集中补偿, 补偿容量可按不小于充电机总功率的20%配置。2. 1有源滤波器技术2. 1. 1有源电力滤波器(APF)有源电力滤波器( APF) 是一种用于动态抑制谐波、 补偿无功的新型电力电子装置, 它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿, 之所以称为有源,顾名思义该装置需要提供电源, 其应用可克服LC 滤波器
6、等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点( 传统的只能固定补偿),272工程与技术上海电力2011 年第 3 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 实现了动态跟踪补偿, 而且可以既补谐波又补无功。三相电路瞬时无功功率理论是APF 发展的主要基础理论 , APF 有并联型和串联型两种 , 前者用的多。并联有源滤波器主要是治理电流谐波,串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较, 治理效果好,
7、主要可以同时滤除多次及高次谐波, 不会引起谐振 , 但是价位相对高。图 1三相有源电力滤波器( APF) 系统2. 1. 2三相有源电力滤波器( APF)三相有源电力滤波器 ( APF) 系统如图1 所示,是采用现代电力电子技术和基于高速DSP 器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流, 并将模拟电流信号转换为数字信号 , 送入高速数字信号处理器( DSP) 对信号进行处理 , 将谐波与基波分离, 并以脉宽调制( PWM ) 信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲 , 驱动 IGBT或 I
8、PM 功率 模块 , 生成与电网谐波电流幅值相等、 极性相反的补偿电流注入电网, 对谐波电流进行补偿或抵消, 主动消除谐波。2. 2有源滤波器的主电路及接入方式目前应用的有源滤波器多种多样,但总的来说, 其主电路都是基于脉冲调制(PWM ) 变流器的, 由于变流器有电压型变流器(V SC) 和电流型变流器 ( CSR) 两种。两种变流器都可以应用于各种有源电力滤波器中。电压型PWM 整流器最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能, 从而使 V SC 直流侧呈低阻抗的电压源特征;电流型 PWM 整流器的拓扑结构的最显著特征就2732011 年第 3 期上海电力工程与技术名师资料总结 - -
9、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 是直流侧采用电感进行直流储能, 从而使 CSR 直流侧呈高阻抗的电流源特性。电流源型结构更容易跟踪补偿负荷的谐波电流,但电流源型式的主电路损耗较大, 在交流侧需要加装更大的滤波电容来滤除不需要的谐波电流,且电流源型结构不利于多重化, 因而限制了有源电力滤波器的容量。而电压源型有源电力滤波器具有结构简单、 质量轻、损耗小、价格便宜、可降低开关器件的开关频率等优点, 因而一直在有源电力滤波器中得到广泛应用
10、。2. 2. 1并联型有源电力滤波器电力系统的谐波有两类,即电流源型谐波源与电压源型谐波源。因理想电流源的内阻是无穷大,因此,采用串联补偿的方式不能滤除谐波。而对于电流源型谐波源 , 只能采用并联滤波进行分流才能对注入到电力系统中的谐波进行抑制。滤波效果与成本会因为谐波源的性质是偏于电流源还是偏于电压源而有所不同。如谐波是由用户自己产生,则基本属于电流源型 , 故应采取并联滤波。为消除各节点电压的谐波, 应该采用就近并联谐波补偿等措施, 补偿谐波电流与非线性负荷注入谐波电流大小相等, 方向相反 , 从而使各个节点注入的谐波电流为零, 以最终消除各个节点电压的谐波。并联型有源滤波器的主要功能是使
11、补偿电流ic( t) 能快速跟踪负荷电流中的谐波电流, 从而使流入配电系统的谐波电流很小, 避免对系统的污染。为了提高跟踪能力, 同时提 高 dic( t) / dt, 一般要么减小有源滤波器的等效电感L, 要么提高逆变器的输出电压uc(t) 。但应注意 , 有源电力滤波器的等效电感不能无限制地减小。当L 过小时 ,有源电力滤波器输出电流中基于开关频率的特征谐波就会很大。所以, 提高逆变器输出电压uc( t)就成为提高有源电力滤波器的有效手段。2. 2. 2串联型有源电力滤波器虽然并联就地补偿可以完全消除非线形负荷造成的谐波问题, 但许多情况下 , 由于电力系统负荷组成很复杂 , 难以准确地找
12、到非线性负荷所在的位置 , 或者更有非线性负荷分布在许多节点上,因此很难利用就地并联补偿来彻底补偿电压的谐波。为了更有效地消除谐波电压的影响, 为用户提供无污染的电压, 串联型有源滤波器正在逐步受到电力用户的欢迎。串联型有源滤波器可快速补偿系统节点上电压的异常 , 其容量可由用户根据自身容量灵活决定, 较适合对电能质量要求较高的用户使用。采用检测负载谐波电压控制方式, 串联型有源电力滤波器投入工作时, 首先应检测负载谐波电压, 然后产生一个与负载谐波电压大小相等, 方向相反的谐波电压进行补偿。补偿后, 电源电流会发生变化 , 从而使得整流桥桥臂的导通角增加,进而使其交流侧电压波形也随之发生变化
13、, 最终导致负载谐波电压增加。同时, 有源电力滤波器所产生的补偿电压所跟踪的负载谐波电压的变化也随之增大。这种状态将一直持续到最后负载谐波电压保持不变 , 有源电力滤波器进入补偿的稳定状态。只要串联型有源电力滤波器能实时产生与负载谐波电压大小相等、 方向相反的补偿电压,就能取得理想的补偿效果,从而使电源电流接近正弦波。3结语综上所述 ,充电站接入对电网运行是有影响的, 目前主流的第二类充电机配有源滤波器集中补偿的消谐方法还是卓有成效的: 它能将2 50次谐波有效地抑制, 可修正电流波形, 提高功率因数, 有效地抑制谐波干扰。有源滤波除了滤除谐波外 , 同时还可以动态补偿无功功率, 其优点是反映
14、动作迅速 , 滤除谐波可达到95% 以上。但还是需要从多方面采取措施。充电机供货商应该采用先进技术降低设备对电网的谐波注入, 比如采用第二类充电机+ 有源滤波器取代第一类充电机 , 但可能治理效果仍不够理想时需采用第三类充电机( 在经济条件允许的情况下) ; 也需要考虑多台充电机同时工作时谐波电流叠加对电网的影响。设计单位在方案设计时, 也需对不同类型的充电机及其谐波污染治理方案进行经济技术分析 , 从经济和技术两方面进行综合评价。参考文献 : 1胡兆庆 ,毛承雄 , 陆继明等 .一种新型的直流输电技术H VDCLight J . 电工技术学报 , 2005, 20( 7) : 12 16.
15、2文俊 , 张一工 , 韩民晓等 . 轻型直 流输电一 种新一 代的 H VDC 技术 J . 电网技术 , 2003, 27( 1) : 47 51. 3武娟 , 任震 , 黄雯 莹等 . 轻型直 流输电的运行机理和特性 分析 J . 华南理工大学学报, 2001, 29( 8) : 41 44.收稿日期 :2011 03 10作者简介 : 徐挺 挺( 1980 ) , 男, 助理 工 程 师, 从 事变 电 运行、 智能电网等项目 。( 编辑 :孟晶)274工程与技术上海电力2011 年第 3 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -