电动客车大功率充放电谐波问题研究

摇3摇6摇摇摇摇第4期摇摇摇摇摇摇摇摇摇BUS&COACHTECHNOLOGYANDRESEARCH摇摇摇摇摇摇摇No.4摇2019

电动客车大功率充放电谐波问题研究

王洪军,雷摇杰,马爱国,武云龙

(比亚迪汽车工业有限公司,广东深圳摇518118)

摘摇要:对电动客车大功率充放电谐波现状进行分析,提出解决大功率充放电谐波问题的几个方向。关键词:电动客车;大功率;充放电;谐波

中图分类号:U469郾72;U463郾6摇摇摇文献标志码:B摇摇

文章编号:1006-3331(2019)04-0036-04

ResearchonHarmonicsProblemsofHigh-powerChargeandDischargeof

ElectricBuses

(BYDAutomobileIndustryCo.,Ltd.,Shenzhen518118,China)

WANGHongjun,LEIJie,MAAiguo,WUYunlong

Abstract:Thispaperanalyzesthecurrentstatusofhigh-powerchargeanddischargeharmonicsofelectricbusesandproposesseveraldirectionstosolvetheproblemsofhigh-powerchargeanddischargeharmonics.Keywords:electricbus;high-power;chargeanddischarge;harmonics摇摇相较传统燃油客车,电动客车排放友好、噪声小,可通过大功率车载V2G充放电技术作为并网储能装置对电网削峰填谷,在缓解电网效率偏低的同时创造更多经济效益。但由于电动客车对电网充放电的电流超过100A,功率高达80kW,多车同时充电或同时放电会使电网负荷加重,导致电网侧谐波含量剧增,电网设备和用户设备被干扰,电力系统出现故障。因此,在实现电动客车大功率充放电功能的基础上,确保电网侧谐波含量趋于合理是大功率车载V2G充放电技术进步的重要一环。

过变压器本身的结构电容流过变压器壳体,导致变压器局部发热。

器损耗,使电容发热过温甚至炸裂。

3)高频谐波分量易流过电网电容器,增加电容4)使电网侧的电器设备出现失效或误动作情

2)谐波电流使变压器芯损和铜损增大,还会通

况。电网谐波过大还会渗透到其他公共电网,影响公共电网下电器设备的电源质量,干扰敏感设备的信号传输,导致电器设备无法正常工作。1郾2摇谐波相关标准

由于纯电动客车对电网放电的谐波专用标准还处于空白状态,纯电动客车对电网充放电的谐波标准主要参考IEC61000系列;同时部分国家和地区也会参考并网设备和电网本身的谐波要求。

相关标准为GB/T17625郾8—2015《电磁兼容限值每相输入电流大于16A小于等于75A连接到公用低压系统的设备产生谐波电流限值》[3],此标准根据IEC61000-3-12—2011转化而来[4],规定了三相平11次、13次)、偶次谐波电流(2次、4次、6次、8次、10衡设备在不同短路比下的奇次谐波电流(5次、7次、次、12次)及总谐波电流畸变率(THD)的限值要求,

1)充电谐波电流标准。国内电动客车充电谐波

1摇电动客车充放电谐波相关标准

1郾1摇充放电谐波的影响

充放电谐波的产生主要与非线性负载有关。通过电网对车辆充电时,车辆端的整流电路阻抗为变化值,其阻抗随外加电压的变化而变化,导致整流电路从电网吸取的电流不是理想正弦波。同样,车辆对电网放电时逆变电路和电网阻抗的不断变化也会导致电网从车辆端吸收的电流不是理想正弦波。充放电谐波会影响电网和电网负载的正常运行[1-2]:发热过温甚至损坏。

1)使电网供电线缆的损耗电压增大,且线缆易

作者简介:王洪军(1980—),男,高级工程师;主要从事新能源客车电器系统设计与开发工作。

摇第4期摇摇摇摇摇摇摇摇摇王洪军,雷摇杰,马爱国,等:电动客车大功率充放电谐波问题研究37

其中THD最小限值要求为13%。

限值主要有两类标准2)放电谐波电流标准:一类为放电谐波电流需满足充。电动客车放电谐波电流

电谐波电流限值要求;另一类为分布电源与电力系统互联的并网标准,如IEEE519—2014《电力系统谐波控制的建议做法和要求》[5]家以此标准作为并网设备的放电谐波要求,美国、加拿大、韩国等国。其规定了电力系统中奇次谐波(3次~49次)、偶次谐波(2次~50次)、及总谐波电流畸变率(THD)的要求,其中THD限值要求为5%。GB/T19939—2005《光伏系统并网技术要求》规定了光伏并网设备对电网的奇次谐波(3次~33次)、偶次谐波(2次~32次)及总谐波电流畸变率(THD),其中THD最小限值要求为5%,比充电谐波电流电压主要有两类标准3)充放电谐波电压标准13%的限值要求更严苛[6]:一类是。IEC电动客车充放电谐波。

61000-2-2—2017

《水平公共低压供电系统低频传导和信号传输的电磁兼容》,此标准规定了低压电网中的奇次谐波电压、偶次谐波电压及总谐波电压畸变率(THD)的限值要求,其要求THD臆11%;另一类为电网谐波电压标准,0郾GB38/TkV14549—1993电网的总谐波电压畸变《电能质量公用电网谐波》规定

压含有率臆4%,偶次谐波电压含有率臆5%臆2%,奇次谐波电,较IEC61000-2-2要求更严苛[7-10]。

2摇谐波测试及改善

2郾1摇谐波测试原理

谐波的测试方法有模拟滤波器测量法、傅里叶变换测量法、小波变换测量法、神经网络测量法等。目前使用最广泛的是傅里叶变换测量法,主要包括离散傅里叶变换和快速傅里叶变换,具有准确度高、使用方便的优点;缺点是采样和傅里叶变换的时间较长,实时性差。采用傅里叶变换测量法的常见测试设备有EMC谐波测试机、电能质量分析仪、功率计、波形记录仪、示波器等[11]。测试原理图如图1所示。

图1摇测试原理图

离双向V2GDC-DC,采用三相半桥电压型通过改变变流器工作状态和升降压PWM变流器和非隔

实现充放电功能,控制方式成熟,功能丰富,匹配的交流充电桩结构简单,成本低;但受限于工作效率和空间,大功率双向DC/DC无法和直流充电桩(快充)一样采用隔离变压器。

2郾2摇充放电谐波电流电压测试

文中电动客车对电网充放电通过2个2伊40kW车载V2G实现(交流慢充、慢放),最大充放电功率可达80kW。

值,均满足1)表1IEC为61000-33辆车充电时的-12的要求A相奇次谐波电流

。通过额定总电流和总谐波电流畸变率(THD)的数据可以发现,充电电流变大时THD减小,奇次谐波中5次、7次谐波电流含有率最大。

表1摇3辆车充电时A相奇次谐波电流值(交流慢充)

测试内容电流含有率/%5NO.NO.限值要求/%

7次谐波次谐波3郾12郾812NO.1郾8

32郾4

1郾9810郾139次谐波

3郾33次谐波0郾114

0郾0郾28230郾7郾70郾19383郾22

1额定总电流THD0郾52/A

6郾80412伊604郾723伊1204郾1513摇摇注:超标项一般为奇次谐波,所以表中未附偶次谐波数据。

电流值2),表均满足2为3IEC辆车对电网放电时的61000-3-12的要求A。相奇次谐波

放电时的谐波电流变化规律和充电谐波电流变化规律基本一致,放电电流变大时总谐波电流畸变率(THD)减小。

表2摇3辆车放电时A相奇次谐波电流值(交流慢放)

测试内容电流含有率/%5NO.NO.限值要求/%

7次谐波次谐波2郾12郾2NO.1郾242郾3139次谐波

1郾37次谐波0郾410郾311郾2510郾0郾120郾267郾70郾11283郾21额定总电流THD0郾34/A

3郾3180

832郾252伊8085

3伊802郾81

132

摇摇注:超标项一般为奇次谐波,所以表中未附偶次谐波数据。

值,均满足3)表3IEC为61000-2-23辆车充电时的和GBA/T相奇次谐波电压

14549的要求。

38客摇车摇技摇术摇与摇研摇究摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2019年8月

表3摇3辆车充电时A相奇次谐波电压值(交流慢充)

测试内容电压含有率/%3次谐波NO.NO.限值要求/%

0郾NO.159次谐波

0郾0郾1110郾0820郾0郾09321次谐波次谐波0郾030郾03额定总电流THD0郾13/A

0郾140郾11120郾041郾5

0郾14130郾50郾480

632伊600郾48

3伊1200郾54

11

3摇摇注:超标项一般为奇次谐波,所以表中未附偶次谐波数据。

电压值4),表均满足4为3IEC辆车对电网放电时的61000-2-2和GB/AT相奇次谐波

14549的要求。

表4摇3辆车放电时A相奇次谐波电压值(交流慢放)

测试内容电压含有率/%3次谐波NO.0郾1NO.NO.限值要求/%

0郾3159次谐波

0郾010郾221次谐波次谐波0郾040郾080郾050郾081郾5

0郾230郾25240郾040郾21220郾50郾4额定总电流THD/A

0郾2180

522伊600郾53

3伊1200郾55

11

3摇摇注:超标项一般为奇次谐波,所以表中未附偶次谐波数据。

2郾3摇谐波问题及分析

从测试数据来看,3辆电动客车大功率充放电谐波数据良好,未出现超标情况,随着充电总电流增大,充电谐波电流的THD还会因为每个V2G之间各次谐波的互相叠加而减小。实际上,由于大功率交流慢充、慢放时通过V2G与电网直接传导相连,若V2G自身谐波未处理好,各V2G谐波容易通过传导相互影响导致谐波加剧;而快充一般采用直流充电柜,使用了隔离变压器,部分谐波可被抑制。因此电动客车通过V2G对电网充放电仍存在以下谐波的优化问题:网冗余容量不足1)多车同时大功率充电时,低含量的谐波也会引发电网异常,电网负载增大,若电。

频率2)、大电流大功率车载、高电压特性V2G使用的,IGBT开关过程中的电流IGBT具备显著的高

、电压冲击会更明显,从而导致高频谐波含量增加。分谐波含量3)V2G,但多车同时充放电时自带滤波模块可滤除单车充放电的大部

,由于V2G采用非隔离DC-DC,每个V2G的滤波模块均通过电网传导

相连,最后形成一个复杂耦合滤波网络,若耦合滤波网络与电网同时产生谐振,电网谐波会更严重。状态不一致4)多车同时充放电时,导致各V2G之间易形成环流,各V2G的开关器件控制

,环流虽有助于减小总谐波电流畸变,但也可能使某次谐波含量剧增。

死区和漏电流引发的谐波易通过传导连接的耦合网5)多车同时充放电时,各V2G的开关器件内部络产生放大效应直接影响电网。

以多车同时大功率充电为例,2017年某地公交场站反馈夜间充电过程中变压器声音异常,产生周期性的异常啸叫声,同时变压器的运行温度很高。该场站共接有4台800kVA变压器,每台变压器带有10个60kW充电桩,经测试发现如下问题:

充电时1),同一变压器下的电网L1相总谐波电压畸变率达到10辆城市客车同时7郾9%60,kW虽然满足IEC61000-2-2的要求,但不满足GB/T14549中10高可达辆车同时充电时2)多车充电时存在潮汐变化的高次谐波电压5%的总谐波电压畸变限值要求。

7郾1%,远超L2GB相的,/T1454936次谐波电压含有率最中2%的偶次谐波电

压限值要求。2郾4摇谐波治理

2郾4郾1摇率很高时1)抑制车载V2G,PWM使用脉宽调制V2G谐波源

技术可以很好抑制输出中的低次谐(PWM技术)。在载波频

波含量,同时还可以通过控制开关器件通断时序减小某次谐波的含量。

以消除次数较低的谐波2)V2G使用多电平变流技术,重数越多。,波形越接近正弦多重方波叠加可

波,谐波含量越低,与PWM技术配合使用效果更好。集中在奇次谐波3)V2G增加换流装置脉动数,增加脉动数可以平滑波形。谐波的主要成分,减小幅值较大的低次谐波含量,如12脉、18脉整流器。2郾4郾2摇使用抑制V2GV2G无源滤波装置谐波传播途径

,无源滤波器可以给特定频率的谐波提供一个低阻抗回路,让谐波通过滤波器回到谐波源头,使谐波不会流经电网。传统的LC滤波器由滤波电容器、电阻器和电抗器组成,可以在一定程度上净化电网谐波,成本低,效果较好,但局限

摇第4期摇摇摇摇摇摇摇摇摇王洪军,雷摇杰,马爱国,等:电动客车大功率充放电谐波问题研究39

性很强,针对不同谐波需设计不同滤波回路(如多级2郾4郾3摇充放电车辆总功率合理配置滤波器)来滤除大部分谐波[12]。

备产生谐波电流限值:GB/T17625郾8—2015[S].北京:中国标准出版社,2016:6-11.

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技术要求:GB/T19939—2005[S].北京:中国标准出版社,2006:4-8.

[7]Electromagneticcompatibility(EMC)-Part2-2:Environ鄄

ment-Compatibilitylevelsforlow-frequencyconducteddis鄄systems:IEC61000-2-2—2017[S].2017.

turbancesandsignalinginpubliclow-voltagepowersupply[8]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电能质量

公共电网谐波:GB/T14549—1993[S].北京:中国标准出版社,1994:1-6.

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通过配置合理的充放电总功率可减小谐波对电

网的影响。供电系统短路容量与接入设备短路容量之比为短路比,短路比越大,同样大小的谐波电流对系统的影响越小,电网抗干扰能力越强,因此可通过设置部分系统容量冗余来增强电网的抗干扰能力。此方法同样可解决多车同时大功率充电出现的变压器异常啸叫问题,但成本较高。

3摇结束语

电动客车大功率V2G充放电技术正处于快速发展阶段,随着大功率V2G充放的增多,电网负荷急剧加重,电网侧的谐波问题会变得愈加严峻。在实现多车同时大功率充电或放电的同时,确保电网侧谐波含量趋于合理,是大功率V2G充放电批量化应用必须解决的问题。参考文献:

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[3]全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容限值每相输

入电流大于16A小于等于75A连接到公用低压系统的设

收稿日期:2019-03-11

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