２０１１年ｌ０月 第３９卷 第５期（总第２１６期） 吉 林 电 力 Ｊｉｌｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｏｃｔ．２０１１ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．５（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２１６） 电动汽车充电站实测谐波电流问题分析 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｃｔｕａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ 徐景彪 ，衣忠科 ，王子俨。，贾 艳 （１．吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 １３００２１；２．白山供电公司，吉林 白山，１３４３００； ３．东北电力大学，吉林 吉林 １３２０１２；４．吉林省电力有限公司培训中心，长春 １３００２２） 摘 要：根据电动汽车充电站的谐波实测数据统计分析，发现实测电流中存在３次谐波，这与理论分析的结果不 符，利用计算机仿真技术Ｍａｔｌａｂ在充电机上与实测相结合，证实是由负荷不对称使中性点偏而移引起的，采用有 源消谐装置可抑制电动车充电站的谐波，因谐波总量很小，所造成的影响十分有限。 关键词：谐波电流；电动汽车充电站；仿真 中图分类号：ＴＭ７１２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—５３０６（２０１１）０５—００４２—０３ 目前电动汽车充电站在我国已经陆续投入使 用。作为能源替代、节能减排以及智能电网的重要组 成部分之一，未来的几年里电动汽车将实现产业化 和规模化，随着充电站的日渐增多必然会对电网产 要检验充电机在工作时所产生的谐波对电网的影 响。执行的技术标准是：ＧＢ ２４３３７－－２００９￣电能质 量量公用电网间谐波》、ＧＢ １２３２６－－２００８《电能质 电压波动和闪变》以及ＧＢ １５５４３一－２００８￣电能 生影响，因此研究有关电动汽车充电时对电网的影 响就显得尤为重要。 充电机对电动汽车充电时会产生谐波，目前国 质量三相电压不平衡》。选用测试点：电流、电压取 在测试过程中根据相关要求，对每个谐波测点 自充电站主变压器高压侧互感器二次回路。 测量不少于３０次。对所测谐波数据变化不大的，取 ５次比较接近的测试值的算术平均值作为衡量该测 内已经有很多相关的理论研究，但是这些理论必须 要经过实验数据来检验。理论分析认为，以变压器 ｄ，ｙｎｌｌ主接线的充电站，因二次是ｙｎ接线，３次谐 波会相互抵消，应不存在３次谐波电流和电压。但在 某充电站取得的实测数据中发现，３次谐波电压和 电流不但存在，而且还比较高，这表明理论与实际之 点的谐波水平依据；对于谐波测试数据变化较大的， 按９５％概率取值，三相谐波数据以最大的一相作为 考核依据。 间存在明显差异。通过仿真计算和分析电流、电压谐 波，找到这种差异产生的原因。 ２谐波电流测试结果 ２。１测试步骤及结果 １ 测试条件 充电实验为公交车４台，电池容量分别为２台 １８０ Ａ・ｈ和２台３００ Ａ・ｈ。所用仪器是Ｅｌｓｐｅｃ Ｇ４５０Ｏ型电能质量分析仪，该仪器能同时测试三相 电压、三相电流的谐波、电压闪变及三相电压允许不 平衡度，谐波电压及谐波电流最高可分析至５Ｏ次， 分别在３台和４台充电机同时工作时，及有源 消谐装置投入和退出状态下，测试电网侧谐波电流， 测试结果见表１。其中，谐波电流允许值是以 １００ ＭＶＡ为基准短路容量。测试的步骤：在有源消 谐装置退出和投人后，分别测试３台和４台充电机 工作时电网侧的谐波电流百分比，即：开始为３台充 电机给汽车充电，并且有源消谐装置在退出状态；过 采样频率高达每周期１ ０２４个采样点。本次测试主 ２０ ｍｉｎ后将有源消谐装置投入；１０ ｒａｉｎ后再投入 收稿日期：２０１１－０２—２８ 作者简介：徐景彪（１９５８一），男，高级工程师，从事电动汽车充电技术研究工作。 ・４２・ ２０１１年１０月 第３９卷 第５期（总第２１６期） 第４台充电机为汽车充电；再过１０ ｒａｉｎ把有源消谐 装置切除；４台充电机在无消谐装置下再运行２０ ａｒｉｎ试验结束，全部试验共历时１ ｈ。 ２．２测试结果分析 充电站谐波主要是以３次和５次为主，以５次 谐波最大，其他高次谐波电流值很小，可以忽略 不计。 工作原理是脉宽调制（ＰＷＭ）整流＋ＤＣ／ＤＣ变 换器（有高频变压器）的电动汽车充电机本身的谐波 电流值很小，４台机同时工作时，不经消谐装置，其 充电站电网侧的谐波电流水平只在０．２ Ａ左右，满 足ＧＢ ２４３３７－－２００９、ＧＢ １２３２６—２００８以及ＧＢ １５５４３－－２００８等相关标准。 有源消谐装置对谐波的抑制作用非常明显，在 最大充电负荷约占该充电站全部额定充电能力的 ２Ｏ％情况下，各次谐波电流消除率在５０％以上。随 着充电负荷的增加，各次谐波含量将会有变化，但有 源消谐装置对谐波的抑制作用也将有所提高。 通过对１台、２台、３台、４台充电机的谐波实测 并对比分析后发现，充电机数量增加，各次谐波电流 有效值也将增加，但充电机彼此之间会发生谐波电 流相互抵消现象，使得各次谐波电流数值虽然有所 增加，但并不是各台充电机产生的各次谐波电流之 代数和，原因是不同充电机所产生的谐波相互抵消 一部分，可导致 次谐波总谐波畸变率小于单台充 电机工作时的ｎ次谐波畸变率，各次谐波含有率的 幅值也会减小，而且多台充电机同时工作时，电流谐 波总畸变率和功率因数波动小．同时工作的充电机 数量越多，电流谐波总畸变率和功率因数越接近于 恒定。 各种工况下充电站中的各次谐波电流百分比随 着时间衰减，这与充电机的充电电流相关，充电负荷 越大，则谐波电流百分比越高。 该充电站电源侧的变压器接线方式为ｄ，ｙｎｌｌ 点接线方式，二次中性点接地系统本身就可以对３ 次谐波起到消除的作用，所以该系统理论上来说不 Ｏｃｔ．２０１１ Ｎｏ．５（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２１６） 应该有３次及３的整数倍谐波的存在；但是由实测 结果（见表、１）可以看出，充电站确实存在３次谐波 电流，且３次谐波电流百分比小于５次谐波电流百 分比，这与理论分析结果不相符。 根据纯电动汽车充电站谐波分析的模型方 法＿１］，Ｕ相谐波电流计算公式： ｉ （ ）一５ （ ） ｄ（ ） 一—ｌ８ ２ Ｕ （一１） ．，ｎ（ ．、）一—３６￣／２ （一１）ｌ＋Ｐｓｉｎ（ｍｗｔ）ｃｏｓ（ 一 ） ｎ＝６ ｎ（７ｚ＋１）（ｎ－－１）ｌｚ ｛ 其中：Ｒ 和 分别为充电机在充电时的直流阻抗 和 次谐波阻抗； 一６ｄ，ｄ一１，２，…，。。； 为 次 谐波阻抗角；ｉａ（ ）为Ｕ相电流的直流分量和各次谐 波分量之和；Ｓ （ｆ）为晶闸管开关函数；Ｕ为直流侧 整流输出电压幅值；ｍ一６ｌ±１，ｍ一０，１，２……， ｍ＞０。 ｆｌ １ 罢≤ ≤娑 Ｏ Ｏ ５ （￡）一 ０ 其他 ｌＬ 一１ ≤ｏＯ Ｊｔ≤ Ｕ 由上式可得，充电机的交流侧各项输入电流主 要成分，由基波和５、７、１１、１３、ｌ７、１９次等高次谐波 组成，且谐波电流的幅值是随着谐波次数的升高而 减小的。从测得的数据上来看，３次谐波电流百分比 要低于５次谐波电流百分比。如果２种谐波均是由 同一原因引起，则３次谐波电流百分比应大于５次 谐波电流百分比。由此可见，３次谐波与５次谐波产 生原因并不相同。这样３次谐波产生的原因就不可 能是由充电机引起，而是由其他原因而引起的。 实际上电动汽车充电站的三相负荷不是完全对 称的。当中性点接地系统的三相负荷不对称时，系统 中性点会发生偏移（见图１）。 对于三相对称的中性点接地系统，３次谐波有 如下规律： “ ３： Ｕ ｓｉｎ（３ ＋ ・４３・ ２０１１年１Ｏ月 第３９卷 第５期（总第２１６期） 吉 林 电 力 Ｊｉｌｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ ０ｃｔ．２０１Ｉ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．５（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２１６） 于是有 。－￣－－Ｕ 。＝ 。，３次谐波在此状态下才会 相互抵消。当中性点发生偏移后，假设Ｖ相发生偏 移，设偏移角为 ，有： 一 ９ 。 ３一 一２ Ｕ ｓｉｎ［３（ ＋－ ４－７ｃ＋７）＋ ￣／， Ｕ ｓｉｎ（３ｃ￡，￡＋３ ＋ ） 这样中性点就会有３叩角度的偏移，而产生３次 谐波电压。该３次谐波电压与中性点对地形成回路， 图１ 系统中性点偏移向量图 “ 。：产生３次谐波电流。利用Ｍａｔｌａｂ在充电机上进行谐 波仿真计算，可以证实上述观点。仿真时采取单台充 电机＋ｄ，ｙｎｌ１接线方式，谐波电流系数见表２。 表２中：ｚ， 为谐波电流实部和虚部； 次谐波 ￣／厂 ｓｉｎ（３（ｃｏｔ－｛－７【）＋ －．￣ ＝￣／２【， ｓｉｎ（３ｏｏｔ＋ Ｕｗ３￣，／ ｓｉｎ［３（ｃＵｆ＋．ｉ４兀）＋ 电流为：ｉ ＝ ＋Ｊｙ ，电流幅值的平方为｝ｉ ｌ ＝ ：＋ Ｙ：；Ｐ为充电机的直流侧输出功率； ：ａａＰ。＋ 口２Ｐ ＋以１Ｐ＋ｎｏ； ：口３Ｐ。＋０２Ｐ ＋口１尸＋ ｏ［引。 ：￣／２ Ｕ ｓｉｎ（３ｃｏｔ＋ ） 表２充电机Ｍａｔｌａｂ仿真的单台充电机充电时的谐波电流系数 当Ｐ＞０时，任意次谐波电流的实、虚部大小均 含有率满足相关标准。 ｂ．ｄ，ｙｎｌ１接线的充电站不应存在的３次谐波， 实测电流中存在３次谐波是由于负荷不对称使中性 随Ｐ值增大单调增加，但是变化后各次谐波大小的 相对关系仍然保持不变，Ｐ值的大小不影响整个谐 波含有率在总电流中的趋势。当Ｐ一２ ｋＷ时，由表 ２可见，中性点直接接地系统在不考虑３次及其 次谐波时，由充电机引起的谐波电流幅值的大小是 随着谐波次数的增大而减小的。 点偏而移引起的，因３次谐波总量很小，所造成的影 响十分有限。 参考文献： ３结论 ａ．有源消谐装置对电动车充电站的谐波抑制起 ［１］牛利勇，姜久春，张维戈．纯电动公交充电站谐波分析 的模型方法口］．高技术通讯，２００８，１８（９）：９５３—９５７． ［２］ 卢艳霞，张秀敏，蒲孝文．电动汽车充电站谐波分析 口］．电力系统及其自动化学报，２００６，１８（３）；５１—５４． 到至关重要的作用，其对各次谐波电流的消除率在 ５Ｏ％以上，可以在各种工况下使电动车充电站谐波 ・４４・ （编辑李健平）