混合型電力濾波器在充電樁建設(shè)中的應(yīng)用

隨著化石能源的急劇消耗和環(huán)境的持續(xù)惡化，電動(dòng)汽車的發(fā)展是可以解決環(huán)境和能源問題的有效途徑，因此各國(guó)開始大力發(fā)展電動(dòng)汽車。雖然現(xiàn)階段的電網(wǎng)能夠承擔(dān)為電動(dòng)汽車充電所需的容量，但是電動(dòng)汽車的充電樁在接入電網(wǎng)后，仍然會(huì)嚴(yán)重危害了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，比如對(duì)電網(wǎng)中各次諧波的含有率和總諧波的畸變率明顯上升，補(bǔ)償無功功率所需的無功補(bǔ)償器不夠，若充電站充電時(shí)刻沒有良好的規(guī)劃，發(fā)電廠的生產(chǎn)，電壓偏移和電壓閃變也會(huì)帶來相當(dāng)大的不良影響。

截至2022 年6 月底，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)1 001 萬輛，占汽車總量的3.23% 。其中，純電動(dòng)汽車保有量為810.4 萬輛，占新能源汽車總量的80.93% ，且到2022 年6 月，我國(guó)新能源汽車依然延續(xù)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，產(chǎn)銷分別完成59 萬輛和59.6 萬輛，創(chuàng)歷史新高。上半年，新能源汽車產(chǎn)銷累計(jì)分別完成266.1 萬輛和260 萬輛，同比均增長(zhǎng)1.2 倍。充電站作為電動(dòng)汽車必備的配套設(shè)施，必將進(jìn)行大規(guī)模的建設(shè)，但是充電站作為一個(gè)大負(fù)荷的非線性負(fù)載，建設(shè)時(shí)必須考慮諧波的抑制問題。

1 電動(dòng)汽車充電站的諧波特點(diǎn)

以PWM 型充電站為例，研究充電站中的諧波變化情況，如圖1 所示，濾波模塊左側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電，濾波模塊右側(cè)部分為1 個(gè)PWM 型整流電路，濾波模塊及右側(cè)整流模塊共同組成一臺(tái)充電樁，對(duì)于一個(gè)充電站來講，有多臺(tái)充電樁并聯(lián)共同接入到三相電網(wǎng)中。

為了研究充電樁接入電網(wǎng)的諧波情況，在這里假設(shè)充電站所接的是標(biāo)準(zhǔn)的三相電源，A、B、C 三相電壓分別用以式（1）~（3）表述：

以a 相為例，PWM 整流器的開關(guān)函數(shù)為W_a(t)：

通過傅里葉變化，可以將W_a(t)變換為：

然后通過平移可以得到b相和c相的開關(guān)表達(dá)式：

整流后直流側(cè)的電壓為：

忽略死區(qū)效應(yīng)，將以上公式代入上式得PWM 整流后輸出電壓。

假設(shè)充電樁直流側(cè)的直流電阻Z_d ，n次諧波阻抗為：

I_d(t)為充電樁整流后輸出電流為：

式（9）中的E 為電池的反向電壓，上述進(jìn)行整理得

A 相電流表達(dá)式為：

I₁ 為a 相基波電流的有效值， I_n 為a 相n 次諧波的有效值。從而可以得到單臺(tái)充電樁接入電網(wǎng)時(shí)諧波具有以下特點(diǎn)：

1）充電樁接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)將含有6k ±1次諧波，諧波含量隨著諧波的次數(shù)增加而減小。

2）5 次和7 次等低次諧波是影響電能質(zhì)量的主要因素，但是眾多諧波源的其他次諧波也將對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

3）諧波與基波之間的關(guān)系不是確定不變的，與電動(dòng)汽車的電池電壓有很大的關(guān)系，若將電池等效為非線性電阻R_x，則在充電過程中電池的等效電阻變大，充電樁直流側(cè)的負(fù)載越輕，即ωRC 越大，諧波含量越大。

在大多文獻(xiàn)中為了能夠方便研究，將充電樁的負(fù)載部分等效為一個(gè)非線性電阻，電阻變化情況可以根據(jù)式

（12）進(jìn)行處理。

式中，R_x 表示等效電阻的阻值； η 為充電效率，大小在90% 以下； U₁ 為DC/DC 功率變換器輸入側(cè)兩端電壓；P₁ 為高頻變換器的輸入功率； P₀ 為其輸出功率。

電池充電過程有3 個(gè)階段，分別是涓流充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段，涓流充電階段充電電流很小，不做過多分析。在恒流充電階段，電池電壓上升最大，甚至可以達(dá)到額定電壓的85% ，為了保護(hù)電池的使用壽命及安全方面著想，隨著電池電壓的上升，充電樁的輸出電壓也上升，當(dāng)充電樁的輸出電壓達(dá)到最大時(shí)，輸出電壓保持不變，進(jìn)入第3 個(gè)充電階段，即恒壓充電階段，在恒壓充電階段，電動(dòng)汽車的電池電壓持續(xù)上升，但是充電樁的輸出電壓不再變化，那么充電電流就會(huì)減小，充電樁的輸出功率降低，電池充電電流由最大值變?yōu)樽畲箅娏鞯脑O(shè)定值。

根據(jù)充電樁充3 個(gè)充電過程和充電站充電樁數(shù)量及每臺(tái)充電站工況的不確定性，從而將導(dǎo)致充電站諧波的巨大不確定性。

2 混合型電力濾波器的設(shè)計(jì)

對(duì)于任何一個(gè)電動(dòng)汽車充電站來講，充電樁的數(shù)量都是比較多的，特別是一個(gè)大型充電站，充電樁數(shù)量可能達(dá)到上百臺(tái)，若所有充電樁都工作在恒流充電階段，將是一個(gè)巨大的負(fù)載。充電站建設(shè)時(shí)所需的有源濾波器容量是一個(gè)非常大的數(shù)字，所耗費(fèi)的資金也是一個(gè)龐大的數(shù)字，并且不利于后期的維護(hù)，因此僅僅使用有源電力濾波器不滿足電動(dòng)汽車充電站的諧波抑制。LC 濾波器具有成本低廉和高效率的優(yōu)勢(shì)，但是電力系統(tǒng)的各方面的變換都會(huì)引起補(bǔ)償效果，對(duì)于充電樁一直處于變換的諧波不能達(dá)到好的補(bǔ)償效果。

有源濾波器分為串聯(lián)型有源濾波器和并聯(lián)型有源電力濾波器，單獨(dú)使用串聯(lián)型有源濾波器與單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器是對(duì)偶關(guān)系，他們的一些特點(diǎn)正好相互對(duì)應(yīng)的：

由表1 所示，由于電動(dòng)汽車充電樁屬于阻感負(fù)載的整流電路，因此本文使用并聯(lián)型有源濾波器對(duì)充電樁的諧波進(jìn)行抑制。

有源濾波器主要由主電路，驅(qū)動(dòng)電路，控制電路和指令電路共同作用。其中控制電路，驅(qū)動(dòng)電路的作用是將PWM 信號(hào)處理成IGBT 能夠使用的信號(hào)，主電路主要由IGBT 構(gòu)成，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的開關(guān)信號(hào)來產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流，指令電路的作用是提取三相電網(wǎng)中需補(bǔ)償?shù)碾娏餍盘?hào)。在工作工程中，主電路處于逆變狀態(tài)。

2.1 有源濾波器的設(shè)計(jì)

2.1.1 指令電流運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)

指令電流運(yùn)算電路是有源濾波器的基礎(chǔ)，主要為電力濾波器求所需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量。指令電路是采取基于瞬時(shí)無功功率的方法對(duì)諧波電流進(jìn)行提取，在提取過程中，首先檢測(cè)出電路中的電流信號(hào)的基波分量，然后總電流信號(hào)減去基波分量得到諧波分量。由于其適用范圍廣，被廣泛應(yīng)用于諧波檢測(cè)。

2.1.2 電流跟蹤控制電路的設(shè)計(jì)

電流追蹤的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的關(guān)系，最終得到補(bǔ)償電流發(fā)生電路所需要的各器件開關(guān)的PWM信號(hào)。在這里我采用瞬時(shí)值比較的方式。

2.1.3 主電路的設(shè)計(jì)

研究表明，目前階段使用電壓型有源電力濾波器的所占的比例為93.5% ，電流型有源濾波器所占的比例為6.5。目前主流的有源電力有源濾波器為電壓型。

2.1.4 主電路容量的設(shè)計(jì)

有源電力濾波器存在的目的是為了查漏補(bǔ)缺，LC 濾波器將充電站所產(chǎn)生中的主要諧波抑制掉，但是還有一些含量較少的諧波需要使用有源濾波器進(jìn)行抑制，針對(duì)電動(dòng)汽車充電樁，有源濾波器的容量不需要過大，可以使用以下式（13）進(jìn)行計(jì)算：

2.2 有源濾波器的設(shè)計(jì)要注意兩個(gè)問題：

1）有源濾波器的補(bǔ)償容量與補(bǔ)償電流有關(guān)，在電動(dòng)汽車充電樁中，要根據(jù)LC 濾波器濾除后剩下部分的電流。

2）主電路的耐壓水平和電網(wǎng)中相電壓的峰值有關(guān)，由式（13）可以求出，避免不必要的浪費(fèi)。

為有效與有源濾波器配合，降低充電站的濾波成本，需要設(shè)計(jì)無源濾波器與有源濾波器配合使用，無源濾波器主要抑制充電站特定次諧波，現(xiàn)在需要對(duì)無源濾波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。一般情況下電動(dòng)汽車充電站向電網(wǎng)注入的主要諧波是5 次、7 次諧波。因此本文使用兩個(gè)單調(diào)諧濾波器加上1 個(gè)高通濾波器并聯(lián)接入電網(wǎng)中。單調(diào)諧濾波器的n 次諧波阻抗為：

電容的安裝容量直接影響濾波器的造價(jià)，一般情況要在條件運(yùn)行的情況下設(shè)置最小的電容安裝容量，最小安裝容量可以使用式（15）進(jìn)行計(jì)算。

電感的參數(shù)值為

根據(jù)以上的求法求出單調(diào)諧濾波器電感和電容參數(shù)：

通過以上的論述，根據(jù)充電站的諧波特點(diǎn)，在這里設(shè)計(jì)了以下電路（見圖2）。

如圖2 所示為三相混合型電力濾波器的原理圖，諧波源為充電站中的充電樁，無源濾波器分別是3 次、5次及高通濾波器，經(jīng)過耦合變壓器與源濾波器串聯(lián)，耦合變壓器的主要作用是用于隔離。

3 基于simulink仿真平臺(tái)的混合型電力濾波器仿真

根據(jù)上述內(nèi)容，接下來對(duì)混合型電力濾波器在充電站方面的諧波抑制效果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方法是基于MATLAB 平臺(tái)上面搭建充電樁的模型，以A 相電流為例，驗(yàn)證諧波抑制效果。

單臺(tái)充電樁諧波諧波抑制效果如圖3 所示，基于混合型電力濾波器能夠有限的抑制電動(dòng)汽車充電站向電網(wǎng)注入的諧波。在0.1 s 時(shí)由于基波與諧波的分離，得到了相對(duì)完整的諧波指令信號(hào)，所以此后的波形接近正弦波形。分別對(duì)0.4 s 和0.16 s 時(shí)刻的波形進(jìn)行傅里葉變化，比較各次諧波的變化情況，加入了混合型有源濾波器之后諧波的總畸變率由原來的24.67% 變?yōu)?.67% 。

圖3 濾波前后的波形

4 結(jié)束語

PWM 型充電樁是未來發(fā)展的主要方向，因此本文以PWM 型為例建設(shè)充電站，首先根據(jù)實(shí)際工作情況，說明了一臺(tái)充電樁在充電過程中所產(chǎn)生的諧波是一個(gè)變化的量，一個(gè)充電站一般具備多臺(tái)充電樁，且各個(gè)充電樁的工況是不一樣的，從而導(dǎo)致所產(chǎn)生諧波的復(fù)雜性，使用LC濾波器無法解決充電站的諧波問題，而僅使用有源濾波器的成本較高，針對(duì)這種情況，我設(shè)計(jì)了混合型電力濾波器，這種濾波器能夠在降低成本的前提下對(duì)電動(dòng)汽車充電站的諧波進(jìn)行抑制，并通過仿真驗(yàn)證，該方法是有效的。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）