電動(dòng)公交車大電流充電機(jī)諧波仿真分析與治理

趙雙東， 鄒 黎， 亓建英， 陳 群， 李 超

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

伴隨中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，霧霾天氣日益嚴(yán)重，環(huán)境的污染問題逐漸凸顯出來.電動(dòng)公交車由于其在環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用等方面的突出優(yōu)點(diǎn)越來越得到政府與普通大眾的青睞.然而，電動(dòng)公交車充電裝置是非線性設(shè)備，大批量的電動(dòng)公交車涌入市場(chǎng)，其充電過程中產(chǎn)生的大量諧波對(duì)電網(wǎng)的污染引起了電力部門的高度重視.改善充電機(jī)的整流模式，降低充電過程中的諧波含量，減少對(duì)公用電網(wǎng)的諧波污染已成為電力工作者的共識(shí).本文分析現(xiàn)有的充電機(jī)類型及現(xiàn)有充電機(jī)的整流模式和諧波含量，提出對(duì)充電機(jī)充電過程中電流諧波含量超標(biāo)的改進(jìn)措施.

1 現(xiàn)有的充電機(jī)類型

電動(dòng)公交車充電機(jī)按照其工作原理主要分為以下三類[1-2]：第一類充電機(jī)包括工頻變壓器、不控整流器和斬波器，其特點(diǎn)是體積大、電網(wǎng)側(cè)電流諧波含量高、變換效率低，注入電網(wǎng)的諧波電流過大，不適宜接入公用電網(wǎng)；第二類充電機(jī)包括三相不可控整流裝置和高頻變壓器隔離DC/DC變換器，其特點(diǎn)是電網(wǎng)側(cè)電流諧波含量高(30%左右)、變換效率低，這一類充電機(jī)雖然電流諧波含量高，但其成本低，在市場(chǎng)上占有率較高；第三類充電機(jī)由三相PWM整流器和高頻變壓器隔離DC/DC變換器組成，其特點(diǎn)是功率因數(shù)高、電網(wǎng)側(cè)諧波電流小，但是由于PWM整流充電機(jī)技術(shù)復(fù)雜、可靠性低、成本高等原因，所以雖然市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)，但與之相關(guān)的科研成果較少.

2 充電機(jī)的諧波含量分析

目前電動(dòng)公交車的充電方式為“慢充快補(bǔ)”，充電過程中的充電電流非常大，因此對(duì)電網(wǎng)的影響很大.市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的充電機(jī)由不可控整流電路組成(其結(jié)構(gòu)如圖1所示)，因此選擇對(duì)該類型充電機(jī)進(jìn)行諧波含量分析.電動(dòng)公交車充電過程中對(duì)電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染方面.

圖1 高頻充電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

以a相電流為例，對(duì)流過變壓器二次側(cè)的非正弦電流進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解[3]：

(1)

由式(1)可以得出進(jìn)線電流基波和各n次諧波的有效值分別為

(2)

由式(2)知，在整流電路交流側(cè)電流中含有6k±1次諧波電流，不含3的整數(shù)倍次諧波，各次諧波電流的有效值與諧波次數(shù)成反比.當(dāng)對(duì)電動(dòng)公交車充電時(shí)，大量的諧波電流將流入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)及其用電設(shè)備產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)諧波電流使變壓器的銅耗和雜散損耗增加，諧波電壓使鐵耗增加，同時(shí)使變壓器的噪音增大.

(2)使輸電線路的線路損耗以及發(fā)熱量增加.

(3)對(duì)于補(bǔ)償電容器組，諧波電流的流入使電容器組使用壽命大大降低.

(4)諧波電流使繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，影響繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行.

3 充電機(jī)諧波治理措施

諧波治理的措施主要分為兩類[4]：主動(dòng)型和被動(dòng)型.主動(dòng)型諧波治理是指從諧波源本身出發(fā)，在直流側(cè)減少諧波產(chǎn)生，主要包含增加整流脈波數(shù)、多電平變流、功率因數(shù)校正等方法.被動(dòng)型諧波治理是指在交流側(cè)增加濾波裝置減少諧波含量，主要包括增加無源濾波器(LC)、APF補(bǔ)償和混合型濾波等方法.本文將從十二脈整流和裝設(shè)并聯(lián)有源濾波器這兩種諧波抑制方式出發(fā)，分析電動(dòng)公交車充電機(jī)的諧波治理方式.

3.1 十二脈整流充電機(jī)

圖2 十二脈充電機(jī)原理圖

3.2 增加APF補(bǔ)償充電機(jī)

有源濾波器分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型三種.并聯(lián)型APF直接向系統(tǒng)中注入補(bǔ)償電流，是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的有源電力濾波器.并聯(lián)型APF通過耦合變壓器接入系統(tǒng)，這樣不僅不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，而且投切靈活，各種保護(hù)簡(jiǎn)單，在技術(shù)上比較成熟.并聯(lián)型APF的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示[5].

圖3 并聯(lián)型APF的充電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

由圖3可以看出，APF由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路四大部分組成.有源電力濾波器在電動(dòng)公交車充電機(jī)中治理諧波的基本思路是:(1)檢測(cè)出由電動(dòng)公交車充電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)荷電流，由指令電流運(yùn)算模塊計(jì)算出指令信號(hào).(2)經(jīng)過補(bǔ)償電流發(fā)生模塊生成所需的補(bǔ)償電流.(3)補(bǔ)償電流抵消負(fù)載電流中需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量，從而使流入電網(wǎng)的電流中只含基波電流[6].如圖3所示，充電機(jī)充電時(shí)，安裝的APF檢測(cè)到負(fù)載電流iL中含有諧波電流iLH,指令信號(hào)由iLH取反后獲得，最后由補(bǔ)償模塊產(chǎn)生補(bǔ)償電流iC，由于補(bǔ)償電流和諧波電流大小相等，方向相反，因此電源電流中只含有基波分量，從而達(dá)到補(bǔ)償諧波的目的.

4 充電機(jī)諧波治理仿真模型的對(duì)比與分析

為了驗(yàn)證上述治理措施的有效性，根據(jù)大型充電機(jī)對(duì)電池組充電時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立充電機(jī)仿真模型，利用powergui中的快速傅立葉變換(FFT)模塊對(duì)進(jìn)線端進(jìn)行諧波分析.仿真參數(shù)設(shè)置如下：電源線電壓為380V/50Hz，系統(tǒng)阻抗忽略不計(jì)；負(fù)載為電池組充電模型，由于仿真時(shí)間短，可以認(rèn)為等效電阻為恒定值，濾波電感為1.5mH,等效電阻為2Ω.

搭建現(xiàn)有電動(dòng)公交車充電機(jī)的等效模型，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到的交流側(cè)充電電流波形如圖4所示，交流側(cè)電流的諧波含量與畸變率如圖5所示.由圖4和圖5可知，現(xiàn)有充電機(jī)的諧波畸變率嚴(yán)重超出了國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn).

圖4 現(xiàn)有充電機(jī)的電流波形圖

圖5 現(xiàn)有充電機(jī)的諧波含量與畸變率

重新搭建的十二脈整流充電機(jī)的仿真模型如圖6所示[7]，對(duì)其進(jìn)行仿真分析得到的A相交流側(cè)的電流波形如圖7所示，A相電流的諧波含量和諧波畸變率如圖8所示.由圖7、圖8可知，十二脈充電機(jī)產(chǎn)生的電流波形基本符合正弦波形，諧波畸變率明顯降低.

含有并聯(lián)型APF的充電機(jī)等效模型如圖9所示，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到的A相交流測(cè)的電流波形如圖10所示，APF對(duì)其進(jìn)行的諧波補(bǔ)償電流如圖11所示，補(bǔ)償后的交流側(cè)諧波含量和畸變率如圖12所示.由圖10～12可知，通過并聯(lián)型APF對(duì)諧波的補(bǔ)償，充電機(jī)注入電網(wǎng)的諧波含量大大降低，電流畸變率基本消除.

從仿真得到的電流波形以及電流畸變率可知，十二脈整流充電機(jī)和帶有并聯(lián)型APF的充電機(jī)在充電過程中對(duì)電力系統(tǒng)的諧波污染具有很好的抑制作用，符合國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)電流畸變率的標(biāo)準(zhǔn)，這為今后電動(dòng)公交車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展起到了很好的助推作用.

圖6 十二脈充電機(jī)等效模型

圖7 十二脈充電機(jī)交流側(cè)電流波形 圖8 十二脈充電機(jī)的諧波含量和諧波畸變率

圖9 并聯(lián)型APF的充電機(jī)等效模型

圖10 A相交流側(cè)的電流波形 圖11 APF對(duì)充電機(jī)的諧波補(bǔ)償電流

圖12 補(bǔ)償后的交流側(cè)諧波含量和畸變率

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