2018, Vol. 51文章信息
- 赵云斌, 李鹏程, 丁同, 吴斌
- ZHAO Yunbin, LI Pengcheng, DING Tong, WU Bin
- 考虑多拓扑结构的电动汽车充电机对电网谐波影响分析
- Analysis of harmonic effects of electric vehicle charger considering multiple topologies on power grid
- 武汉大学学报(工学版), 2018, 51(10): 901-906
- Engineering Journal of Wuhan University, 2018, 51(10): 901-906
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2018-10-009
-
文章历史
- 收稿日期: 2017-08-15
2. 贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002;
3. 武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072
2. Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China;
3. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
随着环境污染以及化石能源紧缺的问题日趋严重，传统的汽油、柴油汽车的发展空间越来越小，而电动汽车作为新能源汽车的代表，在环保、清洁、节能、绿色等方面有明显优势[1-2].电动汽车的安全稳定运行中，电池充电是一个重要环节.为提高电动汽车的续航能力，新建大量电动汽车充电站将是必然选择.电动汽车充电机是充电站中最主要的用电设备，其负载特性具有非线性的特征，投入和使用将会产生谐波等电能质量问题，从而对电网运行造成影响[3-4].因此，研究电动汽车充电机对电网谐波的影响具有重要的现实意义.
电动汽车充电机拓扑结构中最重要的部分是整流环节和DC/DC功率变换环节，目前大多数文献主要针对整流环节产生的谐波进行分析，而对DC/DC功率变换环节对谐波的影响研究相对较少.文献[5]分别建立单台充电机和充电站仿真模型，并分析了单台和多台充电机工作时对电网谐波的影响，但其进行谐波分析时将DC/DC功率变换环节等效为一个非线性电阻.文献[6]建立了3种不同整流方式充电机的仿真模型，使用快速傅里叶变换法对谐波进行分析，但未考虑不同充电功率对所产生谐波的影响.文献[7]在单台三相不可控整流充电机模型的基础上，分析了多台充电机的谐波特征，但是没有对不同拓扑结构充电机的谐波特性进行分析.
本文针对采用直流快速充电方式的电动汽车充电机，提出一种考虑多拓扑结构的充电机谐波分析模型，综合考虑整流环节和DC/DC功率变换环节对谐波特性的影响.利用Matlab/Simulink软件对3种典型拓扑结构的充电机进行建模与仿真研究，分别分析了3种充电机在不同充电功率下注入电网的谐波电流特性，并对不同拓扑结构的充电机对电网谐波产生的影响进行比较.
1 电动汽车充电机谐波分析模型 1.1 传统的谐波分析模型电动汽车充电机的基本工作原理是：10 kV配电网的三相交流电经变压器降压后输入充电机，由充电机中的整流电路进行整流，经滤波电路后，为DC/DC功率变换电路提供直流输入，功率变换电路将直流电压调整至合适电压值后，为车用动力蓄电池充电.由于充电机中包含大量的电力电子器件，它的投入使用将会向电网中注入很大的谐波电流.
目前，对充电机的谐波分析主要采用的是等效模型的方法，即用一个非线性电阻Rc来等效替代DC/DC功率变换电路及其后的动力蓄电池部分[8-10]，如图 1所示.图中：ua、ub、uc为三相输入电压，ia、ib、ic为三相输入电流，L为滤波电感，C为滤波电容，U1、I1为经过L、C滤波后输出的电压、电流.非线性电阻Rc可表示为
(1)
|
| 图 1 电动汽车充电机等效模型 Fig. 1 Equivalent model of electric vehicle charger |
式中：P1为DC/DC功率变换电路的输入功率；P0为DC/DC功率变换电路的输出功率；U0、I0为充电机的输出电压、电流；η为充电机功率变换的效率.
1.2 考虑多拓扑结构的谐波分析模型传统的等效模型分析方法可以简化电路结构，便于分析整流环节对充电机谐波特性的影响.然而，DC/DC功率变换环节中同样含有大量非线性元件，采用电阻等效的方法将会忽略其对谐波的贡献，且不便于对不同拓扑结构的充电机的谐波特性进行差异化分析比较.
为改善现有谐波分析方法的不足，研究人员提出如图 2所示的考虑多拓扑结构的充电机谐波分析模型.综合考虑整流环节和DC/DC功率变换环节对谐波特性的影响，建立多拓扑结构的电动汽车充电机模型，并采用快速傅里叶变换方法对配电变压器高压侧电流进行谐波分析.
|
| 图 2 考虑多拓扑结构的充电机谐波分析模型 Fig. 2 Harmonic analysis model of charger considering multiple topologies |
电动汽车充电机拓扑结构主要分为3类[11]：1)“不控整流+斩波器”型；2)“不控整流+高频DC/DC变换器”型；3)“PWM整流+高频DC/DC变换器”型.这3种拓扑结构的充电机各有优劣.
2.1 “不控整流+斩波器”型充电机“不控整流+斩波器”型充电机为电动汽车充电领域的早期产品，其直流侧电压纹波小、动态性能好、价格低廉，但是体积大、电网侧电流谐波大且变换效率低.其拓扑结构如图 3所示.整流环节采用三相桥式不控整流电路，其由6个二极管组成的3对桥臂构成，电容C具有滤波和储能的作用.当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该电压既向电容C供电同时也向负荷供电；当没有二极管导通时，电容C放电供给负荷，输出直流电压呈指数减小[12].考虑到电流的冲击效应，在整流桥输出端串联电感L以抑制冲击电流的影响.
|
| 图 3 “不控整流+斩波器”型充电机拓扑结构 Fig. 3 Topology of charger adopting uncontrolled rectifier and chopper |
功率变换环节采用Buck斩波电路，其拓扑结构如图 4所示.图中全控型器件V为IGBT，为在V关断时给负载中电感电流提供通道，电路中设置了续流二极管D.
|
| 图 4 斩波器拓扑结构 Fig. 4 Topology of chopper |
当电路工作于稳态时，负荷电压的平均值为
(2)
式中:ton为IGBT处于通态的时间; T为关断周期; α为占空比.
2.2 “不控整流+高频DC/DC变换器”型充电机“不控整流+高频DC/DC变换器”型充电机具有第一种充电机直流电压纹波小、动态性能好的优点，并且高频隔离、体积小，是目前充电机市场上的主流产品，但是交流侧电流谐波含量仍然较高.其拓扑结构如图 5所示.整流环节同样采用三相桥式不控整流电路，而功率变换环节采用实现零电压开关(ZVS)的移相控制式的全桥变换电路，其逆变侧为移相脉冲信号控制的IGBT桥，高频变压器的另一端则为由普通二极管构成的桥式电路.
|
| 图 5 移相控制零电压全桥变换电路拓扑结构 Fig. 5 Topology of the phase-shifting control zero-voltage full bridge converter |
移相PWM控制的基本工作原理是[13]：每个桥臂的两个开关管180°互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个移相角.通过调节此移相角的大小来调节输出电压脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压的目的.VT1和VT3 分别超前于VT4和VT2一个相位，称VT1和VT3组成的桥臂为超前桥臂，VT4和VT2组成的桥臂为滞后桥臂.在VT1和VT3导通前，利用C1和C2的充放电特性，使VT1和VT3的反并联二极管D1和D2自然导通，进而实现VT1和VT3的零电压关断和零电压导通.这是一种适用于高压、大功率场合的DC/DC功率变换器，可以对直流侧的电压、电流进行控制，并且因为实现零电压开关而具有转换效率高等优势.
2.3 “PWM整流+高频DC/DC变换器”型充电机“PWM整流+高频DC/DC变换器”型充电机是目前市场上的新兴产品，采用先进的电力电子器件以及更加优化合理的控制策略，具有功率因数高、变换效率高、谐波畸变小等优势，使用时无须增加滤波装置，对电网电能质量基本不产生不良影响，在利用V2G(vehicle to grid)进行电网削峰填谷、电力系统频率调节、与分布式电源协调运行等方面有良好的应用前景.该种充电机的功率变换环节拓扑结构与前一种充电机相同，而整流环节采用三相电压型PWM整流电路，拓扑结构如图 6所示.
|
| 图 6 三相电压型PWM整流电路拓扑结构 Fig. 6 Topology of the three phase voltage PWM rectifier |
关于PWM控制信号的生成方式，目前使用较多的方法是转换为dq两相旋转坐标系下的电压电流双闭环控制[14].转换坐标系的原因是采用旋转坐标系可以对有功与无功分量进行解耦操作，而对应的d轴分量与q轴分量分别代表有功与无功分量，可以更方便地控制输出量.双闭环控制分别为电压外环与电流内环.电压外环的作用是维持直流输出电压的稳恒，电流内环的作用则是通过操控有功电流与无功电流来调控功率因数.
3 建模与仿真 3.1 仿真工况选取按照图 2所示的考虑多拓扑结构的充电机谐波分析模型，在Matlab/Simulink平台上分别搭建3种拓扑结构充电机的仿真模型.由于充电机在不同充电阶段产生的谐波可能存在差异[15]，因此有必要设置不同的充电电压和充电电流来对各种充电机的谐波特性进行全面分析.
对于“不控整流+斩波器”型充电机，由式(2)可知，通过改变占空比α来调节电动汽车电池上的充电电压，从而满足不同类型电动汽车的充电需求.其最大充电电压不超过Udc=1.35E，即513 V.根据GB/T 18487.1-2015中的规定[16]，电动汽车供电设备按照直流充电电压分为3类：200~500 V，350~700 V和500~950 V.由于后两类充电电压范围超过了阈值，因此选取如表 1所示的4种不同工况进行仿真分析.为了便于进行比较研究，其他两种拓扑结构的充电机也选取相同的4种工况.
| 工况 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 直流 电压/V |
200 | 200 | 500 | 500 |
| 直流 电流/A |
80 | 160 | 80 | 160 |
| 充电 功率/kW |
16 | 32 | 40 | 80 |
通过调节DC/DC功率变换部分的直流输出电压和输出电流，来模拟3种拓扑结构充电机在4种工况下的充电情况，并分别对配电变压器高压侧的谐波电流畸变率进行分析，分析结果见表 2.
| 拓扑结构 | THDi/% | |||
| 工况1 | 工况2 | 工况3 | 工况4 | |
| “不控整流+斩波器”型 | 49.92 | 49.16 | 48.84 | 47.55 |
| “不控整流+高频DC/DC变换器”型 | 26.46 | 25.92 | 25.63 | 24.68 |
| “PWM整流+高频DC/DC变换器”型 | 4.92 | 4.05 | 3.53 | 2.37 |
由表 2可见，在4种不同工况下，随着充电功率的增加，3种拓扑结构的充电机在配电变压器高压侧的总谐波电流畸变率均呈现逐渐下降的趋势.“不控整流+斩波器”型充电机的THDi接近50%，波形畸变非常严重；“不控整流+高频DC/DC变换器”型充电机与前一种充电机相比，电流谐波畸变程度略有改善，但THDi仍然超过20%；“PWM整流+高频DC/DC变换器”型充电机的THDi远远小于另两种充电机，电流波形接近理想情况.
为进一步分析3种充电机的各次谐波电流含量情况，以A相为例，对4种工况下的A相电流分别进行FFT谐波分析，结果如图 7~9所示.
|
| 图 7 “不控整流+斩波器”型充电机A相电流各次谐波含量 Fig. 7 The harmonic content of A phase current of charger adopting uncontrolled rectifier and chopper |
|
| 图 8 “不控整流+高频DC/DC变换器”型充电机A相电流各次谐波含量 Fig. 8 The harmonic content of A phase current of charger adopting uncontrolled rectifier and high-frequency DC/DC converter |
|
| 图 9 “PWM整流+高频DC/DC变换器”型充电机A相电流各次谐波含量 Fig. 9 The harmonic content of A phase current of charger adopting PWM rectifier and high-frequency DC/DC converter |
从图 7可知，对“不控整流+斩波器”型充电机而言，配电变压器高压侧主要产生6k±1(k=1, 2, ……)次谐波，其中以5、7、11、13、17、19次谐波为主.不同工况下，随着充电功率的增加，特征次谐波电流含量逐渐降低，其中5次谐波电流含有率最高接近40%，7次谐波电流含有率则接近30%，11、13、17、19次谐波电流含有率都在5%以上.可见，这种拓扑结构的充电机使用时会对电网产生严重的谐波污染.
由图 8可见，“不控整流+高频DC/DC变换器”型充电机也主要产生6k±1次谐波.相同次谐波含量随着充电功率的增加而减小，其中5次谐波电流含有率接近20%，7次谐波电流含有率接近15%，11、13次谐波电流含有率均超过5%.与“不控整流+斩波器”型充电机相比，该种充电机的总谐波畸变率和各次谐波含量均相对较低，表明高频DC/DC变换器相对斩波器而言，在一定程度上会对谐波产生抑制作用.然而，其5、7、11、13次谐波含量仍远大于GB/Z 17625.6-2003规定的接入条件[17]，接入电网时有必要加装谐波治理装置.
由图 9可知，“PWM整流+高频DC/DC变换器”型充电机工作时主要产生奇数次谐波，兼有少量偶数次谐波分量.不同工况下，相同次谐波含量随着充电功率的增加而逐渐降低.各次谐波含量均不超过3%，远小于前两种充电机，表明PWM整流相对不控整流来说，可以有效抑制谐波产生.由此可见，该种拓扑结构的充电机谐波特性良好，使用时对电网造成的影响较小，无需进行谐波治理.
4 结论本文针对电动汽车充电机产生的谐波问题，提出一种考虑多拓扑结构的充电机谐波分析模型，利用Matlab/Simulink软件搭建了“不控整流+斩波器”型、“不控整流+高频DC/DC变换器”型和“PWM整流+高频DC/DC变换器”型3种典型拓扑结构的充电机，并分别在4种不同工况下进行仿真分析.通过对3种充电机的谐波特性进行比较研究，得出以下结论：
1) 不同拓扑结构的电动汽车充电机的谐波特性存在差异，充电机的整流环节和DC/DC功率变换环节均会对其产生的谐波造成影响.
2) 配电变压器高压侧总谐波电流畸变率与充电机的整流环节和DC/DC功率变换环节均有关.“不控整流+斩波器”型充电机工作时总谐波电流畸变率接近50%，电流波形严重畸变；高频DC/DC变换器相对斩波器而言，对谐波有一定的抑制作用，总谐波电流畸变率有所减小，但电流畸变仍然比较严重；PWM整流与高频DC/DC变换器的组合，可以有效降低谐波电流畸变程度，抑制对电网造成的谐波污染.
3) 各次谐波含量主要与充电机的整流环节有关.“不控整流+斩波器”型和“不控整流+高频DC/DC变换器”型充电机均主要产生6k±1次谐波，且特征次谐波电流含量较高，远远超过国标规定的接入条件；“PWM整流+高频DC/DC变换器”型充电机的各次谐波含量都很小，以奇数次谐波为主.
4) 充电机工作时产生的谐波情况受充电功率影响.3种拓扑结构充电机的总谐波电流畸变率和各次谐波电流含量在4种工况下的变化趋势相同，均随着充电功率的增加而逐渐降低.
5) 对于“不控整流+斩波器”型和“不控整流+高频DC/DC变换器”型充电机而言，接入电网会产生严重的谐波污染，不利于电网的安全稳定运行，因此投入运营时需加装谐波治理装置.“PWM整流+高频DC/DC变换器”型充电机谐波特性良好，无需进行谐波治理，但是控制过程复杂，成本较高，未来应在设计工艺上加以改进.
| [1] |
王璟, 王利利, 郭勇, 等. 计及电动汽车的微电网经济调度方法[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(17): 111-117. Wang Jing, Wang Lili, Guo Yong, et al. Microgrid economic dispatch method considering electric vehicles[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(17): 111-117. DOI:10.7667/PSPC151565 |
| [2] |
Dharmakeerthi C H, Mithulananthan N, Saha T K. Modeling and planning of EV fast charging station in power grid[C]// IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2012, 59(5): 1-8.
|
| [3] |
胡泽春, 宋永华, 徐智威, 等. 电动汽车接入电网的影响与利用[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(4): 1-8. Hu Zechun, Song Yonghua, Xu Zhiwei, et al. Impacts and utilization of electric vehicles integration into power system[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(4): 1-8. |
| [4] |
朱学贵, 覃阳, 苏向丰, 等. 电动汽车充电机对电能计量的影响[J]. 电力自动化设备, 2015, 35(6): 52-57. Zhu Xuegui, Qin Yang, Su Xiangfeng, et al. Impact of electric vehicle charger on electric energy metering[J]. Electric Power Automation Equipment, 2015, 35(6): 52-57. |
| [5] |
张谦, 韩维建, 俞集辉, 等. 电动汽车充电站仿真模型及其对电网谐波影响[J]. 电工技术学报, 2012, 27(2): 159-164. Zhang Qian, Han Weijian, Yu Jihui, et al. Simulation model of electric vehicle charging station and the harmonic analysis on power grid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(2): 159-164. |
| [6] |
李娜, 黄梅. 不同类型电动汽车充电机接入后电力系统的谐波分析[J]. 电网技术, 2011, 35(1): 170-174. Li Na, Huang Mei. Analysis on harmonic caused by connecting different types of electric vehicle chargers with power network[J]. Power System Technology, 2011, 35(1): 170-174. |
| [7] |
赵伟, 姜飞, 涂春鸣, 等. 电动汽车充电站入网谐波分析[J]. 电力自动化设备, 2014, 34(11): 61-66. Zhao Wei, Jiang Fei, Tu Chunming, et al. Harmonic currents of grid-connected EV charging station[J]. Electric Power Automation Equipment, 2014, 34(11): 61-66. DOI:10.3969/j.issn.1006-6047.2014.11.010 |
| [8] |
周娟, 任国影, 魏琛, 等. 电动汽车交流充电桩谐波分析及谐波抑制研究[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(5): 18-25. Zhou Juan, Ren Guoying, Wei Chen, et al. Harmonic analysis of electric vehicle AC charging spot and research on harmonic restriction[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(5): 18-25. |
| [9] |
周念成, 王佳佳, 王强钢, 等. 电动汽车三相不控整流充电机频域谐波模型[J]. 电工技术学报, 2016, 31(8): 156-162. Zhou Niancheng, Wang Jiajia, Wang Qianggang, et al. Frequency domain harmonic model of electric vehicle charger using three phase uncontrolled rectifier[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(8): 156-162. DOI:10.3969/j.issn.1000-6753.2016.08.019 |
| [10] |
Yilmaz M, Krein P T. Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(5): 2151-2169. DOI:10.1109/TPEL.2012.2212917 |
| [11] |
马玲玲, 杨军, 付聪, 等. 电动汽车充放电对电网影响研究综述[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(3): 140-148. Ma Lingling, Yang Jun, Fu Cong, et al. Review on impact of electric car charging and discharging on power grid[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(3): 140-148. |
| [12] |
王兆安, 刘进军. 电力电子技术[M]. 第5版. 北京: 机械工业出版社, 2013: 64-66. Wang Zhaoan, Liu Jinjun. Power Electronics[M]. the 5th edition. Beijing: China Machine Press, 2013: 64-66. |
| [13] |
赵彪, 于庆广, 孙伟欣. 双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器及其功率回流特性分析[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(12): 43-50. Zhao Biao, Yu Qingguang, Sun Weixin. Bi-directional full-bridge DC-DC converters with dual-phase-shifting control and its backflow power characteristic analysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(12): 43-50. |
| [14] |
张晓东, 王兵树, 张军伟. PWM整流器的双闭环控制系统设计与仿真研究[J]. 电测与仪表, 2009, 49(517): 73-76. Zhang Xiaodong, Wang Bingshu, Zhang Junwei. Design and simulation of double closed-loop PI regulator of three-phase voltage source rectifier control system[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2009, 49(517): 73-76. |
| [15] |
Kuperman A, Levy U, Goren J, et al. Battery charger for electric vehicle traction battery switch station[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(12): 5391-5399. DOI:10.1109/TIE.2012.2233695 |
| [16] |
GB/T 18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分: 通用要求[S].北京: 中国标准出版社, 2015. GB/T 18487.1-2015 Electric Vehicle Conductive Charging System-Part 1: General Requirements[S]. Beijing: Standards Press of China, 2015. |
| [17] |
GB/Z 17625.6-2003电磁兼容限值对额定电流大于16 A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制[S].北京: 中国标准出版社, 2003. GB/Z 17625.6-2003 Electromagnetic compatibility-Limits-Limitation of Emission of Harmonic Currents in Low-Voltage Power Supply Systems for Equipment with Rated Current Greater Than 16 A[S]. Beijing: Standards Press of China, 2003. |