混合型電力濾波器在充電樁建設中的應用

隨著化石能源的急劇消耗和環境的持續惡化，電動汽車的發展是可以解決環境和能源問題的有效途徑，因此各國開始大力發展電動汽車。雖然現階段的電網能夠承擔為電動汽車充電所需的容量，但是電動汽車的充電樁在接入電網后，仍然會嚴重危害了電網的電能質量，比如對電網中各次諧波的含有率和總諧波的畸變率明顯上升，補償無功功率所需的無功補償器不夠，若充電站充電時刻沒有良好的規劃，發電廠的生產，電壓偏移和電壓閃變也會帶來相當大的不良影響。

截至2022 年6 月底，全國新能源汽車保有量達1 001 萬輛，占汽車總量的3.23% 。其中，純電動汽車保有量為810.4 萬輛，占新能源汽車總量的80.93% ，且到2022 年6 月，我國新能源汽車依然延續高速增長態勢，產銷分別完成59 萬輛和59.6 萬輛，創歷史新高。上半年，新能源汽車產銷累計分別完成266.1 萬輛和260 萬輛，同比均增長1.2 倍。充電站作為電動汽車必備的配套設施，必將進行大規模的建設，但是充電站作為一個大負荷的非線性負載，建設時必須考慮諧波的抑制問題。

1 電動汽車充電站的諧波特點

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，濾波模塊左側為標準的三相交流電，濾波模塊右側部分為1 個PWM 型整流電路，濾波模塊及右側整流模塊共同組成一臺充電樁，對于一個充電站來講，有多臺充電樁并聯共同接入到三相電網中。

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

以a 相為例，PWM 整流器的開關函數為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相的開關表達式：

整流后直流側的電壓為：

忽略死區效應，將以上公式代入上式得PWM 整流后輸出電壓。

假設充電樁直流側的直流電阻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，上述進行整理得

A 相電流表達式為：

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。從而可以得到單臺充電樁接入電網時諧波具有以下特點：

1）充電樁接入電網時，電網將含有6k ±1次諧波，諧波含量隨著諧波的次數增加而減小。

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

3）諧波與基波之間的關系不是確定不變的，與電動汽車的電池電壓有很大的關系，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，充電樁直流側的負載越輕，即ωRC 越大，諧波含量越大。

在大多文獻中為了能夠方便研究，將充電樁的負載部分等效為一個非線性電阻，電阻變化情況可以根據式

（12）進行處理。

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，甚至可以達到額定電壓的85% ，為了保護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，當充電樁的輸出電壓達到最大時，輸出電壓保持不變，進入第3 個充電階段，即恒壓充電階段，在恒壓充電階段，電動汽車的電池電壓持續上升，但是充電樁的輸出電壓不再變化，那么充電電流就會減小，充電樁的輸出功率降低，電池充電電流由最大值變為最大電流的設定值。

根據充電樁充3 個充電過程和充電站充電樁數量及每臺充電站工況的不確定性，從而將導致充電站諧波的巨大不確定性。

2 混合型電力濾波器的設計

對于任何一個電動汽車充電站來講，充電樁的數量都是比較多的，特別是一個大型充電站，充電樁數量可能達到上百臺，若所有充電樁都工作在恒流充電階段，將是一個巨大的負載。充電站建設時所需的有源濾波器容量是一個非常大的數字，所耗費的資金也是一個龐大的數字，并且不利于后期的維護，因此僅僅使用有源電力濾波器不滿足電動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勢，但是電力系統的各方面的變換都會引起補償效果，對于充電樁一直處于變換的諧波不能達到好的補償效果。

有源濾波器分為串聯型有源濾波器和并聯型有源電力濾波器，單獨使用串聯型有源濾波器與單獨使用的并聯型有源電力濾波器是對偶關系，他們的一些特點正好相互對應的：

由表1 所示，由于電動汽車充電樁屬于阻感負載的整流電路，因此本文使用并聯型有源濾波器對充電樁的諧波進行抑制。

有源濾波器主要由主電路，驅動電路，控制電路和指令電路共同作用。其中控制電路，驅動電路的作用是將PWM 信號處理成IGBT 能夠使用的信號，主電路主要由IGBT 構成，根據驅動電路產生的開關信號來產生所需的補償電流，指令電路的作用是提取三相電網中需補償的電流信號。在工作工程中，主電路處于逆變狀態。

2.1 有源濾波器的設計

2.1.1 指令電流運算電路的設計

指令電流運算電路是有源濾波器的基礎，主要為電力濾波器求所需要補償的諧波分量。指令電路是采取基于瞬時無功功率的方法對諧波電流進行提取，在提取過程中，首先檢測出電路中的電流信號的基波分量，然后總電流信號減去基波分量得到諧波分量。由于其適用范圍廣，被廣泛應用于諧波檢測。

2.1.2 電流跟蹤控制電路的設計

電流追蹤的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流信號和實際補償電流之間的關系，最終得到補償電流發生電路所需要的各器件開關的PWM信號。在這里我采用瞬時值比較的方式。

2.1.3 主電路的設計

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 主電路容量的設計

有源電力濾波器存在的目的是為了查漏補缺，LC 濾波器將充電站所產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行抑制，針對電動汽車充電樁，有源濾波器的容量不需要過大，可以使用以下式（13）進行計算：

2.2 有源濾波器的設計要注意兩個問題：

1）有源濾波器的補償容量與補償電流有關，在電動汽車充電樁中，要根據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中相電壓的峰值有關，由式（13）可以求出，避免不必要的浪費。

為有效與有源濾波器配合，降低充電站的濾波成本，需要設計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，現在需要對無源濾波器的參數進行設定。一般情況下電動汽車充電站向電網注入的主要諧波是5 次、7 次諧波。因此本文使用兩個單調諧濾波器加上1 個高通濾波器并聯接入電網中。單調諧濾波器的n 次諧波阻抗為：

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

電感的參數值為

根據以上的求法求出單調諧濾波器電感和電容參數：

通過以上的論述，根據充電站的諧波特點，在這里設計了以下電路（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，經過耦合變壓器與源濾波器串聯，耦合變壓器的主要作用是用于隔離。

3 基于simulink仿真平臺的混合型電力濾波器仿真

根據上述內容，接下來對混合型電力濾波器在充電站方面的諧波抑制效果進行驗證，驗證方法是基于MATLAB 平臺上面搭建充電樁的模型，以A 相電流為例，驗證諧波抑制效果。

單臺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汽車充電站向電網注入的諧波。在0.1 s 時由于基波與諧波的分離，得到了相對完整的諧波指令信號，所以此后的波形接近正弦波形。分別對0.4 s 和0.16 s 時刻的波形進行傅里葉變化，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% 變為3.67% 。

圖3 濾波前后的波形

4 結束語

PWM 型充電樁是未來發展的主要方向，因此本文以PWM 型為例建設充電站，首先根據實際工作情況，說明了一臺充電樁在充電過程中所產生的諧波是一個變化的量，一個充電站一般具備多臺充電樁，且各個充電樁的工況是不一樣的，從而導致所產生諧波的復雜性，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，針對這種情況，我設計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電動汽車充電站的諧波進行抑制，并通過仿真驗證，該方法是有效的。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年4月期）