【摘 要】本文对电动汽车充电站谐波问题进行了简要分析，论述了谐波的危害性，并介绍了充电站谐波治理的措施。
【关键词】充电站；谐波；无源滤波器；有源滤波器；混合型有源滤波器
引言
电动汽车充电站作为电动汽车的配套设施，为电动汽车的运行提供能量补给，是电动汽车的重要基础支撑系统。充电站内采用将交流电源转化为直流电源的充电机，为电动汽车的车载蓄电池充电，在充电过程中产生大量的谐波，导致交流电网中的电压和电流波形严重失真，造成电网质量严重下降，降低供配电系统的可靠性，并危害其他用电设备的安全运行。
1．电动汽车充电站的谐波问题分析
1.1充电机的特征谐波
目前，电动汽车充电站内的充电机一般采用桥式可控硅整流装置。众所周知，对于桥式整流装置，假设电网侧供电电压、供电变压器参数和触发延迟角等均各相对称，整流电流按近似方波考虑。在上述条件下，电网侧理论上所产生的特征谐波次数为
h = km±1
式中k——正整数，k=1，2，3……；
m——整流装置输出电压脉波数。
当m = 6，即采用6脉波整流结构时，存在5，7，11，13，17,19……次特征谐波。如果采用12脉波整流结构时，将整流变压器二次侧绕组构成星、角接线，使相位差30°，可使低次谐波含量大大减小，存在11，13，17,19……次特征谐波。
1.2控制角α对谐波的影响
桥式可控硅整流电路，在电阻负荷情况下，控制角α越大，电流的相位比电压的相位越滞后，谐波含量越大，功率因数越低。
1.3充电机的非特征谐波
实际应用的充电机，还会因为非理想情况而引起一些非特征谐波：
（1）三相交流供电电压不完全对称，正旋波形发生畸变，整流变压器的三相阻抗不完全对称，这将会引起非特征谐波电流。
（2）控制系统的触发角会出现一定的误差，由于触发脉冲的间隔不等，尤其是触发脉冲丢失，也会引起 非特征谐波电流，尤其是偶次谐波电流。
1.4充电机谐波的工程计算
在工程计算中，整流装置可按下式计算h次谐波电流的有效值：
由表1可以看出，增加整流装置的脉波数可有效地消除低次谐波，整流脉波数越多，所产生的谐波分量越少。目前在电动汽车充电站内大多采用6脉波或12脉波整流结构的充电机。
2．谐波的危害性
（1）谐波对电力系统的危害
为了提高充电站电力系统的功率因数，通常在380V低压母线上配置静电补偿电容器，再者配电线路具有一定的分布电容，在某种频率下可能产生系统的局部并联谐振或串联谐振，使系统产生过电压或过电流。
（2）谐波对供电变压器的危害
谐波电流引起变压器绕组的铜损增加，谐波电压引起变压器磁滞和涡流损耗增加，使变压器的温升增加，加速绝缘老化，缩短设备寿命。
（3）谐波对旋转电机的危害
谐波会在旋转电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁心中引起附加损耗；同时定子绕组中的谐波电流将产生谐波旋转磁场，进而产生高频制动电磁转矩，使旋转电机产生机械振动及噪声，还降低了旋转电机的最大转矩和过载能力。
（4）谐波对通信系统的影响
谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导会感应到通信线路上，在通信线路中产生干扰电压，影响通信线路通话的清晰度。
（5）谐波对继电保护和自动装置的影响
谐波对继电保护和自动装置产生干扰，造成误动和拒动，影响电网运行安全。
3．电动汽车充电站的谐波治理
3.1谐波电压的限值和谐波电流的允许值
GB/T14549-1993 《电能质量 公用电网谐波》是现行电力系统谐波监督管理的国家标准。该标准除要求电网各级电压的谐波水平不超出国家标准限值外，还要求用户注入公用电网的谐波电流不超出国家标准允许值，否则应采取抑制谐波的措施。如表2所示。
表2 公用电网谐波电压限值
3.2充电站谐波治理的措施
为了将电动汽车充电站的谐波电流和谐波电压限制在国家标准要求的限值范围内，在充电站内配置合理的滤波装置是最为行之有效的方法。
3.2.1无源滤波器
无源滤波器是目前使用最为广泛的滤波装置，它是利用电感、电容的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，而减小充电机向电网注入谐波电流。无源滤波器结构简单、技术成熟、成本低，但存在以下不足：
（1）谐振频率依赖于元件参数，单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。
（2）对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当无源滤波器投入运行之后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果，并且需要根据谐波次数的多少，需设置多个LC滤波电路。
3.2.2有源滤波器
有源电力滤波器是一种新型动态无功补偿滤波装置，它由自关断电力电子器件构成。与无源滤波器的最大区别在于，它向交流电网注入补偿电流，其幅值与负载注入电网的谐波电流的大小相等，相位差180°，以抵消负载所产生的谐波电流。有源电力滤波器由静止功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性，能有效地解决无源滤波器存在的缺点，是电力系统谐波治理的发展方向。
3.2.3混合型有源滤波器
目前，有源滤波器的发展仍然受到以下因素的制约：
（1）有源滤波器的补偿容量受到电力电子器件的耐压、容量、开关频率及动态补偿性能的限制。
（2）有源滤波器的初期投资大，运行费用高，电磁干扰大。
因此，将LC无源滤波器和有源滤波器结合起来形成一种混合型有源滤波器，既能减少有源滤波器的容量，又能弥补无源滤波器不可控性和响应速度慢的不足，是近年来发展起来的一种经济、安全、可靠和实用的谐波补偿技术。对于电动汽车充电站这样的大容量的谐波源，混合型有源滤波器既能发挥耐高压、大容量、易于实现等特点，又能显示出所具有宽谐波抑制范围和自动跟踪的优势。
4．结论
无源滤波器结构简单，成本低，但本身存在一些难以克服的缺点。有源滤波器实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化，但自身受到电力电子器件性能的制约。因此，混合型有源滤波器的性能和成本介于有源滤波器和无源滤波器之间，成为电动汽车充电站的谐波治理的发展趋势。
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作者简介：
宿淑娇（1981-）女，山东高密人，工程师，本科，从事工作：电气设计。
论文作者:宿淑娇
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年6期
论文发表时间:2015/10/15
标签：谐波论文; 滤波器论文; 无源论文; 充电站论文; 电流论文; 电网论文; 电动汽车论文; 《工程建设标准化》2015年6期论文;