0 引言
随着电动汽车充电技术的飞速发展和舟山市政府的大力推广，电动汽车充电设施已在岛城遍地开花。截至目前，舟山已有电动汽车公用充电点108处，共计公用充电桩664个。2018年，国网舟山供电公司计划将在岑港、长峙、盐仓等地建设5个公共充电站，30余个充电桩。同时，在定海东门车站、东港公交总站、新城公交总站、东港 BRT 站等 7 个站点，建设纯电动公交车充电站，进一步完善舟山电动汽车充电网络。国网舟山供电公司相关人士当即表示，建设电动汽车充电桩，是电动汽车发展的前提条件。希望通过在公共领域率先示范，加快舟山电动汽车的发展步伐。图1为已建成投入使用的定海区海洋学院充电站。
然而，电动汽车充电站内包含大量电力电子器件，比如整流器，直流变换器等。这些电力电子器件的广泛使用在保证为用户高效灵活充电的同时，也给城区配网带来了大量非线性的冲击性的谐波分量，由此产生的配电网电能质量下降问题不容忽视。
舟山作为海岛地区，城区配网运行水平和供电能力与大陆城市相比较为薄弱，电动汽车充电站给舟山城区配网带来的谐波危害主要体现在电力危害和信号干扰两个方面：
在电力危害方面，旋转电机等会因谐波含量的增加导致设备发热，降低使用寿命。谐波还会产生谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏。使电能的计量难度加大，错误率增加。
在信号干扰方面，谐波对通信系统产生电磁干扰，使通信的质量下降；对传感器的干扰使控制系统和保护装置失效，造成大面积危害。使功率处理器自身运行有所偏差。舟山供电公司目前大力发展的配网自动化技术相当依赖通讯信号及自动化技术，所以谐波对信号干扰产生的危害不亚于直接的电力危害。
汽车充电站接入配电网对配电网电能质量产生的影响中的谐波污染进行研究，并通过使用不同的措施抑制谐波污染。
定海区新东门车站即将落成，且已规划建设电动汽车充电站为公交巴士充电，该地区为定海城区核心地段和交通枢纽，电动汽车充电站的稳定运营极为重要。本文的结果可为该充电站的设计和建设提供理论与实践的支持，对舟山电动汽车产业化进一步发展及配电网保护提供帮助。
1 舟山城区电动汽车充电站建模仿真
1.1 传统电动汽车充电站原理
电动汽车充电站具有大功率、非线性的特点。作为非线性负载接入电网时，其充电产生的谐波会对电网造成一定影响，同时对电网中其他用电设备也会产生一定的损伤。因此，通过仿真建模对其进行深度研究，是提高充电机性能，改善电网电能质量的重要方法。
传统电动汽车充电站由工频变压器、三相不可控整流和高频变压器隔DC-DC变换器等组成。其结构框图如图2所示。通过不可控整流电路将电网的交流电整流为直流电，再经 RLC 滤波器滤波，将稳定的直流电送到DC-DC 功率变换器电路，功率变换器变换电压使其达到动力电池的需求，再通过二次滤波，输出较为平稳的直流电压。
三相不可控整流电路是基本的整流电路之一，其电路结构如图3 所示。当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，du按指数规律下降。
1.2 双向DC-DC变换器建模
双向DC-DC 变换器拓扑的研究众多，特点鲜明。在单向DC-DC变换器中开关管和二极管两端分别反向并联二极管和开关管便构成了双向DC-DC变换器，根据输入端和输出端之间是否存在电气隔离，分为隔离型和非隔离型两类。
隔离型双向直流变换器结构中加入了高频变压器来实现高压侧和低压侧的隔离，如图4所示。
变压器的加入以及开关元器件种类和数量的增加，导致双向全桥变换器的结构变得复杂，控制方式比较复杂，为便于仿真，考虑对该变换器建立小信号模型。在小信号模型建立前，先配置变换器开关管的频率、储能电感的电感值。
绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）开关速度很快、输入阻抗较高、热稳定性好、所需驱动功率小而且驱动电路简单、通流能力很强、具有电导调制效应，因此选择IGBT作为双向全桥变换器的开关管器件。综合考虑开关损耗、工作效率、元件的体积和重量、散热、变换器工作噪声等因素的影响将其开关频率选为20kHz。
储能电感起着传递功率和高频滤波的重要作用，电感值的大小必须兼顾电路在Buck和Boost模式下的充放电要求，使电感电流处于连续状态，保证输出电流纹波在合适范围内并使系统具有良好的动态响应速度。
Boost和Buck模式下，根据电感电流连续的条件，分别计算电感的临界值为：
用同样的方法对Buck模式进行建模，分别就两种模式的补偿器设计进行建模，并对变换器采用电压外环和电流内环的双闭环PI控制。并对参考功率值进行调制，最终得到图8的双向全桥变换器仿真模型。
1.3 充电站配电系统配置
规划中的舟山定海区东门车站公交大巴车充电站是为岛城电动公交车及大巴车提供电能的专用充电站，该充电站适用于公交大巴、企业班车、旅游班车及通勤车等。该类场合充电特点为夜间集中充电，白天根据运行需求可进行快充补电，其充电机的配置为大功率快速充电机。
配电系统的电源选用三相电源提供 10kV 电压，直流大型电动汽车充电站由于其充电功率大，充电负荷多，需选用容量较大的大型配电变压器，变压器的变比为 10/0.38kV，采用 Dyn11 的接线方式，因谐波源产生的 3n(n 是正整数)次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流，可使谐波无法注入公共电网。充电站内直流充电机均为三相充电机，交流充电机配置满足电网的三相平衡。因此，只考虑 a 相电流和 a 相电压的谐波与电压的变化，进行仿真分析，b 相和 c 相的结论与 a 相相同。
根据国家电网公司《电动汽车充电设施典型设计》标准的要求，大型充电站进线电源为 10kV，并采用单母线接线方式。图9是为东门电动汽车充电站供电的定海东门开关站配网接线联络图。
东门口开关站IG10开关柜出线连接东门交通综合体公变，经降压至400V后为充电站供电。大型充电站 0.4kV 侧采用的接线方式为：单母线分段接线，并设有进出线柜、以及有源滤波无功补偿柜，两段母线之间通过分断联络柜联系。
2 传统充电站对配电网的影响
2.1 充电站引起的谐波问题分析
包含大量电力电子器件的电动汽车充电站作为城区配网与电动汽车之间的桥梁，其非线性在实现该器件进行功率的控制时，其产生的谐波电流会对配网产生影响。假设配网供电侧仅包含基波电压，当非线性负荷产生的电流经过系统阻抗时，会导致各次谐波电压降，因此，电压的畸变在负荷母线上同样存在。而电压的畸变率有系统阻抗和谐波电流的大小共同决定。为便于分析，只考虑谐波电流对配网的影响。
2.2 谐波畸变率的概念
在频域分析中，将畸变的周期性电流分解成傅里叶级数：
2.3 普通充电站造成的配网谐波畸变率
充电站充电机类型为传统的不可控整流充电机，对该充电站的仿真分析如下所示。结合定海区新东门车站电动汽车充电站的规划方案，在仿真模型中设置公交大巴车充电站配置直流充电机的个数为 30 个，每个直流充电机的充电功率为40k W，充电机输出最大电压 400V，输出最大电流 100A。考虑车站办公及照明用电量为 100k W，且变压器容量的选取考虑留有裕量，单台变压器的容量可取为 1600k VA。对该模型的仿真分析如图10所示。
从图10可以看出：传统充电站运行时产生的谐波影响较大。电流总谐波畸变率THDI=65.53%。通过分析，5 次谐波电流的含有率HRI5 =32.38%，7次谐波电流的含有率HRI7=16.19%，对配电网的影响较大，会严重干扰到配电网的正常运行。
3 解决方案
3.1 PWM整流技术基本原理
通过上述仿真可以看出，传统电动汽车充电站采用的不可控整流器导致交流侧电流谐波畸变率过高，对配网稳定性造成了很大影响。为了有效抑制谐波，考虑采用新型电动汽车充电站，它由由三相PWM整流器和高频变压器隔离DC-DC 变换器等组成。
PWM整流器是一种高效、可靠、绿色的电能变换器，具有双向的功率流动、低畸变率且正弦化的输入电流、单位或可调的功率因数、可调的直流电压等特点。而在不同种类的 PWM整流器中，电压源型整流器(VSR)的使用最为普遍，VSR其具有结构简单，损耗低，控制方便等优势。
三相 VSR 的主电路拓扑如图11所示。其中，ea、eb、ec分别为配网侧的三相交流电压；ia、ib、ic分别为配网侧的三相电流；C为直流侧电容，Vdc为直流侧电容电压。VSR的—般数学模型是根据其拓扑结构，在三相静止坐标系(a，b，c) 下完成的，一般数学模型可用下式来表示：
3.2 PWM整流式充电站控制策略
双闭环逆变器控制策略的结构框图如图12所示。经 dq 变换，分别得到交流侧三相电压u、电流i 和桥臂三相输出电流i1的d、q 轴分量，电压外环由电压控制器和输出电压反馈所构成。在电压外环作用下实现输出电压的稳定控制。电流内环由电流控制器和输出电流反馈所构成，逆变器输出电压空间矢量Vd、Vq为所得输出。通过对Vd、Vq控制信号进入PWM模块进行调制，输出额定正弦波电压。
1) 电流内环控制
Vd 和Vq 为整流器桥臂合成矢量的d轴和q轴分量，d轴和q轴分量是相互耦合的，所以电压环和电流环应进行解耦。
2) 电压外环控制
电压外环控制是通过由电流内环给定的控制量Vdc*与电压实际值Vdc相比较后做差形成，加入PI 调节器，控制电流内环id，最后可以控制直流侧电容电压Vdc使其达到需要的数值。
3.3 采用PWM整流式充电站后配网的谐波畸变率
根据图12的控制策略建立PWM整流式充电站的模型如图13所示。
由图14可以得出，电流总谐波畸变率THDI =3.51%。5次谐波电流的含有率HRI5 =1.85%，7次谐波电流的含有率HRI7 =1.98%。
对比图10和图14可以得出结论：采用PWM 整流技术后的电动汽车充电站谐波含量远好于传统不可控整流充电站的谐波含量，可以有效的对谐波进行控制。
4 结论
本文分析了电动汽车充电站的运行对城区配网造成谐波污染的原因，并对舟山传统电动汽车充电站以及采用PWM整流技术的充电站分别在MATLAB/SIMULINK中进行了建模，最后通过仿真分析和谐波畸变率的对比，得出：传统的不可控整流充电机产生的谐波含量较大，容易对城区配网造成严重影响；而 PWM 整流充电站的谐波畸变率较小，值得推广，为舟山定海城区即将建设的东门车站公交大巴充电站提供了理论参考。当然PWM 整流充电站成本较高，对后续保养维护也有一定要求，传统电动汽车充电站对配网所造成的影响也可通过完善的滤波措施予以弥补，本文由于篇幅有限，在建模仿真中未加入滤波装置，这些都是后续研究的重点。
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作者简介：
胡家宁（1993－），男，浙江舟山，助理工程师，从事配电运检，主要研究方向为分布式能源并网。
陈淡峰（1977－），男，浙江舟山，助理工程师，从事配电运检，主要研究方向为配电电缆故障测寻。
论文作者:胡家宁,陈淡峰
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/24
标签：充电站论文; 变换器论文; 谐波论文; 舟山论文; 电动汽车论文; 电流论文; 电压论文; 《中国电气工程学报》2019年第3期论文;