基于Y／Y与Y／Δ变压器的电动汽车充电站的谐波抑制方法

李 璨

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250000）

由于电动汽车具有极好的环保效能和节约燃料的特点，使其成为未来汽车行业的发展趋势［1-2］。现阶段在国外市场，混合动力汽车已经实现了产业化，纯电动汽车也已占有一定的市场份额。研究表明，如果电动汽车的充电工作在电力负荷的低谷时段（如夜间）进行，可以有效地改善电网的负荷曲线，在提高电网经济效益的同时达到环保、低耗的目的。中国的电动汽车起步较晚，但是发展较快，在接下来的一个时期内，围绕电动汽车进行的研究将与新能源发电技术一起成为中国智能电网技术发展的重要方面。

为了满足电动汽车电池充电或更换的需要，电网公司和汽车生产商必须建设广泛、方便、快捷的电动汽车充电站。对电网而言，充电站的充电机是一个非线性负载，随着充电工作的进行，将给电网注入较大的谐波电流［3-5］，谐波的出现会对电网的正常运行带来一系列的危害。解决充电站的谐波问题，对于电动汽车的推广有重大意义。

电动汽车进行充电时要经过一个整流环节，这些整流装置在工作时会产生大量的非正弦周期电流，对电网产生谐波污染。文献［6-9］分别介绍了12，24和48脉动的整流方法，大大减少了电网侧的谐波含量，虽然此类谐波抑制方法有一定效果，但是随着整流脉动数的增加，使换流变压器与整流装置以及附属设备的成本升高、接线复杂、维护困难；文献［10］介绍了无源滤波的方法，无源滤波器虽然结构简单、设备投资较省，但难以达到较好的滤波效果，且滤波支路与系统的等值阻抗相并联，当受到网络结构变化影响时，容易出现谐振过电压、电网谐波放大等现象；文献［11-12］介绍了有源滤波的方法，有源滤波器虽然改进了无源滤波方式的滤波效果，但有源滤波技术在工程应用时要备有谐波发生源和大功率晶闸管元器件，还要配有跟踪控制和脉宽调制系统，虽滤波效能优越，但成本费用高，技术难度大；文献［13］利用移相电抗器进行谐波抑制，此种方法虽然结构简单、成本较低，但是参数设计较复杂，工程运行经验相对较少。

基于此，笔者根据电动汽车充电站的基本特点，考虑同时充电汽车数量与充电时段，设计出以三相不控整流（6脉动整流）装置为基础，利用供电变压器的绕组接线方式形成了12脉动谐波抑制效果的双6脉动整流电源供电方式，在保证电网侧电能质量满足标准的前提下，无需额外装设滤波装置，大大降低了谐波抑制成本，这一方法将有利于电动汽车的推广。

1 电动汽车充电站的谐波分析

根据目前的电动汽车充电机的工作原理可将充电机分为3类：①由三相不控整流与斩波器组成；②由三相不控整流与DC／DC变换器组成；③由PWM整流与DC／DC变换器组成。

第1类充电机属于早期产品，目前国内外充电站中较少使用，虽然其直流侧的纹波小，动态性能佳，但是这类充电机会对电网注入大量的谐波电流，网侧的电流畸变率可达90%，大大增加了滤波成本，显然此类充电机不适合接入电网。

第2类充电机是目前广泛采用的方式，电网三相交流电经三相桥式不控整流电路进行整流，平波后将直流电供给高频DC／DC功率变换电路，再经滤波电路为电动汽车的动力蓄电池充电，其典型结构如图1所示。

图1 典型充电机结构Figure 1 Structure of typical battery charger

此类充电机中，经过直流侧平波电路平波作用后，直流电压的纹波小，且交流侧电流谐波含量小，主要谐波次数为6k±1（k=1，2，...），总的谐波畸变率可达30%以下，较第1类充电机有较大的改善，但是仍不满足电网电能质量的要求，必须对其采取谐波抑制措施。

第3类充电机利用了三相PWM整流方法来抑制电网侧的谐波，这是一种新型的充电方法，网侧电流畸变率可小于5%，充电过程中无需装设滤波装置，但是PWM整流方法要求开关器件能在高频下工作，开关电能损耗大，发热温升问题严重，而且控制复杂、成本高，难以用于大容量场合。

2 谐波抑制原理分析

文献［7-10］提出的多脉动移相叠加整流方法是按一定的规律将2个或多个（通常为偶数个）变流器进行组合，通过移相变压器对电网电压进行移相，使得各个整流桥输入电压存在一定的相位差，从而获得整流负载电流之间的相位差，不同相位差的整流负载电流在电网侧的叠加，可以使某些次谐波相互削弱或抵消，从而实现电网侧电流的正弦化矫正。这类方法的最大缺陷是多组换流变压器与整流电路向一个功率变换电路供电，成本较高。现考虑能否在保持电网侧电流波形不变的前提下，利用将多脉动整流电路中的多组整流器向不同的功率变换电路供电，实现多脉动整流电路的多直流电源供电。多脉动整流电路分组运行后，电网侧的谐波电流能否保持抵消状态是此方法可行的核心问题。为达这一目的，就必须要求受电侧的多个功率变换电路要同时工作才能进行谐波抵消，也就是说要有多辆电动汽车同时充电。

考虑到充电站的实际特点与电网电能质量的标准，确定利用12脉动整流的方式，这种方式与传统的12脉动整流有较大差异，通过Y／Y与Y／Δ变压器向2组不控整流电路供电，以双电源的形式给电动汽车充电，其整流电路不参与电压、电流调节，最大限度地降低了充电电路的成本与运行维护的工作量，直流电压、电流的调节可通过DC／DC功率变换电路进行，调节更为方便，只需更改其控制方式。这种将12脉动整流分组运行的方式较传统的12脉动晶闸管半控整流结构更简单、控制更方便、价格更低廉。分组运行后，虽然2个整流电路直流侧的纹波含量增大，但是直流纹波的消除方法相对简单，通过调节平波电路的电抗与电容即可使直流电压、电流的纹波含量达到要求。

2.1 Y／Y变压器电网侧电流波形分析

当Y／Y变压器向三相不控整流供电时，电路如图2所示。

以A相电路为例分析变压器电网侧电流波形，此时电流近似为方波波形，忽略电流的初相位，标幺值形式的数学表达式：

图2 Y／Y变压器供电电路Figure 2 Circuit diagram of Y／Y transformer power supply

式（1）是一个T=2π／ω的周期函数展开，其傅立叶级数：

式中

则

则

从式（3）可以看出，Y／Y变压器向不控整流负载供电时，电源侧即原边电流会有波形畸变，主要谐波为特征谐波，次数为6k±1。

2.2 Y／Δ变压器电网侧电流波形分析

当Y／Δ变压器向三相不控整流供电时，电路如图3所示。

图3 Y／Δ变压器供电电路Figure 3 Circuit diagram of Y／△transformer power supply

以A相电路为例分析变压器电网侧电流波形，此时电流近似为“品”字型波形，标幺值形式的数学表达式为

展开傅立叶级数为

式中

则

则

可以看出，Y／Δ变压器向不控整流负载供电时，电源侧即也会有波形畸变，主要谐波次数为6k±1，与Y／Y变压器相同。

从式（3）、（6）可知，Y／Y与Y／Δ变压器的网侧电流谐波次数与大小相同，而且6k±1（k=1，3，…）次谐波正负相反，如果2个电流叠加，可相互抵消，只剩下6k±1（k=2，4，…）即12k±1（k=1，2，…）次谐波，电网侧总电流形式为

利用Y／Y与Y／Δ变压器分别向2个不控整流电路供电，叠加后的电网侧电流中的5，7次谐波保持抵消状态，电流中只含有少量的12k±1（k=1，2，…）次谐波，由于各次谐波与基波有效值的关系为

电流中随着谐波次数的增大，谐波有效值减小，故虽然2个电流的12k±1（k=1，2，…）次谐波也有叠加，但是其有效值较小，对电流波形的影响不大，实现了基于Y／Y与Y／Δ变压器的谐波抑制方法。

3 充电站运营模式分析

电动汽车充电站的运营模式应基于电力市场的实时电价环境下，充电汽车的充电量按很短时间间隔（如以小时为单位）进行定价，根据电网的负荷曲线，在负荷低估时段电价下浮，高峰时段上涨。电网调度部门可依据负荷预测的情况对第2天充电电价进行预测，供用户参考。

根据该文提出的谐波抑制方法，充电站布置如图4所示，为使各充电机的谐波互不影响，电网以多母线形式供电，每段母线分别为1台Y／Y与1台Y／Δ变压器供电，同一母线上的2台充电机同时进行充电。由于充电站的汽车具有流动性的特点，并不能保证每条母线上都有2辆汽车同时充电，所以可对单辆汽车充电与2辆汽车充电电价进行划分，单辆充电时电价上浮，用户需缴纳谐波污染费，2辆充电时电价相对较低。

图4 电动汽车充电站布置Figure 4 Arrangement of battery charging station electric vehicles

除此之外，由于电动客、货车与电动轿车的电池容量大小不同，充电站中应该配置不同类型的充电机，但是同一母线上的充电机应型号相同，或者充电机的功率变换电路设成能够根据汽车类型不同进行灵活调节。

4 实验与仿真验证

通过实验验证上述分析，实验电路如图5所示，电网分别通过Y／Y与Y／Δ变压器向2个不控整流电路供电，为分析简便，2个整流电路的直流负载为大小相同的电阻。

图5 实验电路Figure 5 Experimental circuit diagram

用示波器分别测量Y／Y与Y／Δ变压器的电压、电流，其波形如图6，7所示，并利用示波器分析电流的谐波含量，如表1所示。实验表明，Y／Y与Y／Δ变压器的电网侧电流总畸变率THD与各特征谐波含有率大致相同，验证了前文的分析。

图6 Y／Y变压器电网侧电压、电流波形Figure 6 Voltage and current diagram of Y／Y transformer in power grid

图7 Y／Δ变压器电网侧电压电流波形Figure 7 Voltage and current diagram of Y／△transformer in power grid

表1 电网侧电流谐波含有率Table 1 Harmonic percentage of current in power grid

用示波器测量电网侧总电压、电流波形与谐波含有率，如图8，表2所示。实验表明，2组整流电路的5，7，17，19次等谐波可以在电网侧进行有效削弱，其没有完全抵消是由于2组整流电路直流侧电阻不一定完全相等，而且Y／Y与Y／Δ变压器的绕组匝数有误差，再加之电网电流含有一定的固有谐波，若在器件制作工艺以及电网环境理想的状态下可以完全抵消。

图8 电网侧总电压、电流波形Figure 8 Voltage and current waveform in power grid

表2 电网总电压、电流谐波含有率Table 2 Harmonic percentage of voltage and current in power grid

由于叠加后的基波电流增大，故11，13，23，25次等谐波的叠加对电流波形的影响并不明显，所以分组运行的12脉动整流与传统的12脉动整流的谐波抑制效果相同，电网侧的电流波形得到了明显的改善，其各次谐波经容量换算后，满足国标《电能质量 公用电网谐波》GB／T 14594—93的要求。

以图4为基础，结合图5，建立一个实际的充电站进行仿真验证。充电站中装设了4组充电机，即可同时向8辆汽车充电，其中4辆为电动客、货车，将仿真电路中整流电路直流侧的电阻设为10Ω，另外4辆为电动轿车，整流电路直流侧的电阻设为15 Ω。8辆汽车同时充电时，其电网侧A相电压、电流波形分别如图9，10所示。

图9 电网侧总电压仿真波形Figure 9 Simulation waveform of total voltage in power grid

图10 电网侧总电流仿真波形Figure 10 Simulation waveform of total current in power grid

由图9，10可知，8辆汽车同时充电时，电网侧总电压几乎为正弦波形，电流大约有8%的波形畸变，这一结果与前文的实验结果相似。通过仿真可得出：在充电站中无论正在充电的汽车数目的多少，只要满足各组充电机同时充电，整流电路的主要谐波即可有效抵消，充电站电网侧母线总电流谐波含量可满足国标要求；如果某组充电机单台运行，其谐波就会对母线电流产生影响，而且随着单台运行的充电机增多，其影响越明显。

5 结语

中国电动汽车行业将会进入快速的发展时期，电动汽车充电站系统的建立将会给电网带来较大的电能质量方面的危害，成为影响电动汽车普及的重要因素，解决电动汽车充电站的谐波抑制问题的意义重大。

笔者提出的基于Y／Y与Y／Δ变压器的谐波抑制方法，将传统的12脉动整流电路分组运行，以2组三相不控整流的形式实现了双直流电源充电，在保证电网侧电流波形的前提下，较大程度地降低了谐波抑制成本，这一方法适合在未来电网中广泛使用。

［1］陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.

［2］杨洪明，黄雨翔，刘保平，等.考虑分布式电动汽车参与电网调峰的配电网规划［J］.电力科学与技术学报，2012，27（1）：48-53.YANG Hong-ming，HUANG Yu-xiang，LIU Bao-ping，et al.Distribution network planning considering distributed EVs for peak shaving［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2012，27（1）：48-53.

［3］陈新琪，李鹏，胡文堂，等.电动汽车充电站对电网谐波的影响分析［J］.中国电力，2008，41（9）：31-36.CHEN Xin-qi，LI Peng，HU Wen-tang，et al.Analysis of impacts of electric vehicle charger on power grid harmonic［J］.Electric Power，2008，41（9）：31-36.

［4］胡维昊，陈哲，王晓茹.大规模电动汽车接入电网的分析［J］.电力科学与技术学报，2011，26（4）：14-19.HU Wei-hao，CHEN Zhe，WANG Xiao-ru.Analysis for large scale integration of electric vchicles into power grids［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2011，26（4）：14-19.

［5］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 harmonics caused by connecting different types of electric vehicle chargers with power network［J］.Power System Technology，2011，35（1）：170-174.

［6］王念同，魏雪亮.轴向双分裂式12脉波牵引整流变压器谐波电流的分析（上）［J］.变压器，2001，38（1）：16-19.WANG Nian-tong，WEI Xue-liang.Analysis of harmonic current in traction rectifier transformer with axial double split structure and 12impulse（1）［J］.Transformer，2001，38（1）：16-19.

［7］王念同，魏雪亮.轴向双分裂式12脉波牵引整流变压器谐波电流的分析（下）［J］.变压器，2001，38（2）：25-28.WANG Nian-tong，WEI Xue-liang.Analysis of harmonic current in traction rectifier transformer with axial double split structure and 12impulse（2）［J］.Transformer，2001，38（2）：25-28.

［8］钱长生，齐嘉瞻，李国新，等.24脉波整流变压器电流的谐波计算分析［J］.变压器，2007，44（12）：1-7，47 QIAN Chang-sheng，QI Jia-zhan，LI Guo-xin et al.Harmonic calculation analysis of curremys in 24-pulse rectifier transformer［J］.Transformer，2007，44（12）：1-7，47.

［9］雷建华，朱志勇.48脉波整流变压器组的谐波电流［J］.变压器，2007，44（1）：15-19.LEI Jian-hua，ZHU Zhi-yong.Harmonic current of 48-pulse rectifier transformer uints［J］.Transformer，2007，44（1）：15-19.

［10］汪力，程剑兵，王显强，等.基于多目标粒子群算法的无源电力滤波器优化设计［J］.电力系统保护与控制，2011，39（8）：71-74.WANG Li，CHENG Jian-bing，WANG Xian-qiang，et al.Passive power filter optimal design based on multiobjective PSO optimization algorithm［J］.Power System Protection and Control，2011，39（8）：71-74.

［11］徐永海，刘书铭，朱永强，等.并联型有源滤波器的补偿策略研究［J］.电力系统保护与控制，2010，38（8）：71-74.XU Yong-hai，LIU Shu-ming，ZHU Yong-qiang，et al.Research of shunt active power filter compensation strategy［J］.Power System Protection and Control，2010，38（8）：71-74.

［12］李海洋，杨勇，陈杰，等.一种单相并联混合型有源电力滤波器的研究［J］.电力系统保护与控制，2010，38（3）：25-28.LI Hai-yang，YANG Yong，CHEN Jie，et al.Research onsingle-phase parallel hybrid active power filter［J］.Power-System Protection and Control，2010，38（3）：25-28.

［13］耿大勇，王凤翔.移相电抗器对变流器供电系统的谐波抑制研究［J］.变压器，2003，40（1）：7-10.GENG Da-yong，WANG Feng-xiang.Reseach on harmonic suppression of phase-shifting reactor on converter power supply system［J］.Transformer，2003，40（1）：7-10.