电动汽车(交流)充电桩谐波的危害与治理

电动汽车（交流）充电桩谐波的危害与治理

【摘 要】随着汽车工业的高速发展，全球汽车总保有量不断增加，汽车所带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭等方面的问题越来越突出，为了保护人类居住环境和保障能源供给，各国政府不惜投入大量人力、物力寻求解决这些问题的途径。当今燃油汽车每年消耗的石油占世界石油产量的一半以上，石油价格近年来不断上涨表明了人类可用化能源的紧缺性；汽车发动机排放的废气对大气造成的污染也会越来越严重，基于上述原因，电动汽车逐渐成为人们关注的热点之一。

【关键词】电动汽车；交流充电桩；EMI滤波器

基于国家的新能源产业政策和国网公司关于大力推进电动汽车充电站建设的工作思路，充分调研充电站设备的市场现状，按照充电站功能设置，主要分为四个功能子模块，分别为：配电系统、充电系统、电池调度系统、充电站监控系统。根据模块做好电动汽车充电设备的研发和 监控工作。主要生产的充电站设备包括高、低压配电柜、滤波无功补偿装置、电能监控设备、计量计费设备、发电上网设备、电池自动化更换工具、整车充电机、模块电池以及监控系统的大中型充电站、电池更换站中使用设备，还包括公共场所和家庭使用的充电桩。

1 交流充电桩简介

交流充电桩，又称交流供电装置，是指固定在地面或墙壁，安装于公共建筑（办公楼宇、商场、公共停车场等）和居民小区停车场或充电站内，采用传到方式为具有车载充电机的电动汽车提供人机交互操作界面及交流充电接口充电，并具备相应测控保护功能的专业装置，功率一般不大于7KW。

交流充电桩由桩体、电气主回路、控制模块、人机交互模块组成。采用复费率电子式电能表，带485接口；在充电桩进线端加装防雷器，防雷器带有信号输出回路，提供防雷器动作信号；选用的进线断路器自带漏电保护功能；采用微型断路器配置操作机构，具有带符合分断能力和过流保护能力。

2 充电（站）桩谐波源分析

位于苏州市供电公司院内的电动汽车充电桩，由配电室内三相电引至室外配电箱再分配至各个充电桩，充电桩供电电压均为单相220V，配备电子计费以及信号远传功能。我们在总配以及每个充电桩内分别安装了在线检测仪表，共六处数据采集点，以高速采样记录在充电过程中谐波含量的变化情况。

充电桩配电以及测点（黑圈部分）示意图：

图1 充电桩总线-1

由于所测五台充电桩充电对象均为海马汽车公司生产同款车型，因此单台数据相差甚少，在此只对总线数据进行分析。由图1：在单台充电负载上电初期电流由0安培逐渐增大至9.99安培直至稳定，电流谐波畸变率会随着电流的变化出现闪变，最高达到73%，随着充电电流的稳定也会随之稳定接近于3%。

图2 充电桩总线-2

由图2：在两台充电桩同时工作功率接近于4kw，电流谐波畸变率接近于3%，谐波量较小，且相对平稳。

图3 充电桩总线-3

由图3：在三台充电桩同时工作有功功率接近于在6kw左右，电流谐波畸变率接近于15.6%，较之前有增加趋势。

图4 充电桩总线-4

由图4：在四台充电桩同时工作有功功率接近于在8kw左右，电流谐波平均畸变率最大接近于4%，较之前有减小趋势。

图5 充电桩总线-5

由图5：在五台充电桩同时工作有功功率接近于在10kw左右，电流谐波平均畸变率正常为3%左右，但在最后断电瞬间谐波畸变率最大超过60%。

图6 充电桩5线

由图6：单相电流奇次谐波畸变率已超过40%，如若多台充电桩同时工作对电网产生一定的危害。

3 充电（站）桩产生谐波造成的危害

充电（站）桩采用的充电机是非线性设备，运行时会影响电力系统的电能质量。充电（站）桩对电力系统的影响主要体现在造成谐波污染和电网功率因数下降等方面。谐波污染对电力系统产生的危害主要有：

（1）对电费计量系统：将谐波电流计为有功电流，造成用户多支出电费。

（2）对计算机和一些其他电子设备：较高的谐波可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断。

（3）对变压器：谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损，加剧变压器发热，而且谐波也会导致变压器噪声增加。

（4）对功率因数补偿电容器：谐波引起的发热和电压增加会导致电容器使用寿命的缩短，导致机械存在受损危险。谐波引起 中局部的并联谐振和串联谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在吴谐振情况下出现的滤波电压和电流。

（5）对电子设备：电压谐波畸变率会导致控制系统对电压过零点与电压为点的判断错误，是控制系统失控。

（6）对发动机和电动机：机械振动会受到谐波电流和基波频率磁场的影响，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，可发生共振进而产生很高的机械应力。

（7）对电子设备和继电保护：导致电子保护式低压断路器之固态跳脱装置不正常跳闸。电网上一般的谐波很可能对由序分量过滤器组成启动元件的保护及自动装置产生干扰。

目前国际上公认，谐波的“污染”是电力系统的公害，必须采取措施加以限制。供电部门为了避免谐波问题的副作用，对用户与电网公共耦合点上的谐波电压和谐波电流水平，都给出谐波的允许标准。国家标准规定负荷接入系统前必须满足谐波标准GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》。

4 EMI滤波器的作用

电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径，通过电源线，电网的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作，同时设备产生的干扰也可能通过电源线传到电网上，干扰其他设备的正常工作。因此，必须在设备的电源进线处加入EMI滤波器，这种滤波器是低通滤波器，它只允许设备正常工作频率信号进入设备（一般来说就是工频50HZ，60HZ或者中频400HZ），而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。EMI滤波器的主要作用就是抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响和抑制设备对交流电网的干扰；主要功能是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。

滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；时间滤波器的通带和阻带之间在一定频率范围内的过渡带。

高频开关电源由于其在体积、重量、功能密度、效率等方面的诸多优点，已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了大大降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作（从十几KHZ道数MHZ），形成了EMI骚扰源。从已发表的开关电源论文可知，在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和进场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。

减少传导干扰的方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地，避免环形地线，尽可能减少公共阻抗；设计合理的缓冲电路；减少电路杂散电容等。除此之外，可以利用EMI

滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。

一般我们常把干扰分为共模干扰和差模干扰两大类。所谓共模干扰就是任何载流导体与参考地之间不希望有的电位差；而差模干扰则是任何两个载流导体之间不希望有的电位差。这两种干扰的来源可以从以下两个方面进行考虑：

共模干扰的来源：

架空导线载传输的过程中会受到周围空间电磁环境的辐射，火线、中线和安全地上所感应的信号的辐射值和相位几乎是相等的，由于安全地线要和大地相连接，所以就形成了火线、中线和安全之间的共模干扰。

差模干扰的来源：

共用一条输电线的不同设备，当其中的某一设备进行切换操作时，火线和中线之间会形成幅值大致相等而相位相反的信号，这种信号就是差模干扰。简单地说，共模干扰就是两个都是进去，而差模干扰则是一进一出。

EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。怎么样才能抑制这些高频干扰信号呢？无非就是要在信号进入设备之前把它遏制，也就是说，在输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配。

图7 EMI滤波器的设计结构

图7中的L就是共模电感，它是在同一个磁环上绕制两个绕向相反，匝数相同的线圈所形成的，它只对共模干扰有抑制作用，对差模干扰却没有抑制作用，我们可以从物理的

角度来解释；当电网输入共模干扰时，这两种方向相同的纵向噪声电流由右手螺旋定则可知，两个线圈产生的磁通顺向串连磁通相加，电感呈现出高阻抗，阻止共模干扰进入开关电源。同时也阻止了开关电源所产生的干扰向电网扩散，以免污染交流电网。而差模干扰电流和在L1和L2中所产生的磁通，它们反向串连，磁通相互抵消，感抗为零。差模干扰和工频交流电在形式上是一样的，所以共模电感对差模干扰和工频交流有用信号都没有影响。

5 治理后的谐波分析

图8 总谐波趋势图

由图8：治理后的电流总畸变率相对保持在5%一下（在电网电压下降闪变时畸变率最高达到45%）按照单项最高充电电流20A计算，畸变电流均在8A以下，相对较小。

图9 电流平均谐波趋势图

由图9：治理后电流平均谐波畸变率非常地小，电网质量非常的干净。

图10 整体趋势图

由图10整体趋势图三相电流谐波电流远远低于国家规定值：

依据GB/T14549-1993电网质量公用电网谐波对注入公共连接点的谐波电流允许值的规定，如下表：

图11 电压谐波趋势

由图11，治疗后的电压谐波畸变率在负载变动的情况下仍保持在2%，完全符合0.38KV电压总谐波畸变率低于5%相关规定。依据GB/T14549-1993电网质量公用电网谐波对公共电网谐波电压限值的规定，如下表：

6 结论

该套充电装置治理后整体电压谐波畸变率以及畸变电流均满足国家相关规定，只有在单台设备上电以及断电瞬间电流谐波畸变率较大些。

由于很多充电装置安装在普通的商业区、居民区，因此变压器的容量较小，距离变压器的距离较远，因此，与工业场合相比，谐波电流发射会导致更严重的谐波电压。这些谐波电压会导致电网上的信息设备、电子设备、家用电器等工作异常。因此谐波的问题我们应当时刻予以重视和关注。

参考文献：

[1]徐挺挺.电动汽车充电站的谐波治理[J].上海电力，2011（3）.

[2]蒋浩.电动汽车充电站谐波的抑制与消除[J].广东电力，2010（8）.