供配电工程设计中充电桩的谐波治理_产品与技术_机械工业北京电工技术经济研究所

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供配电工程设计中充电桩的谐波治理

作者: ​梁国灿  来源:(昆明自动化(集团)电力设计有限公司) 时间:2020-11-20

 

摘 要:在供配电工程的设计中,近年来电动汽车充电桩的供配电设计数量在不断增加,业内对充电桩的认知存在不同的理解,有专家学者研究表明充电桩工作时会产生谐波电流,对电网电能质量影响很大,需设置专用的滤波装置,对谐波进行治理。由于滤波装置工程造价高,占工程总体投资的比重大,在工程设计中需按照符合规范、安全可靠、经济适用的原则进行设计。现对充电桩、谐波的相关知识、工程实际进行讨论、学习、进步,最后总结出较为合理的治理方式,建议中小规模充电桩的建设中不设置专用的滤波装置。

关键词:充电桩;供配电设计;电能质量;谐波治理

引言

电动汽车充电桩的供配电设计数量在不断地增加,充电桩工作时会产生谐波,需要治理的声音也不时发出,充电桩配电工程中是否需要设置专用的滤波装置是每个设计人员要面对的选择,成为设计方案中重点关注的部分,同时这也关系到总体工程的投资成本,不得不引起重视,既要符合充电桩设计规范,又要安全可靠、经济合理 。为更好地完成充电桩配电工程的设计工作,在深入研究设计规范的同时,还需对充电桩、谐波有进一步的认知。

1   谐波

什么是谐波呢? 谐波是一个物理学名词 ,为更好地理解定义,需要了解波的一些常识,有水波、声波、电磁波等,如水中投石,以中心点不断向外推动传送水的波纹,具有振荡传送、周期性波动等特性,无线电波也是电磁波的一种。       

本文所说的谐波,是指在工频交流电网中由于不同因素产生的波形,它们寄生于正弦交流电50Hz的波形中,把频率为50Hz的正弦波形定义为基波,那么谐波的频率就是基波频率的整倍数存在,就如图1所示的3次谐波与5次谐波。

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               图1 基波和谐波

非线性负载是谐波的起因,在业内是没有争议的。狭义的谐波就是上面定义的特性,但寄生在电网中的很多波形也可称之为谐波,不管频率和波形都与基波有很大的差异,这部分波形也是谐波(广义),但它们的谐波电流要小,对电能质量的影响不大,不在我们要讨论的范围内,与工频交流电基波成整倍数关系的谐波才是我们要关注的。由于非线负载的不同,谐波电流是6N±1生成规律,产生的谐波从5、7、11、13、17、19次不等,特殊设备会产生更高的谐波如23次。非线负载不单生成奇次谐波,同时也有偶次谐波的产生,但由于电网三相对称系统,不会含有偶次谐波和3的整倍数谐波,对电网影响大的主要是5次到19次谐波,而充电整流装置一般产生的主要是5、7、9次谐波,高次谐波出现在电网中的情况不多,越高次的谐波,衰减得越快,出现得越少,而且谐波电流越小[1]



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图2 电网内谐波

通过图2所示就可以看出,Dyn11型变压器进线绕组以三角形联结方式具有隔绝3次谐波电流的功能[2],这里在变压器低压侧其实是存在偶次谐波的,如2、4、6、8次等谐波,因变压器及电网的三相对称性,偶次谐波不会传到10kV电网,仅存在于220V的相线和N线之间,未在图中表示出来。

根据国家规范GB/T14549[3],测量的谐波数一般为第2到第19次,所以电力网系统中对谐波的考核分析及治理一般到19次谐波为止,电网谐波分析仪器工作检测的上限为40-50次的范围,更高次的谐波存在的数量少,并且当有更高次谐波存在的时候,由于谐波电流小,衰减得快,幅值低,对电网的影响不大,未列入考核及治理的范围。分析了一些谐波的基本知识后,再来简略看一下谐波的危害:会引起变压器的温度升高、铜损、铁损增大、噪声等级变大;当谐波的频率与电容器的容量、电网内的感抗形成谐振后,易造成电容器过电流、过电压击穿烧坏;引起电动机的发热;各级保护断路器的误动作;对通信系统的干扰;增加输电线路的线路损耗;造成低压系统中性线的过流过热。      

2   充电桩

充电桩:能对电动汽车的车载电池进行充电的装置,主要分为直流型和交流型。 交流充电桩只是为电动汽车直流充电机提供交流输入接口,并计费计量,本体没有整流设备,不产生谐波,从而未设置滤波模块;但不排除由于车载直流充电机传播3次谐波及偶次谐波的可能,在供配电交流桩的设计中需注意电缆至电缆分接箱,中性线的选择上要和相线的截面一致[4],以防止偶次谐波造成中性线电流过大的超温故障。

目前直流充电桩普遍采用有源滤波模块与PWM整流器充电功率模块组成,其特点是无工频变压器,功率因数高, 电网侧电流谐波较小, 注入电网的谐波的总畸变率可以小于5%,是对电动汽车充电站进行供配电设计选型时需注意的。相对而言,电压型的PWM整流器比电流型PWM整流器配置要简单,对电网的谐波电流更小。

3  PWM整流技术、PFC功率因数校正技术

PWM整流技术是采用脉宽调制的控制技术[5](如图3所示),利用微处理器的控制把交流变换为直流的一种方式,它的特点是取消了工频变压器,体积变小,降低了谐波电流的输出。充电功率模块采用的主要元器件是IGBT模块(绝缘栅双极型晶体管)。



PFC技术主要是功率因数的校正,现在直流充电功率模块电路中,普遍把二者进行了整合,结合各自的优点,具有输出谐波小、功率因数高等特性。

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图3  PWM整流器

4   供配电设计

在充电站的设计中,需要注意的一个问题,就是无功补偿。按南网电动汽车充电站典型设计方案是不配置无功补偿的,从充电桩的技术特性分析是不应配置无功补偿,一是因充电桩的功率因数很高,无需设置,二是普通电容补偿易与充电桩的谐波发生谐振,放大谐波电流,造成电容器过电流、过电压击穿烧坏。

还有就是在充电站变压器的选型时,不能选用Yyn0型变压器,不然3次谐波会进入10kV电网,需选用以三角形联结的Dyn11型变压器,能有效抑制谐波对电网的污染[6]

供配电的设计人员,在进行电动汽车充电桩的供配电设计时,选用电能质量满足规范要求的充电机类型,这样在供配电设计中就不需配置专用的有源滤波装置。

电动汽车充电站总谐波电流是每台充电桩谐波电流的简单相加吗?答案是否定的,总的谐波电流不是简单的加法,不同的谐波电流有相位差时,甚至有部分抵消,当充电桩上升到一定数量,总谐波电流还有所下降,谐波电流的叠加计算是个复杂的问题,很多学者对此课题作过专门的研究、实验、测量[7]。依据中国南方网电网电动汽车充电设施的典型设计方案,第4.4 节第2条充电桩配有功率校正技术的不单独设置滤波装置。

5   结束语

通过对谐波知识的学习,整流技术的发展分析,规范及典型设计方案的实际应用,可知在中小规模电动汽车充电桩的供配电工程设计中,一般无需设置专用的滤波装置。

参考文献

[1]      中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/Z 17625.6-2003《电磁兼容限值、谐波电流发射限值》[S]

 北京:中国标准出版社2003:8-10

[2]      中华人民共和国住房和城乡建设部.《供配电系统设计规范》[S] GB50052-2009   北京:中国计划出版社2010:8

[3]      中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GBT-14549-93《电能质量、公用电网谐波》[S]

 北京:中国标准出版社1994 :5

[4]      中华人民共和国住房和城乡建设部.《电动汽车充电站设计规范》[S]  GB50966-2014 北京:中国计划出版社2014:12

[5]张沥桐.基于PWM整流器的电网谐波抑制及无功补偿研究[哈尔滨理工大学工学硕士学位论文][D]哈尔滨.电气与电子工程学院 2012.3:7

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.《20kV及以下变电所设计规范》 [S] GB50053-2013 北京:中国计划出版社2013:7

[7]宋鹏.电动汽车直流充电站多台充电机谐波叠加问题研究[湖南大学硕士学位论文][D]湖南.电气与信息工程学院 2018.4.30:4

[8]王晗,洪建军.工厂供配电系统中电气火灾研究与防范要点[J].电气技术与经济,2018(04):40-42.

 

(收稿日期:2019-12-23)

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