淺談供配電工程設(shè)計(jì)中充電樁的諧波

王曉昭

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：在供配電工程的設(shè)計(jì)中，近年來(lái)電動(dòng)汽車充電樁的供配電設(shè)計(jì)數(shù)量在不斷增加，業(yè)內(nèi)對(duì)充電樁的認(rèn)知存在不同的理解，有專家學(xué)者研究表明充電樁工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響很大，需設(shè)置專用的濾波裝置，對(duì)諧波進(jìn)行治理。由于濾波裝置工程造價(jià)高，占工程總體投資的比重大，在工程設(shè)計(jì)中需按照符合規(guī)范、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)對(duì)充電樁、諧波的相關(guān)知識(shí)、工程實(shí)際進(jìn)行討論、學(xué)習(xí)、進(jìn)步，總結(jié)出較為合理的治理方式，建議中小規(guī)模充電樁的建設(shè)中不設(shè)置專用的濾波裝置。

關(guān)鍵詞：充電樁；供配電設(shè)計(jì)；電能質(zhì)量；諧波治理

1、引言

電動(dòng)汽車充電樁的供配電設(shè)計(jì)數(shù)量在不斷地增加，充電樁工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，需要治理的聲音也不時(shí)發(fā)出，充電樁配電工程中是否需要設(shè)置專用的濾波裝置是每個(gè)設(shè)計(jì)人員要面對(duì)的選擇，成為設(shè)計(jì)方案中關(guān)注的部分，同時(shí)這也關(guān)系到總體工程的投資成本，不得不引起重視，既要符合充電樁設(shè)計(jì)規(guī)范，又要安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。為更好地完成充電樁配電工程的設(shè)計(jì)工作，在深入研究設(shè)計(jì)規(guī)范的同時(shí)，還需對(duì)充電樁、諧波有進(jìn)一步的認(rèn)知。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新時(shí)期人們對(duì)于高品質(zhì)生活的追求也在逐漸提高，特別是在文化追求方面，人們的需求日益多樣，當(dāng)前廣播電視臺(tái)發(fā)展過(guò)程中，由于相關(guān)的設(shè)備規(guī)模和數(shù)量不斷增加，電視臺(tái)工程的電力負(fù)荷也在逐漸增加，這進(jìn)一步對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，諧波對(duì)于廣播電視臺(tái)也產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅，在這方面，要不斷實(shí)施諧波和無(wú)功補(bǔ)償措施，從而使整個(gè)廣播電視臺(tái)的相關(guān)電力系統(tǒng)穩(wěn)定有序。

2、諧波

什么是諧波呢？諧波是一個(gè)物理學(xué)名詞，為更好地理解定義，需要了解波的一些常識(shí)，有水波、聲波、電磁波等，如水中投石，以中心點(diǎn)不斷向外推動(dòng)傳送水的波紋，具有振蕩傳送、周期性波動(dòng)等特性，無(wú)線電波也是電磁波的一種。

本文所說(shuō)的諧波，是指在工頻交流電網(wǎng)中由于不同因素產(chǎn)生的波形，它們寄生于正弦交流電50HZ的波形中，把頻率為50HZ的正弦波形定義為基波，那么諧波的頻率就是基波頻率的整倍數(shù)存在，就如圖1所示的3次諧波與5次諧波。

圖1 基波和諧波

非線性負(fù)載是諧波的起因，在業(yè)內(nèi)是沒(méi)有爭(zhēng)議的。狹義的諧波就是上面定義的特性，但寄生在電網(wǎng)中的很多波形也可稱之為諧波，不管頻率和波形都與基波有很大的差異，這部分波形也是諧波（廣義）。關(guān)系的諧波才是我們要關(guān)注的。由于非線負(fù)載的不同，諧波電流是6N±1生成規(guī)律，產(chǎn)生的諧波從5、7、11、13、17、19次不等，特殊設(shè)備會(huì)產(chǎn)生更高的諧波如23次。非線負(fù)載不單生成奇次諧波，同時(shí)也有偶次諧波的產(chǎn)生，但由于電網(wǎng)三相對(duì)稱系統(tǒng)，不會(huì)含有偶次諧波和3的整倍數(shù)諧波，對(duì)電網(wǎng)影響大的主要是5次到19次諧波，越高次的諧波，衰減得越快，出現(xiàn)得越少，而且諧波電流越小。

圖2 電網(wǎng)內(nèi)諧波

通過(guò)圖2所示就可以看出，Dyn11型變壓器進(jìn)線繞組以三角形聯(lián)結(jié)方式具有隔絕3次諧波電流的功能，這里在變壓器低壓側(cè)其實(shí)是存在偶次諧波的，如2、4、6、8次等諧波，因變壓器及電網(wǎng)的三相對(duì)稱性，偶次諧波不會(huì)傳到10KV電網(wǎng)，僅存在于220V的相線和N線之間，未在圖中表示出來(lái)。

分析了一些諧波的基本知識(shí)后，再來(lái)簡(jiǎn)略看一下諧波的危害：會(huì)引起變壓器的溫度升高、銅損、噪聲等級(jí)變大；當(dāng)諧波的頻率與電容器的容量、電網(wǎng)內(nèi)的感抗形成諧振后，易造成電容器過(guò)電流、過(guò)電壓擊穿燒壞；引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱；各級(jí)保護(hù)斷路器的誤動(dòng)作；對(duì)通信系統(tǒng)的干擾；增加輸電線路的線路損耗；造成低壓系統(tǒng)中性線的過(guò)流過(guò)熱。

3、充電樁

充電樁：能對(duì)電動(dòng)汽車的車載電池進(jìn)行充電的裝置，主要分為直流型和交流型。交流充電樁只是為電動(dòng)汽車直流充電機(jī)提供交流輸入接口，并計(jì)費(fèi)計(jì)量，本體沒(méi)有整流設(shè)備，不產(chǎn)生諧波，從而未設(shè)置濾波模塊；但不排除由于車載直流充電機(jī)傳播3次諧波及偶次諧波的可能，在供配電交流樁的設(shè)計(jì)中需注意電纜至電纜分接箱，中性線的選擇上要和相線的截面一致，以防止偶次諧波造成中性線電流過(guò)大的超溫故障。

目前直流充電樁普遍采用有源濾波模塊與ＰＷＭ整流器充電功率模塊組成，其特點(diǎn)是無(wú)工頻變壓器，功率因數(shù)高，電網(wǎng)側(cè)電流諧波較小，注入電網(wǎng)的諧波的總畸變率可以小于5%，是對(duì)電動(dòng)汽車充電站進(jìn)行供配電設(shè)計(jì)選型時(shí)需注意的。相對(duì)而言，電壓型的ＰＷＭ整流器比電流型PWM整流器配置要簡(jiǎn)單，對(duì)電網(wǎng)的諧波電流更小。

4、PWM整流技術(shù)、PFC功率因數(shù)校正技術(shù)

圖3 PWM整流器（電壓源型）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

PWM整流技術(shù)是采用脈寬調(diào)制的控制技術(shù)（如圖3），利用微處理器的控制把交流變換為直流的一種方式，它的特點(diǎn)是取消了工頻變壓器，體積變小，降低了諧波電流的輸出。充電功率模塊采用的主要元器件是IGBT模塊（絕緣柵雙極型晶體管）。

PFC技術(shù)主要是功率因數(shù)的校正，現(xiàn)在直流充電功率模塊電路中，普遍把二者進(jìn)行了整合，結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，具有輸出諧波小、功率因數(shù)高等特性。

5、供配電設(shè)計(jì)

在充電站的設(shè)計(jì)中，需要注意的一個(gè)問(wèn)題，就是無(wú)功補(bǔ)償。按南網(wǎng)電動(dòng)汽車充電站典型設(shè)計(jì)方案是不配置無(wú)功補(bǔ)償?shù)?，從充電樁的技術(shù)特性分析是不應(yīng)配置無(wú)功補(bǔ)償，一是因充電樁的功率因數(shù)很高，無(wú)需設(shè)置，二是普通電容補(bǔ)償易與充電樁的諧波發(fā)生諧振，放大諧波電流，造成電容器過(guò)電流、過(guò)電壓擊穿燒壞。

還有就是在充電站變壓器的選型時(shí)，不能選用YynO型變壓器，不然3次諧波會(huì)進(jìn)入10KV電網(wǎng)。供配電的設(shè)計(jì)人員，在進(jìn)行電動(dòng)汽車充電樁的供配電設(shè)計(jì)時(shí)，選用電能質(zhì)量滿足規(guī)范要求的充電機(jī)類型，這樣在供配電設(shè)計(jì)中就不需配置專用的有源濾波裝置。

6、安科瑞諧波治理產(chǎn)品選型

6.1功能介紹

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)?dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補(bǔ)償。

ANAPF系列有源電力濾波器通過(guò)CT采集系統(tǒng)諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過(guò)功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。

6.2產(chǎn)品選型

6.3技術(shù)參數(shù)

7、總結(jié)

綜上所述，在非線性負(fù)載投入使用的比重逐步上升后，諧波已經(jīng)在充電樁配電工程中產(chǎn)生較大影響，充電樁配電工程的電能質(zhì)量及諧波治理問(wèn)題逐漸重視起來(lái)。有源電力濾波器的投入使用，便是解決諧波治理問(wèn)題的重要開端，隨著科技水平的不斷進(jìn)步，治理電網(wǎng)諧波必定會(huì)更加迅速，更加達(dá)到效果。

【參考文獻(xiàn)】

1. 梁國(guó)燦.供配電工程設(shè)計(jì)中充電樁的諧波治理[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2020

2. 王晗，洪建軍等.工廠供配電系統(tǒng)中電氣火災(zāi)研究與防范要點(diǎn)[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2018

3. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6版

4. 安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理選型手冊(cè).2019.11版

作者簡(jiǎn)介：

王曉昭，女，本科，安科瑞電氣制造有限公司，主要從事智能電網(wǎng)供配電相關(guān)的研究和應(yīng)用

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