淺談供配電工程設計中充電樁的諧波治理

安科瑞 劉秋霞

摘要：在供配電工程的設計中，近年來電動汽車充電樁的供配電設計數(shù)量在不斷增加，業(yè)內(nèi)對充電樁的認知存在不同的理解，有專家學者研究表明充電樁工作時會產(chǎn)生諧波電流，對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響很大，需設置專用的濾波裝置，對諧波進行治理。由于濾波裝置工程造價高，占工程總體投資的比重大，在工程設計中需按照符合規(guī)范、安全可靠、經(jīng)濟適用的原則進行設計。現(xiàn)對充電樁、諧波的相關知識、工程實際進行討論、學習、進步，總結出較為合理的治理方式，建議中小規(guī)模充電樁的建設中不設置專用的濾波裝置。

關鍵詞：充電樁；供配電設計；電能質(zhì)量；諧波治理

1、引言

電動汽車充電樁的供配電設計數(shù)量在不斷地增加，充電樁工作時會產(chǎn)生諧波，需要治理的聲音也不時發(fā)出，充電樁配電工程中是否需要設置專用的濾波裝置是每個設計人員要面對的選擇，成為設計方案中關注的部分，同時這也關系到總體工程的投資成本，不得不引起重視，既要符合充電樁設計規(guī)范，又要安全可靠、經(jīng)濟合理。為更好地完成充電樁配電工程的設計工作，在深入研究設計規(guī)范的同時，還需對充電樁、諧波有進一步的認知。

隨著我國經(jīng)濟社會和科學技術的不斷發(fā)展，新時期人們對于高品質(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，當前廣播電視臺發(fā)展過程中，由于相關的設備規(guī)模和數(shù)量不斷增加，電視臺工程的電力負荷也在逐漸增加，這進一步對無功補償?shù)募夹g提出了新的挑戰(zhàn)，諧波對于廣播電視臺也產(chǎn)生了嚴重威脅，在這方面，要不斷實施諧波和無功補償措施，從而使整個廣播電視臺的相關電力系統(tǒng)穩(wěn)定有序。

2、諧波

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

本文所說的諧波，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

非線性負載是諧波的起因，在業(yè)內(nèi)是沒有爭議的。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）。關系的諧波才是我們要關注的。由于非線負載的不同，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，特殊設備會產(chǎn)生更高的諧波如23次。非線負載不單生成奇次諧波，同時也有偶次諧波的產(chǎn)生，但由于電網(wǎng)三相對稱系統(tǒng)，不會含有偶次諧波和3的整倍數(shù)諧波，對電網(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

通過圖2所示就可以看出，Dyn11型變壓器進線繞組以三角形聯(lián)結方式具有隔絕3次諧波電流的功能，這里在變壓器低壓側其實是存在偶次諧波的，如2、4、6、8次等諧波，因變壓器及電網(wǎng)的三相對稱性，偶次諧波不會傳到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。

分析了一些諧波的基本知識后，再來簡略看一下諧波的危害：會引起變壓器的溫度升高、銅損、噪聲等級變大；當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，易造成電容器過電流、過電壓擊穿燒壞；引起電動機的發(fā)熱；各級保護斷路器的誤動作；對通信系統(tǒng)的干擾；增加輸電線路的線路損耗；造成低壓系統(tǒng)中性線的過流過熱。

3、充電樁

充電樁：能對電動汽車的車載電池進行充電的裝置，主要分為直流型和交流型。交流充電樁只是為電動汽車直流充電機提供交流輸入接口，并計費計量，本體沒有整流設備，不產(chǎn)生諧波，從而未設置濾波模塊；但不排除由于車載直流充電機傳播3次諧波及偶次諧波的可能，在供配電交流樁的設計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，其特點是無工頻變壓器，功率因數(shù)高，電網(wǎng)側電流諧波較小，注入電網(wǎng)的諧波的總畸變率可以小于5%，是對電動汽車充電站進行供配電設計選型時需注意的。相對而言，電壓型的ＰＷＭ整流器比電流型PWM整流器配置要簡單，對電網(wǎng)的諧波電流更小。

4、PWM整流技術、PFC功率因數(shù)校正技術

圖3 PWM整流器（電壓源型）拓撲結構圖

PWM整流技術是采用脈寬調(diào)制的控制技術（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，普遍把二者進行了整合，結合各自的優(yōu)點，具有輸出諧波小、功率因數(shù)高等特性。

5、供配電設計

在充電站的設計中，需要注意的一個問題，就是無功補償。按南網(wǎng)電動汽車充電站典型設計方案是不配置無功補償?shù)?，從充電樁的技術特性分析是不應配置無功補償，一是因充電樁的功率因數(shù)很高，無需設置，二是普通電容補償易與充電樁的諧波發(fā)生諧振，放大諧波電流，造成電容器過電流、過電壓擊穿燒壞。

還有就是在充電站變壓器的選型時，不能選用YynO型變壓器，不然3次諧波會進入10KV電網(wǎng)。供配電的設計人員，在進行電動汽車充電樁的供配電設計時，選用電能質(zhì)量滿足規(guī)范要求的充電機類型，這樣在供配電設計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)在含諧波負載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠對動態(tài)變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償。

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

6.2產(chǎn)品選型

6.3技術參數(shù)

7、總結

綜上所述，在非線性負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)量及諧波治理問題逐漸重視起來。有源電力濾波器的投入使用，便是解決諧波治理問題的重要開端，隨著科技水平的不斷進步，治理電網(wǎng)諧波必定會更加迅速，更加達到效果。

【參考文獻】

1. 梁國燦.供配電工程設計中充電樁的諧波治理[J].電氣技術與經(jīng)濟,2020

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

3. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6版

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