混合型电力滤波器在充电桩建设中的应用

随着化石能源的急剧消耗和环境的持续恶化，电动汽车的发展是可以解决环境和能源问题的有效途径，因此各国开始大力发展电动汽车。虽然现阶段的电网能够承担为电动汽车充电所需的容量，但是电动汽车的充电桩在接入电网后，仍然会严重危害了电网的电能质量，比如对电网中各次谐波的含有率和总谐波的畸变率明显上升，补偿无功功率所需的无功补偿器不够，若充电站充电时刻没有良好的规划，发电厂的生产，电压偏移和电压闪变也会带来相当大的不良影响。

截至2022 年6 月底，全国新能源汽车保有量达1 001 万辆，占汽车总量的3.23% 。其中，纯电动汽车保有量为810.4 万辆，占新能源汽车总量的80.93% ，且到2022 年6 月，我国新能源汽车依然延续高速增长态势，产销分别完成59 万辆和59.6 万辆，创历史新高。上半年，新能源汽车产销累计分别完成266.1 万辆和260 万辆，同比均增长1.2 倍。充电站作为电动汽车必备的配套设施，必将进行大规模的建设，但是充电站作为一个大负荷的非线性负载，建设时必须考虑谐波的抑制问题。

1 电动汽车充电站的谐波特点

以PWM 型充电站为例，研究充电站中的谐波变化情况，如图1 所示，滤波模块左侧为标准的三相交流电，滤波模块右侧部分为1 个PWM 型整流电路，滤波模块及右侧整流模块共同组成一台充电桩，对于一个充电站来讲，有多台充电桩并联共同接入到三相电网中。

为了研究充电桩接入电网的谐波情况，在这里假设充电站所接的是标准的三相电源，A、B、C 三相电压分别用以式（1）~（3）表述：

以a 相为例，PWM 整流器的开关函数为W_a(t)：

通过傅里叶变化，可以将W_a(t)变换为：

然后通过平移可以得到b相和c相的开关表达式：

整流后直流侧的电压为：

忽略死区效应，将以上公式代入上式得PWM 整流后输出电压。

假设充电桩直流侧的直流电阻Z_d ，n次谐波阻抗为：

I_d(t)为充电桩整流后输出电流为：

式（9）中的E 为电池的反向电压，上述进行整理得

A 相电流表达式为：

I₁ 为a 相基波电流的有效值， I_n 为a 相n 次谐波的有效值。从而可以得到单台充电桩接入电网时谐波具有以下特点：

1）充电桩接入电网时，电网将含有6k ±1次谐波，谐波含量随着谐波的次数增加而减小。

2）5 次和7 次等低次谐波是影响电能质量的主要因素，但是众多谐波源的其他次谐波也将对电能质量产生较大影响。

3）谐波与基波之间的关系不是确定不变的，与电动汽车的电池电压有很大的关系，若将电池等效为非线性电阻R_x，则在充电过程中电池的等效电阻变大，充电桩直流侧的负载越轻，即ωRC 越大，谐波含量越大。

在大多文献中为了能够方便研究，将充电桩的负载部分等效为一个非线性电阻，电阻变化情况可以根据式

（12）进行处理。

式中，R_x 表示等效电阻的阻值； η 为充电效率，大小在90% 以下； U₁ 为DC/DC 功率变换器输入侧两端电压；P₁ 为高频变换器的输入功率； P₀ 为其输出功率。

电池充电过程有3 个阶段，分别是涓流充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段，涓流充电阶段充电电流很小，不做过多分析。在恒流充电阶段，电池电压上升最大，甚至可以达到额定电压的85% ，为了保护电池的使用寿命及安全方面着想，随着电池电压的上升，充电桩的输出电压也上升，当充电桩的输出电压达到最大时，输出电压保持不变，进入第3 个充电阶段，即恒压充电阶段，在恒压充电阶段，电动汽车的电池电压持续上升，但是充电桩的输出电压不再变化，那么充电电流就会减小，充电桩的输出功率降低，电池充电电流由最大值变为最大电流的设定值。

根据充电桩充3 个充电过程和充电站充电桩数量及每台充电站工况的不确定性，从而将导致充电站谐波的巨大不确定性。

2 混合型电力滤波器的设计

对于任何一个电动汽车充电站来讲，充电桩的数量都是比较多的，特别是一个大型充电站，充电桩数量可能达到上百台，若所有充电桩都工作在恒流充电阶段，将是一个巨大的负载。充电站建设时所需的有源滤波器容量是一个非常大的数字，所耗费的资金也是一个庞大的数字，并且不利于后期的维护，因此仅仅使用有源电力滤波器不满足电动汽车充电站的谐波抑制。LC 滤波器具有成本低廉和高效率的优势，但是电力系统的各方面的变换都会引起补偿效果，对于充电桩一直处于变换的谐波不能达到好的补偿效果。

有源滤波器分为串联型有源滤波器和并联型有源电力滤波器，单独使用串联型有源滤波器与单独使用的并联型有源电力滤波器是对偶关系，他们的一些特点正好相互对应的：

由表1 所示，由于电动汽车充电桩属于阻感负载的整流电路，因此本文使用并联型有源滤波器对充电桩的谐波进行抑制。

有源滤波器主要由主电路，驱动电路，控制电路和指令电路共同作用。其中控制电路，驱动电路的作用是将PWM 信号处理成IGBT 能够使用的信号，主电路主要由IGBT 构成，根据驱动电路产生的开关信号来产生所需的补偿电流，指令电路的作用是提取三相电网中需补偿的电流信号。在工作工程中，主电路处于逆变状态。

2.1 有源滤波器的设计

2.1.1 指令电流运算电路的设计

指令电流运算电路是有源滤波器的基础，主要为电力滤波器求所需要补偿的谐波分量。指令电路是采取基于瞬时无功功率的方法对谐波电流进行提取，在提取过程中，首先检测出电路中的电流信号的基波分量，然后总电流信号减去基波分量得到谐波分量。由于其适用范围广，被广泛应用于谐波检测。

2.1.2 电流跟踪控制电路的设计

电流追踪的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流信号和实际补偿电流之间的关系，最终得到补偿电流发生电路所需要的各器件开关的PWM信号。在这里我采用瞬时值比较的方式。

2.1.3 主电路的设计

研究表明，目前阶段使用电压型有源电力滤波器的所占的比例为93.5% ，电流型有源滤波器所占的比例为6.5。目前主流的有源电力有源滤波器为电压型。

2.1.4 主电路容量的设计

有源电力滤波器存在的目的是为了查漏补缺，LC 滤波器将充电站所产生中的主要谐波抑制掉，但是还有一些含量较少的谐波需要使用有源滤波器进行抑制，针对电动汽车充电桩，有源滤波器的容量不需要过大，可以使用以下式（13）进行计算：

2.2 有源滤波器的设计要注意两个问题：

1）有源滤波器的补偿容量与补偿电流有关，在电动汽车充电桩中，要根据LC 滤波器滤除后剩下部分的电流。

2）主电路的耐压水平和电网中相电压的峰值有关，由式（13）可以求出，避免不必要的浪费。

为有效与有源滤波器配合，降低充电站的滤波成本，需要设计无源滤波器与有源滤波器配合使用，无源滤波器主要抑制充电站特定次谐波，现在需要对无源滤波器的参数进行设定。一般情况下电动汽车充电站向电网注入的主要谐波是5 次、7 次谐波。因此本文使用两个单调谐滤波器加上1 个高通滤波器并联接入电网中。单调谐滤波器的n 次谐波阻抗为：

电容的安装容量直接影响滤波器的造价，一般情况要在条件运行的情况下设置最小的电容安装容量，最小安装容量可以使用式（15）进行计算。

电感的参数值为

根据以上的求法求出单调谐滤波器电感和电容参数：

通过以上的论述，根据充电站的谐波特点，在这里设计了以下电路（见图2）。

如图2 所示为三相混合型电力滤波器的原理图，谐波源为充电站中的充电桩，无源滤波器分别是3 次、5次及高通滤波器，经过耦合变压器与源滤波器串联，耦合变压器的主要作用是用于隔离。

3 基于simulink仿真平台的混合型电力滤波器仿真

根据上述内容，接下来对混合型电力滤波器在充电站方面的谐波抑制效果进行验证，验证方法是基于MATLAB 平台上面搭建充电桩的模型，以A 相电流为例，验证谐波抑制效果。

单台充电桩谐波谐波抑制效果如图3 所示，基于混合型电力滤波器能够有限的抑制电动汽车充电站向电网注入的谐波。在0.1 s 时由于基波与谐波的分离，得到了相对完整的谐波指令信号，所以此后的波形接近正弦波形。分别对0.4 s 和0.16 s 时刻的波形进行傅里叶变化，比较各次谐波的变化情况，加入了混合型有源滤波器之后谐波的总畸变率由原来的24.67% 变为3.67% 。

图3 滤波前后的波形

4 结束语

PWM 型充电桩是未来发展的主要方向，因此本文以PWM 型为例建设充电站，首先根据实际工作情况，说明了一台充电桩在充电过程中所产生的谐波是一个变化的量，一个充电站一般具备多台充电桩，且各个充电桩的工况是不一样的，从而导致所产生谐波的复杂性，使用LC滤波器无法解决充电站的谐波问题，而仅使用有源滤波器的成本较高，针对这种情况，我设计了混合型电力滤波器，这种滤波器能够在降低成本的前提下对电动汽车充电站的谐波进行抑制，并通过仿真验证，该方法是有效的。

参考文献：

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年4月期）