浅谈供配电工程设计中充电桩的谐波治理

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，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

1、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。

随着我国经济社会和科学技术的不断发展，新时期人们对于高品质生活的追求也在逐渐提高，特别是在文化追求方面，人们的需求日益多样，当前广播电视台发展过程中，由于相关的设备规模和数量不断增加，电视台工程的电力负荷也在逐渐增加，这进一步对无功补偿的技术提出了新的挑战，谐波对于广播电视台也产生了严重威胁，在这方面，要不断实施谐波和无功补偿措施，从而使整个广播电视台的相关电力系统稳定有序。

2、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。

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）。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，越高次的谐波，衰减得越快，出现得越少，而且谐波电流越小。

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，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。

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、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。

3、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，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。

4、PWM整流技术、PFC功率因数校正技术

图3 PWM整流器（电压源型）拓扑结构图

PWM整流技术是采用脉宽调制的控制技术（如图3），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。

5、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YynO型变压器，不然3次谐波会进入10KV电网。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。

6、安科瑞谐波治理产品选型

6.1功能介绍

ANAPF系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。

ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

6.2产品选型

6.3技术参数

7、总结

综上所述，在非线性负载投入使用的比重逐步上升后，谐波已经在充电桩配电工程中产生较大影响，充电桩配电工程的电能质量及谐波治理问题逐渐重视起来。有源电力滤波器的投入使用，便是解决谐波治理问题的重要开端，随着科技水平的不断进步，治理电网谐波必定会更加迅速，更加达到效果。