（CS47 西安爱科赛博电气股份有限公司）

1.概述

发展电动汽车是提高汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济的重要途径。未来五年将是电动汽车研发与产业化的战略机遇期。根据《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，国家科技计划将加大力度，持续支持电动汽车科技创新，把科技创新引领与战略性新兴产业培育相结合，组织实施电动汽车科技发展专项规划。

新能源汽车充换电设施是新能源汽车发展的基础条件，国家电网规划“十二五”期间充换电设施投资将超600亿，市场空间巨大。此次新能源汽车规划确定以纯电动汽车为主要战略方向，未来新能源汽车将采用全充电形式，换电为主，充电为辅。因此新能源汽车充换电站是新能源汽车发展的基础条件。

充换电站中存在的谐波，主要由大量的充电机产生。谐波电流对充换电站的影响主要是两个方面。

一方面是供电系统中的谐波，会引发设备的损坏，增加维修成本；损害设备寿命特别是电容设备的寿命；影响电力监控设备及计算机等精密电子设备的使用。

另一方面，充换电站行业属于绿色、环保行业。由于电动汽车的使用，可以减少温室气体的排放、改善社会环境等。充换电站处于国家绿色、环保行业的前沿，拥有国家政策和资金上的大力支持。但是，供电系统中存在的谐波，不但会影响充换电站自身的用电质量，同时不经治理的谐波灌入上级电网，会对整个区域供电质量产生影响。也就是说，不经治理的充换电站就相当于一个电网的严重污染源。所以，从社会效益的角度来讲，充换电站的谐波治理是必须的。

2.充换电站电能质量分析

电动汽车充电机工作原理主要有不控整流+斩波器、不控整流+DC/DC变换器（有高频变压器）、PWM整流+DC/DC变换器（有高频变压器）三种。

1）第1类充电机由工频变压器、不控整流和斩波器组成，特点是直流侧电压纹波小、动态性能好、工频隔离、体积大、电网侧电流谐波大和变换效率低。

第1类充电机属于早期产品，对电网注入的谐波电流大，5次谐波电流含有率为60％～69％；7次为40％～49％，11、13次为10％～13％，电流总畸变率达86.2％，电压电流特征波形如图1所示。此类充电机谐波电流过大，不适于接入公用电网。

2）第2类充电机是由工频变压器、三相不控整流和高频变压器隔离DC/DC变换器组成，结构框图如图2所示，由三相桥式不可控整流电路对三相交流电进行整流，滤波后为高频DC/DC功率变换电路提供直流输入，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为动力蓄电池充电。

图1 第1类充电机电流电压波形

特点是直流侧电压纹波小、动态性能好、高频隔离、体积小、电网侧电流谐波大（30％左右）和变换效率低。第2类充电机电流波形比第1类已有较大改善，图3为电压电流波形，谐波电流总畸变率达26.5％，奇次谐波电流较大，特别是5、7、11、13次谐波远大于GB/Z 17625.6—2003规定的接入条件。目前第2类充电机占主流市场。

3）第3类充电机由三相PWM整流和高频变压器隔离DC/DC变换器组成，结构框图如图4所示，整流侧采用PWM技术，增加了充电机成本，但优势体现在功率因数高；电网侧电流谐波较小，注入电网的电流总畸变率可以小于5％，由于采用高频隔离相应各次谐波电流也小，该装置体积小、输出纹波低、动态性能好、变换效率高。采用第3类充电机不需要加装谐波治理装置。目前第3类充电机市场应用还较少。

图2 第2类充电机结构框图

图3 第2类充电机电流电压波形

3.谐波解决方案

以占主流的第2类充电机为例，谐波电流总畸变率达26.5％，并且随着充电过程各个阶段，谐波电流变化幅度大，且变化速度快。(www.daowen.com)

有源电力滤波器并联于充电机接入配电系统，检测充电机所产生的谐波电流，实时发出与充电机大小相等而相位相反的谐波电流，谐波电流相互抵消，从而达到治理谐波电流的目的（见图5）。其极快的相应速度（＜20ms）完全可相应充电机的变化速度。

4.实际应用案例介绍

北京公共交通控股（集团）有限公司电车客运分公司，新建奥运会电动汽车充换电站，新装电力设备容量2903kW（充电机、电梯、水泵等），电光设备100kW（空调、照明等），总用容量3003kVA。主要谐波设备为充电机，每台9kW，共210台，两路平均分配。充电机是将交流电变为直流电，其谐波特征为6脉波，由于存在整流部分（二极管整流），充电机将向电网注入谐波电流，给系统带来严重的谐波污染和安全隐患。

图4 第3类充电机结构框图

图5 有源电力滤波器原理说明图

图6 治理前后对比

a）补偿前电波波形 b）补偿后电流波形 c）治理前电流频谱 d）治理后电流频谱

治理效果如图6所示，现场设备如图7所示。

图7 现场设备

有源电滤波器安装运行后，电流波形明显改善，可称完美正弦波形，谐波电流总畸变率由22.9％降低至3.5％，各次谐波电流均大幅度减少，谐波电流治理效果明显。

电流谐波治理后，远远小于国标允许值，电压谐波得到很大程度的降低，有效地保护了变压器、配电柜，以及设备的使用安全，并延长了设备的寿命。

提高了充电设备用电效率，也保护了充电过程中电池的安全。

大幅度减小谐波电流进入电网，避免了对邻近的通信系统产生干扰。

减少谐波在电缆、电容器、变压器中的发热，延长使用寿命。使公用电网中的设备产生附加的功率损耗降低。

5.结束语

随着国家电网规划“十二五”充换电站工作的开展，充换电站数量将日益增多，对于整个电网而言，充换电站产生的谐波如不经治理将直接注入上级电网，对电网造成的危害将会特别大。同时充换电站成立的目的就是为了减少温室气体的排放，改善社会环境，有利于环保。所以无论是为了改善充换电站本身的用电质量，还是为了社会影响方面，充换电站的谐波电流治理都是必须的。对于充换电站的谐波治理，有源电力滤波器无疑使治理效果最好的，是目前性价比最高的成熟产品。

（作者：西安爱科赛博电气股份有限公司 高鹏、孙磊）