安科瑞 劉秋霞
摘要：在供配電工程的設(shè)計(jì)中，近年來電動(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)。現(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(fù)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(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。
分析了一些諧波的基本知識(shí)后，再來簡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，易造成電容器過電流、過電壓擊穿燒壞；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)中性線的過流過熱。
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)問題，就是無功補(bǔ)償。按南網(wǎng)電動(dòng)汽車充電站典型設(shè)計(jì)方案是不配置無功補(bǔ)償?shù)模瑥某潆姌兜募夹g(shù)特性分析是不應(yīng)配置無功補(bǔ)償，一是因充電樁的功率因數(shù)很高，無需設(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，造成電容器過電流、過電壓擊穿燒壞。
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
立柜式 | 型號(hào) | 補(bǔ)償電流 | 柜體尺寸 W*D*H(mm) | 進(jìn)出線方式 | |
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| ANAPF□-380/□G□ | 50~600A | 800*1000*2200 （其他尺寸可定制） | 穿銅排 下進(jìn)下出 （其他方式可定制） |
壁掛式 | 型號(hào) | 補(bǔ)償電流 | 柜體尺寸 W*D*H(mm) | 進(jìn)出線方式 | |
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| ANAPF□-380/□B□ | 30A | 480*130*440 | 上進(jìn)上出 |
50A | 480*200*530 | ||||
75A | 450*201*622 | ||||
100A | 450*201*622 | ||||
抽屜式 | 型號(hào) | 補(bǔ)償電流 | 柜體尺寸 W*D*H(mm) | 進(jìn)出線方式 | |
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| ANAPF□-380/□C□ | 30A | 480*440*130 | 后進(jìn)后出 |
50A | 480*530*200 | ||||
75A | 460*622*201 | ||||
100A | 460*622*201 | ||||
6.3技術(shù)參數(shù)
接線方式 | 三相三線或三相四線 |
接入電壓 | 380V±15% |
接入頻率 | 50Hz±2% |
響應(yīng)時(shí)間 | **響應(yīng)時(shí)間≤5ms，瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間≤100μs |
開關(guān)頻率 | 20kHz |
功能設(shè)置 | 只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無功 |
諧波補(bǔ)償次數(shù) | 2-51次（全部補(bǔ)償或*定次數(shù)補(bǔ)償） |
損耗 | ≤2.5% |
效率 | ≥97.5% |
總諧波補(bǔ)償率 | ≥95% |
保護(hù)類型 | 直流過壓保護(hù)、IGBT過流保護(hù)、裝置過溫保護(hù)、輸出限幅保護(hù)等 |
冷卻方式 | 強(qiáng)制風(fēng)冷 |
噪音 | ≤65dB |
工作環(huán)境溫度 | -10℃～+45℃（環(huán)境溫度超過工作溫度范圍降容使用） |
工作環(huán)境濕度 | ＜85%RH不凝結(jié) |
安裝場合 | 室內(nèi)安裝 |
海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） |
防護(hù)等級(jí) | IP20 |
智能通信接口 | 外加模塊 |
遠(yuǎn)程監(jiān)控 | 可選 |
安裝方式 | 立柜式、壁掛式、抽屜式 |
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(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)】
梁國燦.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
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
安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6版
安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理選型手冊(cè).2019.11版
