蒋鹏为 杨俊烨 林怀德

（广东电网有限责任公司佛山供电局）

0 引言

当下，新能源汽车发展迅速，然而新能源汽车的充电势必对配电网产生影响，特别是谐波方面不容忽视。研制充电桩谐波治理装置，就是要未雨绸缪，在电动汽车大规模影响配电网络前，对这类新出现的负荷进行有效研究，杜绝其对配网线路和设备产生不良影响，保证新能源汽车的绿色环保优势和配电网的安全。

1 概述

目前充电桩主要有直流和交流两种形式，两种充电桩在充电过程中都会产生谐波电压和谐波电流，进而对配电网的电能输送质量产生影响，极端的甚至会造成配电设备跳闸和烧坏。

直流桩一般功率较大，常见的为100kW 左右，一般设计在专用的电动车充电场地，常见的有高速公路服务器、城市电动公交车站场、收费充电停车场等，直流桩的体积一般较大，占地较多，相应的设计也较为完善，自身可以处理充电时产生的谐波，一般来说对电网不会产生较大的危害；而交流充电桩一般采用单相供电，功率为7kW 左右，其充电原理是采用车载充电机将交流电整流成直流，进而给车载电池充电，因为交流充电桩体积小，占地少，一般小区的停车场内采用的都是交流充电桩，我们研发的装置，主要针对的就是城市小区内的交流充电桩。

2 理论分析

谐波对电网的运行存在一定的危害，由于充电桩所带负荷一般为非线性负荷，所以在充电过程中，整流器将会产生一定的高次谐波，通过零线，注入电网；影响电网的电压质量，进而产生一些不好的影响，比如增加输电线路电能损耗、降低功率因数、降低配电无功补偿设备寿命、降低继电保护的可靠性、干扰控制系统稳定工作等。

实际中交流充电桩对应的车载常用的三相桥式整流型电路的理想等效模型如图1 所示，利用傅里叶谐波分析理论对该模型产生的谐波进行理论分析，得出谐波的规律为：充电整流电路是半波对称的，所以无偶次谐波，主要为奇次谐波，仅含6k±1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、13、17、19 次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

图1 三相桥式整流型电路的理想等效模型

根据《电能质量 公用电网谐波》（GB/T14549—1993）等国家标准要求，公共连接点注入的谐波电流分量允许值如表1 所示。

表1 谐波电流分量允许值

当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，上表中的谐波电流允许值按以下公式进行换算。

考核点的最小短路容量Sk1不同于假定基准最小短路容量Sk2时，应按照国标附录B 进行换算，换算公式如下：

式中，Sk1为实际公共连接点的最小短路容量，MVA；Sk2为基准短路容量，MVA；Ihp为国标表6-2中的第h次谐波电流允许值，A；Ih为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，A。

经过实际验证发现充电桩谐波问题真实存在，有改良和治理的必要，为此，提出进行一种充电桩谐波治理装置的研制。

3 典型场景

为配合充电桩谐波治理装置的研制，选取广东某区供电局下辖城镇住宅小区（某光小区A 和某城小区B）内的公用配电网进行研究。

根据配电系统提供的数据和用电客户反馈，这两个小区曾经在夜晚10～11 点左右发生配电开关跳闸事件，并导致小区部分区域停电，居民意见比较大。

翻查后台系统发现，在发生跳闸事件的当天，小区内的负荷较为正常，并未出现过负荷的现象，因此也就不存在长时间过负荷引起开关设备触发长延时电流保护跳闸，同时，变压器的三相负载也是较为均衡的，不存在中性线电流过大的问题，从而引发中性点保护跳闸的问题。接着又通过摇绝缘试验和外观检查排除了配电设备本身的质量问题。

继续排查系统后，发现在某光小区A 里，在近期新增了一部分充电桩专用电表，这些电表有些为单相，报装容量7kW；有些为三相交流快充充电桩，使用的是三相电表，报装容量为15kW。经过统计，在A 小区里，发生开关跳闸事件的台区下，一共有11户报装了充电桩专用电表，总的报装容量为125kW。因为充电桩专用电表可以享受峰谷电价，因此，大多数充电桩的用户都是在电压低谷，也就是晚上10 点以后开启电动车充电的，与发生开关跳闸存在时间上的关联。

因此重点怀疑是充电桩用户使用的同期率较高，在差不多同一时间开启非线性负荷的充电工作，会引起谐波电流耦合振荡，在配电网的零线上造成较多的谐波电流通过，从而引发开关设备的中性线电流保护跳闸。

选取晚上8 点半至第二天的凌晨4 点左右，测试地点为各交流充电桩接入的公用配电站内，低压母线A、B、C 相线上的电流值。采用的测试设备为日置（HIOKI）3198 电能质量分析仪。A 小区电流谐波的测试结果如表2 所示。

表2 A 小区电流谐波的测试结果

结果显示，在被测小区中，谐波电流主要存在于3、5 次中，其中5 次谐波量最大，超过5.75A 的标准电流限值。证实了小区内开关设备跳闸是因为存在较大的谐波电流。其中由非线性负荷引起的谐波电流中，5 次谐波的含量最大，也是重点治理的方向。

在B 小区中，从系统中导出的数据显示，一共有15 户报装了充电桩专用电表，总的报装容量为185kW，情况较为类似，配网零线中也存在同样的情况，这就消除了不同品牌设备对测量结果的影响。

4 装置设计

根据交流充电桩的不同，本次研制的装置分为两种，一种为单相交流充电桩的谐波治理装置，另外一种为三相交流充电桩的谐波治理装置，分别适用于不同类型的充电桩。

（1）硬件线路

单相交流充电桩谐波治理装置的硬件线路图如图2 所示，D1为电源侧方向，为公用电房出来的火线和零线，非线性负载代表正在工作的交流充电桩，其在充电时并不是恒定负载，会不定时地释放谐波电流，所以简化成一个非线性负载。

图2 单相交流充电桩谐波治理装置电路图

虚线框内为所设计的谐波治理装置，其一端和火线相连，另外一端和零线相连，在电路上和非线性负荷构成并联的关系。装置内部有三条并行的线路，分别由L，C和R构成一个基本的谐振电路，每条谐振支路都可以由控制器单独开启，在加入控制器后，谐波治理装置的运行比较智能，可以根据非线性负载的工况实时变化，并且在实际运行中，如果L、C或R元件存在故障，在控制器的帮助下，也可以很快检测出基础元器件的故障，从而快速切除，避免发生短路故障。

三相交流充电桩治理装置的工作方式类似，其内部含有过滤不同频率谐波的元件，分别由不同的控制器控制，该装置整体接入三相交流电源，具体安装位置为三相电流表的表前，装置的控制器可以根据三相非线性负载开启不同频率的滤波元件，减小甚至消除三相不平衡负荷产生的谐波，保证配电网电能质量，如图3 所示。

图3 三相交流充电桩谐波治理装置电路图

对于治理装置的控制器，采用功能齐全的FPGA开发板进行研发，其内置多种逻辑控制芯片，是承载治理控制逻辑的良好载体。

选用国产FPGA 开发板进行研发，其接口较多，并且容易开发，在此开发板上，可以通过加装RS485模块，实现与充电桩专用智能电表的通讯功能，通过智能电表的CT，可以检测出电表后的非线性负荷什么时候开始工作，来决定何时开启控制器及谐波治理装置。

（2）控制器控制流程

控制器的软件控制流程如图4 所示。

图4 软件流程图

治理装置的两端分别接入单相电源的火线和零线，治理装置的控制器可以和处于装置后段的智能电表进行通信，通过电表的CT 检测负载是否开启，当单相交流充电桩开始工作的时候，电表CT 中有电流通过，控制器启动；而即非线性负载开始产生谐波的时候，控制器开始接通内部的部分滤波元件开始滤波，当滤波器检测到还有更高频次的谐波通过零线时，控制器会开启更多的滤波器件，降低谐波含量。

（3）装置应达到的技术参数

装置的绝缘电阻：参考《低压有源电力滤波器技术规范》（DL/T 1796—2017）中对绝缘电阻的规定：装置中带电回路之间、带电回路与裸露导电部件以及带电回路与地之间的绝缘，应采用相应绝缘电压等级（至少 500V） 的绝缘测量仪器测量。测得的绝缘电阻按标称电压应至少为50MΩ。

装置的损耗：参考《低压有源电力滤波器技术规范》（DL/T 1796—2017）对设备损耗的规定：装置在额定电压下按基波无功模式运行，当输出额定电流时，其有功功率损耗应不大于装置额定视在功率的3%。对于所设计的单相谐波治理装置而言，其额定功率为7kW，即其有功损耗不大于210W；对于三相谐波治理装置来说，其额定功率为15kW，即其有功损耗不大于450W。

5 安装使用

经过现场检查，A 小区内11 户充电桩一共有10户的电表表前可以安装谐波治理装置，B 小区一共有13 户电表表前有空间和位置，条件允许，也安装了谐波治理装置。

在安装后，也对装置的安装效果进行了检查和试验，发现装置在后段电表不工作时，电阻大于2500MΩ，工作正常，而在后段非线性负荷开启后，装置也开始正常工作，功耗仅为50W，达到了设计要求。

6 效果比较

（1）技术效益比对

在充电专用电表表前安装谐波治理装置后，对设备的效果开展了效果检验。同样的，测试时间为晚上8 点半至第二天的凌晨4 点左右，测试地点为各交流充电桩接入的公用配电站内，低压母线A、B、C相线上的电流值。采用的测试设备为日置（HIOKI）3198 电能质量分析仪。A 小区电流谐波的测试结果如表3 所示。

表3 A 小区电流谐波的测试结果

对比以后发现，谐波治理装置对充电桩产生的谐波有比较明显的治理作用，明显降低了配网线路中电流的谐波畸变率，并提高了该配网台区的功率因数。

（2）社会效益比对

一般来说，充电桩安装集中的小区都是服务意识较高的居民用户，其对停电事件异常敏感。之前，由于停电的原因尚未摸清，每次跳闸复电的时间都在1h 左右，每月都会发生3 起上下，如果所有具备条件安装充电桩的小区，同步安装了充电桩谐波治理装置，可大大降低停电事件的发生次数，节约抢修费用、抢修人员的同时，可大大提高供电可靠性，降低停电时户数，为保障县区供电局作为先锋模范打造的国内供电可靠性一流供电企业做出贡献。

7 结束语

本文通过研发一种充电桩谐波治理装置，成功将试点小区内的配网谐波进行了有效治理，具有良好的技术、经济应用前景。而对充电桩谐波的有效治理，有利于提高整套充电系统的效率，减少系统的损耗，保证电能计量的准确性和充电桩通信系统的稳定性，同时也使得电动汽车充电装置能更好地满足智能电网的要求，从而促进电动汽车产业的发展。