電動汽車雙向逆變充放電模式下的諧波測試分析

1、電動汽車雙向逆變充放電形式下的諧波測試分析 引言 當(dāng)前，電動汽車的開展已受到全球的普遍關(guān)注，在我國尤其得到重視，已推出新能源汽車的詳細(xì)開展規(guī)劃和扶持政策。要做好電動汽車的普及，首先要解決好充電的問題。 電動汽車常用的充電方式有兩種:一種是采用車載充電器，可直接接入AC220 V市電進展充電，使用便捷，但由于充電功率小、時問過長，小能完全滿足日常使用需要。另一種是建專業(yè)充電站，實現(xiàn)直流大功率快速充電，但是投資宏大且回收本錢周期長，很難進展商業(yè)推廣。 目前，由于充電設(shè)施的嚴(yán)重小足，電動汽車充電難的問題隨之而來，這將嚴(yán)重制約電動汽車的推廣。 1雙向逆變充放電技術(shù)介紹 為了擺脫了電動汽車普及對充電站的

2、依賴，比亞迪推出了新能源技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)成果:雙向逆變充放電技術(shù)。 這項技術(shù)綜合了交流充電便捷以及直流充電功率大的優(yōu)勢，集直流充電站、車載充電器和驅(qū)動電機控制器的功能于一體，實現(xiàn)了將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對動力電池充電，電動汽車依賴專業(yè)充電站的問題得到很好的解決，同時充電設(shè)施投資幾乎為零;而且充電標(biāo)準(zhǔn)簡化，適用全球各地電工標(biāo)準(zhǔn)。 整流/逆變模塊的核心部件是絕緣柵雙板型晶體管(TGBT)，通過橋式整流可實現(xiàn)AC轉(zhuǎn)化為DCDC電壓的大小，可由改變PW M(脈沖寬度調(diào)制)的占空比進展調(diào)節(jié)。再結(jié)合與升/降壓電路的匹配，可調(diào)節(jié)到適宜的電壓對動力電池進展充電。同時，當(dāng)施加到動力電池兩端的直流電壓低于電池電

3、壓時，動力電池將處于放電狀態(tài)，由橋式整流電路的可逆原理，整流/逆變模塊即工作于逆變形式，實現(xiàn)對電網(wǎng)的回饋。 因此，基于雙向逆變充放電技術(shù)，電動汽車小僅能實現(xiàn)交流充電，還能將動力電池的直流電反向逆變?yōu)榻涣麟姡騿蜗?三相電網(wǎng)并網(wǎng)供電，實現(xiàn)削峰填谷，或?qū)囃庥秒娖骱推渌妱悠嚬╇?。那么，電動汽車將不再僅僅是一臺駕乘工具，更是一臺小型的挪動發(fā)電站或救援工具。 2電動汽車諧波電流的測試標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)要求 雙向逆變充放電技術(shù)的應(yīng)用，使電動汽車可以直接接入電網(wǎng)，成為一臺用電設(shè)備。根據(jù)法規(guī)對直接接入電網(wǎng)的用電設(shè)備的要求，均需要進展諧波電流測試，以考核其對接入電網(wǎng)的其他用電設(shè)備的諧波干擾。此外，由于整流和逆變技

4、術(shù)的應(yīng)用，也使得在電動汽車雙向逆變控制器的研發(fā)過程中，諧波抑制是必須解決的一大課題。 那么，對于電動汽車接入電網(wǎng)的兩種典型形式:充電和放電，其諧波電流發(fā)射程度是否存在差異?從以上所述的原理來分析，充電形式和放電形式的切換，主要在于PW M電路占空比的調(diào)節(jié)。由傅里葉變換原理可知，即使調(diào)制頻率一樣，小同的占空比，其對諧波成分是有很大影響的。因此，兩種形式的諧波電流均需要考核。 2.1諧波電流測試的標(biāo)準(zhǔn)要求 為了對接入電網(wǎng)的用電設(shè)備的諧波發(fā)射程度進展考核，國內(nèi)外發(fā)布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。如國際電工委員會制定了一系列諧波電流的根底測試標(biāo)準(zhǔn)，主要有IEC 61000-3-2?電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備

5、每相輸入電流毛16A)?、IE C 61000-3-4?電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流16A)?和IE C 61000-3-12?電磁兼容限值每相輸入電流大于16A且小大于75 A的連接到低壓供電系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射限值?，相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB 17625.1?電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流毛16A)?和GB/7. 17625.6?電磁兼容限值對額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制?。 基于以上根底標(biāo)準(zhǔn)，針對電動汽車充電系統(tǒng)諧波電流限制的要求，國際國內(nèi)相繼發(fā)布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，分別從充電系統(tǒng)及整車的層面，對此進展定義，如IEC

6、 61851, ECE R 10, GB18487等，作為測試和評價電動汽車在接入電網(wǎng)的使用過程中對電網(wǎng)注入諧波的限制。針對電動汽車整車的諧波電流的考核，目前主要的根據(jù)是ECE R 10.040。 2.2 E C E R 10.04對電動汽車充電形式的諧波電流測試要求 2022年10月，歐盟經(jīng)濟委員會發(fā)布了最新的ECER 10.04法規(guī)，與2022年發(fā)布的03版相比，增加了6項充電系統(tǒng)試驗和2項充電形式下車輛發(fā)射和抗擾試驗，足見對電動汽車充電形式EM C性能的重視。 ECE R 10.04新增的附件11，提出了車輛充電形式下通過AC電源線向電網(wǎng)注入諧波電流的限制，詳細(xì)要求為: a)用以測試車輛

7、充電過程中，通過AC電源線注入到電網(wǎng)中的諧波，以確保與居住環(huán)境、商業(yè)環(huán)境及輕工業(yè)環(huán)境相合適; b)試驗方法參考標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-12，分為單相充電、三相充電; c)斷定方法參考標(biāo)準(zhǔn)為IE C61000-3-2、IEC 61000-3-12，分為平衡三相設(shè)備、非平衡三相設(shè)備和特殊條件平衡設(shè)備。 在詳細(xì)測試方法中明確: a)車輛需在額定功率下充電，充電電流至少到達80%的額定電流; b)測試觀察周期需按照IE C 61000-3-2定義的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的設(shè)備類型; c)諧波次數(shù)需測到40次，單相充電的限值按照A類和非平衡三相設(shè)備，三相充電的限值按照平衡三相設(shè)備。 可

8、以看出，ECE R 10.04對電動汽車充電形式的諧波測試進展了明確要求，但對電網(wǎng)放電形式的測試并沒有提及。 2.3電動汽車向電網(wǎng)放電形式的諧波電流測試的參考根據(jù) 2022年IEC 61000-3-15第一版發(fā)布，用于評估每相電流小大于75 A的連接到低壓公共電網(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)，在低頻電磁抗擾性和電磁發(fā)射方面的要求，重點對分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)射(包括諧波電流發(fā)射)進展了限制。由于是第一版標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)意在嘗試對分布式發(fā)電系統(tǒng)的EM C要求及其試驗條件進展定義，作為今后深化研究的出發(fā)點和鋪墊。目前，該項標(biāo)準(zhǔn)主要適用于光伏發(fā)電領(lǐng)域。 當(dāng)電動汽車工作于向電網(wǎng)放電形式時，即相當(dāng)于一臺小型的分布式發(fā)電系統(tǒng)

9、，向低壓公共電網(wǎng)供電。在該形式下，其適用的電網(wǎng)機制，與小型光伏發(fā)電系統(tǒng)完全一樣。因此，向電網(wǎng)放電形式的諧波電流測試，是可以借鑒該標(biāo)準(zhǔn)的。 3基于雙向逆變充放電技術(shù)的電動汽車諧波電流測試 基于以上分析，我們在電動汽車及其充電系統(tǒng)的研發(fā)過程中，對基于雙向逆變技術(shù)的電動汽車分別進展了充電和放電形式下的諧波電流測試。測試針對某款純電動汽車進展，車輛通過三相充電盒直接接入測試設(shè)備 (模擬電網(wǎng))。測試前，由研發(fā)人員分別設(shè)置工作形式(充電或放電)和工作電流。諧波電流發(fā)射的測試標(biāo)準(zhǔn)，分別對毛16A每相、16A且毛75 A每相進展了定義，本次測試中的工作電流，對應(yīng)于測試標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置了小電流、大電流兩檔。 3.1

10、電動汽車充電和放電測試方法的實現(xiàn) 電動汽車與電網(wǎng)的交互，最主要的一點是電動汽車充電，即從電網(wǎng)獲取電能。這一使用形式下的諧波電流測試，在ECE R 10.04中已有明確要求，詳細(xì)方法根據(jù)IEC 61000-3-2和IEC 61000-3-12施行。 當(dāng)電動汽車工作于向電網(wǎng)逆變放電的形式時，也需要對輸入電網(wǎng)的諧波電流進展限制，但電動汽車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中并沒有明確。我們基于對IE C 61000-3-15的解讀，通過在測試系統(tǒng)中參加功率吸收裝置，實現(xiàn)了車輛向電網(wǎng)放電過程中電能的回饋。 3.2充電形式和放電形式的測試結(jié)果分析 小同電流條件下測得的諧波電流值(為便于進展橫向比擬，諧波測試值均以百分比形

11、式表達)。 通過將數(shù)據(jù)與ECE R 10.04的限值對照，充電形式下的測試結(jié)果滿足ECE R 10.04法規(guī)的要求。放電形式的測試結(jié)果，假如按照ECE R 10.04的限值來判斷，也是滿足法規(guī)要求的。 另外，即使充電電流與放電電流根本接近，分別在充電形式和放電形式下的諧波測試結(jié)果，仍存在較大差異。根據(jù)雙向逆變充放電技術(shù)的原理，充電和放電兩種工作形式的差異，主要在于通過改變PW M電路占空比的大小，實現(xiàn)整流/逆變模塊直流端電壓的調(diào)節(jié)，到達動力電池充電或放電的切換。而占空比的調(diào)節(jié)將改變諧波成分的大小，正好對此作了很好的驗證。因此，分別對充電和放電兩種形式進展諧波電流發(fā)射程度的測試和評價，是很有必要的。 需要注意的是，發(fā)電形式的3次、9次、11次諧波電流雖然大大低于ECE R 10.04的限值，但高于充電形式的對應(yīng)諧波電流值。假如在產(chǎn)品設(shè)計中對諧波抑制不加以考慮，對電網(wǎng)質(zhì)量將具威脅。特別是隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的開展，公共電網(wǎng)中將有越來越多的分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入，對放電形式的諧波電流進展考核就顯得更加重要。 4結(jié)語 由于電動車雙向逆變充放電形式的特殊性，本文在綜合研究常規(guī)用電設(shè)備和光伏發(fā)電設(shè)備的諧波電流測試標(biāo)準(zhǔn)的根底上