基于有源电力滤波器在充电桩谐波治理的电力系统

技术领域

本发明涉及充电桩谐波治理的技术领域，尤其涉及一种采用源电力滤波器在充电桩进行谐波治理的电力系统。

背景技术

目前，随着城市化进程的持续加快,汽车保有量大幅增加，因此，具有能够实现尾气“零排放”功能的电动公交车已经随着经济社会发展成为了城市通勤的主要交通工具,而且未来几年大量的电动家用汽车也是发展的必然趋势，而充电机是非线性电力电子没备,在使用过程中，特别是对充电站停车场等大量集中工作的场所，会对当地电网造成严重的谐波污染。

当充电站采用专用变压器供电时，充电站场注入的谐波电流会流入到市政配电网上的其他用户从而危害整个变压站的电网安全。

另一方面，如果通过增加整流桥脉冲数及增大充电机的滤波电感，这是业主选购充电桩设备的考量，会增加成本的投入。

因此，针对充电桩工程的谐波治理的主要问题，是一件亟不可待的事。

发明内容

针对现有技术存在电网造成的谐波污染、谐波影响应用设备、成本投入较高等不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以主动消谐，防止谐波影响到应用设备、减少成本投入、设备体积小的用于公交站场的充电桩电网谐波的治理技术。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于有源电力滤波器在充电桩谐波治理的电力系统，所述电力系统包括电网、有源电力滤波器、非线性负载组成，所述有源电力滤波器和非线性负载以并联的方式接入电网，所述电力系统还包括并联电容器组，所述并联电容器组在电力系统中的连接关系包括以下两种方式中的任一种：

第一种，所述并联电容器组和电网的电源线连接，所述有源电力滤波器靠近非线性负载侧电连接，所述有源电力滤波器首先对非线性负载注入电流进行补偿从而抵消非线性负载产生的谐波，所述并联电容器组对电力系统的无功进行分组补偿；

第二种，所述并联电容器组和靠近非线性负载侧电连接，所述有源电力滤波器靠近电网的电源线连接，所述并联电容器首先对非线性负载注入电流进行补偿从而抵消非线性负载产生的谐波，所述有源电力滤波器对电力系统的谐波和剩余少量无功进行补偿。

优选地，所述有源电力滤波器由逆变主电路、DSP控制电路、外部电流互感器CT，所述有源电力滤波器的外部电流互感器CT和非线性负载电连接，所述逆变主电路、DSP控制电路、外部电流互感器CT之间电连接，所述外部电流互感器CT采集和检测电力系统的谐波电流，所述DSP控制电路控制逆变主电路发出的补偿电流。

优选地，所述有源电力滤波器的接线方式为：三相三线或三相四线，若电力系统需滤除三次谐波选用三相四线；否则选用三相三线，接入的电压为 220V-380V；接入频率为：50Hz±10％。

优选地，所述逆变主电路由保护电路、缓启动电路、高频滤波电路、高频电抗器、IGBT电能转换器和直流电容器组，所述保护电路和缓启动电路、高频滤波电路、高频电抗器、IGBT电能转换器和直流电容器组电连接，当负载电流超过其额定值时熔断熔体，所述保护电路使电路断开以保护电路；所述缓启动电路抑制直流电容器组充电时出现的冲击电流和启动有源电力滤波器来做电流补偿。

优选地，所述保护电路由熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3组成，所述熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3的一端和电网的三相交流电源输出端A、B、 C相连接；

优选地，所述缓启动电路由限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8分别串联交流接触器KM1且并联交流接触器KM2，所述限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8的设置使通过IGBT电能转换器而流入直流电容器组的冲击电流被限制，待DSP控制电路下达启动指令时，交流接触器KM1闭合并旁路限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8，使得所述IGBT电能转换器真正与电力系统连接；

优选地，所述高频滤波电路由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、电感L6、电感L5、电感L4组成，所述电阻R3、电容C3和电感L6串联，所述电阻R4、电容C4和电感L5串联，所述电阻R5、电容C5和电感L7串联，所述高频滤波电路连接在靠近电网的三相交流电源输出端处，所述高频滤波电路吸收高频谐波电流；

优选地，所述高频电抗器和IGBT电能转换器电连接，所述高频电抗器作为 IGBT电能转换器与电力系统间的电力传输介面元件；

优选地，所述IGBT电能转换器由电桥和电压浪涌缓冲器组成，所述电压浪涌缓冲器并联在电桥的两端，所述IGBT电能转换器产生电力系统所需要补偿电流波形，所述电压浪涌缓冲器避免IGBT电能转换器工作时产生的浪涌电压过高破坏逆变主电路。

优选地，所述直流电容器组包括直流电容器C1和直流电容器C2，所述直流电容器C1和直流电容器C2的电容值相等，所述直流电容器C1和直流电容器C2 相串联后并联到IGBT电能转换器的两端，所述直流电容器组将来自电力系统的能量透过IGBT电能转换器的控制而加以储存，由直流电容器C1和直流电容器 C2两个电容值相等的直流电容器并接而成。

优选地，所述DSP控制电路包括DSP芯片U1、A/D采集电路、液晶显示电路，所述DSP芯片U1和A/D采集电路、液晶显示电路电连接。

优选地，所述DSP芯片U1的型号为TMS320F2812，所述DSP芯片U1的PWM1 管脚-PWM6管脚和PWM7管脚-PWM12管脚自带有PWM脉冲产生部分，外部电流互感器CT采集电力系统的谐波电流通过线路将其发送至DSP芯片U1，所述DSP芯片U1的PWM1管脚-PWM6管脚或PWM7管脚-PWM12管脚产生脉冲去驱动IGBT电能转换器，使得所述IGBT电能转换器产生与上述谐波电流之和、极性相反的电流；

优选地，所述A/D采集电路包括A/D采集芯片U1，所述A/D采集芯片U1的型号为AD7265BCPZ-REEL7，所述A/D采集芯片U1的P1引脚-P18引脚和DSP芯片U1的ADCINA0引脚-ADCINB7引脚一一对应相连接，所述A/D采集芯片U1采集的信号通过其自身的P1引脚-P18引脚发送至DSP芯片U1；

优选地，所述液晶显示电路包括液晶显示屏U6，所述液晶显示屏U6的型号为LCD320240显示屏，所述液晶显示屏U6的D0引脚-D7引脚通过总线和DSP芯片U1的XA0引脚-XA18引脚相连接。

所述电力系统中的滤波谐波估算公式为：

其中：I

优选地，所述非线性负载的谐波电流处于有源电力滤波器的补偿电流范围时，单台有源电力滤波器谐波补偿率K

I

I

优选地，所述有源电力滤波器的接地电阻值≤1Ω；所述有源电力滤波器的安装环境的最低温度为-5℃，最高温度为40℃，工作环境的温度变化应不大于 5℃/h。

相比于现有技术，本发明的方案至少包含如下有益效果：

(1)本发明的电力系统包括电网、有源电力滤波器、非线性负载组成，将有源电力滤波器和非线性负载以并联的方式接入电网，该电力系统还包括并联电容器组，并联电容器组在电力系统中的连接关系包括这两种方式中的任一种并联电容器组和电网的电源线连接，所述有源电力滤波器靠近非线性负载侧电连接，所述有源电力滤波器首先对非线性负载注入电流进行补偿从而抵消非线性负载产生的谐波，所述并联电容器组对电力系统的无功进行分组补偿；或者，所述并联电容器组和靠近非线性负载侧电连接，所述有源电力滤波器靠近电网的电源线连接，所述并联电容器首先对非线性负载注入电流进行补偿从而抵消非线性负载产生的谐波，所述有源电力滤波器对电力系统的谐波和剩余少量无功进行补偿，通过有源电力滤波器和并联电容器组可以对非线性负载产生的谐波进行主动谐波，有效地抑制了电力系统的谐波，采用有源电力滤波技术的在提高电网电能质量的同时，还可以减少谐波对电力系统的影响，保证电力系统的稳定性、防止谐波影响到应用设备、降低成本投入。

(2)本发明的有源电力滤波器由DSP控制电路组成，所述DSP控制电路包括有DSP芯片，所述DSP芯片U1的管脚自带有PWM脉冲产生部分，外部电流互感器CT采集电力系统的谐波电流通过线路将其发送至DSP芯片U1，所述DSP芯片U1的管脚产生脉冲去驱动IGBT电能转换器，使得所述IGBT电能转换器产生与上述谐波电流之和、极性相反的电流，有源谐波过滤器使用的是电力电子技术来监控非线性负载，动态地纠正，发现一个谐波后自动注入一个补偿电流使之波形恢复，通过注入和抵消过程，恢复正弦波，使失真减少到不足5％的总谐波失真。其特点是可主动消谐，设备体积小，效果理想、符合节能要求，在汽车电动化的大趋势下，这项施工技术具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明的并联电容器组安装在电力系统的一种电路示意图；

图2是本发明的并联电容器组安装在电力系统的另一种电路示意图；

图3是本发明的逆变主电路的电路图；

图4是本发明的DSP芯片U1和A/D采集电路连接的电路图；

图5是本发明的DSP芯片U1和液晶显示电路连接的电路图；

图6是本发明的电力系统的基波电流运行情况如下。

图中，电网1、有源电力滤波器2、主电路21、保护电路211、缓启动电路 212、高频滤波电路213、高频电抗器214、IGBT电能转换器215、直流电容器组216、逆变DSP控制电路22、外部电流互感器CT23、非线性负载3、并联电容器组4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施项目工程为燕岭公交立体充电桩停车场工程中应用实践。该项目位于广州市天河区燕岭路171、173号,主要设计功能包括停车场,车辆维保、配套管理房,变电房和设备用房等。总建筑面积为64787平方米,为1 幢地上8层，地下一层的综合性公交站场。整栋楼共配置12台360KW充电直流分体机，30台180KW充电直流分体机，5台150KW充电直流分体机、2台180KW 充电一体机(双枪)、126台120KW充电一体机(双枪)、18台60KW充电一体机(单枪)、122台充电桩终端(双枪)、9台充电桩终端(单枪)，不仅满足公交汽车也对社会普通家用电动小汽车进行停泊充电服务。分析公交充电站的运营方式：电动公交车在运行的过程中路线相对固定，行驶速度较慢，往返路程一般维持在50公里左右,一天的行驶里程大约200公里；交车大多配置镍氢动力电池为能量储备单元，该电池具有充放电效率高、大电流充放电能力强以及电池内阻非常小的特点。

下面是本发明提供了一种有源电力滤波器2在公交站场的充电桩的谐波治理技术，所述电力系统包括电网1、有源电力滤波器2、非线性负载3，所述有源电力滤波器2和非线性负载3以并联的方式接入电网1，其中，非线性负载3 为谐波源，非线性负载3产生谐波并消耗无功，将有源电力滤波器2和电网1 并联，因此，有源电力滤波器2可以等效一个受控电流源。

所述电力系统还包括并联电容器组4，并联电容器组4在电力系统中的连接关系包括以下两种中的任意一种：

如图1所示，第一种，是将并联电容器组4和电网1的电源线连接，则将有源电力滤波器2靠近非线性负载3侧电连接时，由有源电力滤波器2首先对非线性负载3注入电流进行补偿从而抵消非线性负载3产生的谐波，由并联电容器组4对电力系统的无功进行分组补偿，从而实现对电网1上的谐波处理。。

如图2所示，第二种，是将并联电容器组4和靠近非线性负载3侧电连接时，让有源电力滤波器2靠近电网1的电源线连接，通过并联电容器组4首先对非线性负载3注入电流进行补偿从而抵消非线性负载3产生的谐波，再让有源电力滤波器2对电力系统的谐波和剩余少量无功进行补偿。

本发明实施例具体实现时，如图1-2所示，有源电力滤波器2，简称APF，有源电力滤波器2由逆变主电路21、DSP控制电路22、外部电流互感器CT23，将有源电力滤波器2的外部电流互感器CT23和非线性负载3电连接，所述逆变主电路21、DSP控制电路22、外部电流互感器CT23之间电连接，通过外部电流互感器CT23采集和检测电力系统的谐波电流，DSP控制电路22控制逆变主电路21发出的补偿电流。

如图3所示，是关于逆变主电路21的电路图：

逆变主电路21由保护电路211、缓启动电路212、高频滤波电路213、高频电抗器214、IGBT电能转换器215和直流电容器组216，所述保护电路211和缓启动电路212、高频滤波电路213、高频电抗器214、IGBT电能转换器215和直流电容器组216电连接，通过高频滤波电路213连接在靠近电网1的三相交流电源输出端处，使得高频滤波电路213吸收高频谐波电流，通过缓启动电路212 抑制直流电容器组216充电时出现的冲击电流和启动有源电力滤波器2来做电流补偿。

本发明实施例具体实现时，保护电路211由熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3组成，所述熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3的一端和电网1的三相交流电源输出端A、B、C相连接，当负载电流超过其额定值时熔断熔体，所述熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3会自动断开，从而起到保护电路211的作用。

缓启动电路212由限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8的一端分别串联交流接触器KM1且并联交流接触器KM2，限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8的设置使通过IGBT电能转换器215而流入直流电容器组216的冲击电流被限制，待DSP控制电路22下达启动指令时，交流接触器KM1闭合并旁路限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8，实现IGBT电能转换器215和电力系统的真正连接。

本发明实施例具体实现时，上述高频滤波电路213是由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、电感L6、电感L5、电感L4组成，其中，将电阻R3、电容C3和电感L6串联，将电阻R4、电容C4和电感L5串联，将电阻R5、电容C5和电感L7串联，通过电阻、电容和电感形成一个RCL滤波支路，通过这个RCL滤波支路来吸收高频谐波电流。

将高频电抗器214和IGBT电能转换器215电连接，高频电抗器214由电抗感器L1、电抗感器L2、电抗感器L3，所述电抗感器L1、电抗感器L2、电抗感器L3和电感L4、电感L5、电感L6一一对应相串联，高频电抗器214作为IGBT 电能转换器215与电力系统间的电力传输介面元件。

本发明实施例具体实现时，IGBT电能转换器215由电桥和电压浪涌缓冲器组成，所述电压浪涌缓冲器并联在电桥的两端，电压浪涌缓冲器是由电容器C7、电容器C8、电容器C9并联形成，通过IGBT电能转换器215产生电力系统所需要补偿电流波形，抵消非线性负载3产生的谐波电压，从而使非线性负载3注入电网1的谐波电流为零，通过电压浪涌缓冲器避免IGBT电能转换器215工作时产生的浪涌电压过高破坏逆变主电路21。

本发明实施例具体实现时，直流电容器组216包括直流电容器C1和直流电容器C2，将直流电容器C1和直流电容器C2的电容值相等，所述直流电容器C1 和直流电容器C2相串联后并联到IGBT电能转换器215的两端，所述直流电容器组216将来自电力系统的能量透过IGBT电能转换器215的控制而加以储存，由直流电容器C1和直流电容器C2两个电容值相等的直流电容器并接而成。

如图4-5所示，是DSP控制电路22的电路框架图：

包括DSP芯片U1、A/D采集电路、液晶显示电路，所述DSP芯片U1和A/D 采集电路、液晶显示电路电连接。

本发明实施例具体实现时，DSP芯片U1所选用的型号为TMS320F2812，其中，DSP芯片U1的PWM1管脚-PWM6管脚和PWM7管脚-PWM12管脚自带有PWM脉冲产生部分，外部电流互感器CT23采集电力系统的谐波电流通过线路将其发送至DSP芯片U1，所述DSP芯片U1的PWM1管脚-PWM6管脚或PWM7管脚-PWM12管脚产生脉冲去驱动IGBT电能转换器215，使得所述IGBT电能转换器215产生与上述谐波电流之和、极性相反的电流。

本发明实施例具体实现时，A/D采集电路包括A/D采集芯片U1，其中，A/D 采集芯片U1所选用的型号为AD7265BCPZ-REEL7，将A/D采集芯片U1的P1引脚 -P18引脚和DSP芯片U1的ADCINA0引脚-ADCINB7引脚一一对应相连接，A/D 采集芯片U1采集的信号通过其自身的P1引脚-P18引脚发送至DSP芯片U1；

液晶显示电路包括液晶显示屏U6，液晶显示屏U6所选用的型号为 LCD320240显示屏，所述液晶显示屏U6的D0引脚-D7引脚通过总线和DSP芯片 U1的XA0引脚-XA18引脚相连接。

所述电力系统中的滤波谐波估算公式为：

其中：I

所述非线性负载3的谐波电流处于有源电力滤波器2的补偿电流范围时，单台有源电力滤波器2谐波补偿率K

I

I

本发明实施例具体实现时，有源电力滤波器2大多以成套柜形式安装在低压配电房内，有源电力滤波器2需要可靠的工作接地，因此，本发明的有源电力滤波器2的接地电阻值≤1Ω；现有中的有源电力滤波器2工作时，有大量谐波电流需要快速回归接地，有源电力滤波器2的接地线过长，经过的设备越多，那么接地线就会引入感抗，导致滤波器高频衰减特性变坏，因此本发明为尽量缩短有源滤波器的接地线，减少公共阻抗，减少传导干扰，合理地铺设地线，本发明采用星型铺设，避免环形地线。

为使有源电力滤波器2的接地电阻值≤1Ω，在配电房地下打桩垂直接地极，用∟50×5的热镀锌角铁，长度L＝2.5～3m，三根一组，距离5米布置成“一”字，打入地下后，顶端埋入地下不少于50厘米，用∟40×4的热镀锌扁铁连接在一起并引出，达不到电阻值要求就扩展接地极组数，这样可以让剩余谐波电流快速均匀地注入大地接地体。

关于有源电力滤波器2接入供配电线路的具体位置和连接方式

首先，为了维护和检修方便及便于模块扩容我们选择以并联的方式将有源电力滤波器2接入电网1，还可以起到动态补偿无功(动态无功补偿)的功能。

本发明实施例具体实现时，关于有源电力滤波器2操作要点包括以下方面：

(一)运输：

有源电力滤波器2可与其他成套低压柜采用一样的交通工具运输，在运输过程中必须小心轻放。严禁雨淋暴晒不应有剧烈振动，撞击和倒放。运输温度应在-40～+70℃范围内，在低压柜厂组装成套时，应与电容柜及进线柜柜型高度一致。

(二)储存：

有源电力滤波器2不得暴晒及雨淋，应存放在空气流通，周围介质温度在 -40～+70℃，空气最大相对湿度不超过95％，即相当于空气温度20±5℃时。

(三)机械安装：

由于有源电力滤波器2不得随成套低压电柜一起安装，安装方法与低压电柜安装要求一致，包括以下检查事项：

①初验：

在安装有源电力滤波器2前，首先应进行如下检查：

1)目检有源电力滤波器2外部和内部是否存在运输损坏；

2)核对产品标签，确认设备的正确性，设备侧壁贴有设备标签，标签上标明了有源电力滤波器2型号，容量及主要参数。

②安装环境：

1)最低温度-5℃，最高温度40℃，工作环境的温度变化应不大于5℃/h；

2)安装高度要小于海拔1000米。若安装高度超过海拔1000米，设备必须降额使用或采取增加通风措施；

3)不要把有源电力滤波器2安装在有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等空气污染的环境里；

4)避免暴露在腐蚀性气体(典型的如硫化物，氯化物)；

5)避免暴露在潮气过重的环境中(例如相对湿度大于95％)，滴水，蒸汽和冷凝水，因为湿度过高将导致在有源电力滤波器2金属板表面凝结冷凝水，潮气可导致设备的永久伤害(例如逆变主电路21)和对运行人员的可能伤害；

6)避免暴露在导电性灰尘如煤灰。一般来说，非导电性灰尘也要避免；

7)避免暴露在细小灰尘，油蒸汽，爆炸性混合物，爆炸性气体，含盐的空气；

8)避免震荡，冲击和倾斜；

9)避免强磁场，核辐射和来自通讯设备的大功率的射频干扰。

③有源电力滤波器2安装：

1)有源电力滤波器2安装时，需要考虑通风散热及操作空间的需要，落地整套装置背面距离墙不得小于1000mm，装置顶部与屋顶空间距离不得小于300mm，装置正面离墙距离不得小于1000mm；

2)安装过程中，要防止有源电力滤波器2受到撞击和震动，所有有源电力滤波器2不得倒置，倾斜角度不得超过10°。

因此为防止有源电力滤波器2变形，在搬运过程中请注意以下几点：

a、现场搬运吊装前请先估计有源电力滤波器2整体重量，该数据可从有源电力滤波器2装箱清单中获得。

b、有源电力滤波器2开箱后的木板基座请不要破坏，可用其作为有源电力滤波器2吊运的托架。

c、在搬运过程中，有源电力滤波器2不可倾斜，否则会引起有源电力滤波器2有源电力滤波器2变形或损坏。

如图6所示，关于本发明电力系统的基波电流I

充电回路电网1上有非线性负载3时，非线性负载3侧电流包含有与电网1 频率相同的基波电流I

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。