新能源汽车充电桩群谐波抑制与无功补偿技术

一、引言

随着全球对环境保护和能源可持续发展的重视，新能源汽车产业迎来了快速发展期。作为新能源汽车的重要基础设施，充电桩的数量与日俱增，形成了规模庞大的充电桩群。然而，充电桩大多采用电力电子装置进行整流和功率变换，在运行过程中会产生大量谐波电流，同时存在无功功率需求，导致电网电压畸变、功率因数降低，影响电网电能质量和其他电气设备的正常运行 。谐波和无功问题不仅会增加电网的电能损耗，还可能引发继电保护装置误动作、电气设备过热损坏等故障，严重威胁电网的安全稳定运行 。因此，研究新能源汽车充电桩群谐波抑制与无功补偿技术，对于改善电网电能质量、推动新能源汽车产业可持续发展具有重要的现实意义。

二、新能源汽车充电桩群谐波与无功产生机理

（一）谐波产生机理

新能源汽车充电桩中的电力电子器件（如二极管、晶闸管、IGBT 等）在开关过程中会产生非正弦的电流波形，这些非正弦电流包含大量的谐波成分 。以常见的不控整流电路为例，其输出电流为脉冲状，除了基波成分外，还含有丰富的 3 次、5 次、7 次等奇次谐波 。此外，充电桩在充电过程中，随着电池充电状态的变化，其负载特性也会发生改变，导致谐波电流的大小和频率出现波动 。当多个充电桩集中运行形成充电桩群时，各充电桩产生的谐波相互叠加，进一步加剧了电网的谐波污染。

（二）无功产生机理

充电桩中的电力电子装置在进行电能转换时，需要吸收一定的无功功率来维持其正常运行 。由于这些装置大多为非线性负载，其电流与电压之间存在相位差，导致无功功率的产生 。无功功率的存在会降低电网的功率因数，增加线路损耗，同时还会引起电网电压下降，影响电网的供电能力和电能质量 。在充电桩群中，无功功率需求随着充电桩数量的增加和充电负荷的变化而波动，对电网的无功平衡构成较大挑战 。

三、新能源汽车充电桩群谐波抑制技术

（一）无源滤波技术

无源滤波技术是通过由电容器、电抗器和电阻器组成的无源滤波器来抑制谐波。无源滤波器可以根据需要设计成针对特定次数谐波的单调谐滤波器或针对宽频谐波的高通滤波器 。它利用电感和电容在特定频率下的谐振特性，对相应频率的谐波电流进行分流，使谐波电流不流入电网，从而达到谐波抑制的目的 。无源滤波器具有结构简单、成本低、运行维护方便等优点，但也存在滤波效果易受电网参数影响、只能针对特定谐波频率进行滤波、可能与电网发生谐振等缺点 。

（二）有源滤波技术

有源滤波器（APF）是一种基于电力电子技术和现代控制理论的谐波抑制装置。它通过实时检测电网中的谐波电流，然后产生一个与之大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，从而抵消电网中的谐波电流 。有源滤波器具有滤波效果好、能够动态跟踪谐波变化、对系统参数变化不敏感等优点，可有效抑制各次谐波，尤其适用于谐波成分复杂、变化频繁的充电桩群场景 。然而，有源滤波器也存在成本较高、容量有限、控制算法复杂等问题 。

（三）混合滤波技术

混合滤波技术结合了无源滤波技术和有源滤波技术的优点，由无源滤波器和有源滤波器共同组成 。无源滤波器承担大部分的谐波补偿任务，降低有源滤波器的容量需求，从而降低成本；有源滤波器则弥补无源滤波器的不足，提高滤波精度和动态性能 。混合滤波技术在兼顾滤波效果的同时，具有较好的经济性和实用性，在新能源汽车充电桩群谐波抑制中具有广阔

的应用前景 。

四、新能源汽车充电桩群无功补偿技术

（一）静止无功补偿器（SVC）

静止无功补偿器是一种并联型的无功补偿装置，主要包括晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）等类型 。SVC 通过控制晶闸管的触发角，快速调节电抗器和电容器的投入与切除，实现对无功功率的动态补偿 。它能够根据电网无功需求的变化，快速响应并调节无功输出，提高电网的功率因数，稳定电网电压 。但 SVC 存在响应速度相对较慢、补偿精度有限、可能产生谐波等缺点 。

（二）静止无功发生器（SVG）

静止无功发生器是一种基于电压源型变流器（VSC）的新一代无功补偿装置。它通过检测电网电压和电流，计算出所需的无功功率，然后通过控制变流器输出相应的无功电流，实现对无功功率的快速、精确补偿 。SVG具有响应速度快、补偿精度高、运行范围广、可同时补偿谐波等优点，能够有效改善电网的电能质量，提高电网的稳定性和可靠性 。不过，SVG 的成本相对较高，对控制技术要求也较为严格 。

（三）分布式电源无功补偿

在新能源汽车充电桩群附近接入分布式电源（如光伏发电、风力发电等），可利用分布式电源的无功调节能力进行无功补偿 。分布式电源通过控制其逆变器的无功输出，根据充电桩群的无功需求进行动态调节，实现就地无功补偿 。这种方式不仅能够降低电网的无功传输损耗，还能提高分布式电源的利用率，具有较好的经济效益和环境效益 。但分布式电源的出力受自然条件影响较大，其无功补偿能力具有一定的不确定性 。

五、案例分析

在某大型电动汽车充电站项目中，站内安装了 50 台大功率充电桩。在未采取谐波抑制与无功补偿措施前，电网谐波含量超标，功率因数仅为0.75，导致电网电压波动较大，部分电气设备出现过热现象 。为解决这些问题，该充电站采用了混合滤波技术和静止无功发生器相结合的方案 。安装混合滤波器抑制谐波，配置静止无功发生器进行无功补偿 。运行结果表明，采取措施后，电网谐波含量显著降低，各次谐波电流均满足国家标准要求；功率因数提高到 0.95 以上，电网电压稳定性得到明显改善，电气设备运行正常，有效解决了充电桩群运行带来的电能质量问题 。

六、结论

新能源汽车充电桩群运行产生的谐波与无功问题对电网电能质量和安全稳定运行构成严重威胁。通过采用无源滤波、有源滤波、混合滤波等谐波抑制技术，以及静止无功补偿器、静止无功发生器、分布式电源无功补偿等无功补偿技术，能够有效解决充电桩群的谐波和无功问题，提升电网电能质量 。在实际应用中，应根据充电桩群的规模、负载特性和电网条件，合理选择和组合谐波抑制与无功补偿技术，以达到最佳的治理效果 。未来，随着新能源汽车产业的持续发展，还需要不断探索和创新更加高效、经济的谐波抑制与无功补偿技术，为新能源汽车产业的健康发展提供有力保障 。

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