新能源汽车充电桩的谐波抑制技术研究：基于有源电力滤波器（APF）的应用

一、新能源汽车充电桩的谐波产生机理与特性

1.1 充电桩的电能转换过程

充电桩的核心功能是将电网交流电转换为适合电动汽车电池的直流电（直流桩）或直接输出适配的交流电（交流桩）。其中，交流充电桩（AC-DC充电桩）通过车载充电机（OBC）完成交直流转换；直流充电桩（DC-DC充电桩）则直接通过非车载充电机将电网交流电整流为高压直流电。两类充电桩均包含整流、逆变、滤波等电力电子环节，其核心功率器件（如IGBT、MOSFET）的开关动作是谐波产生的根源。

1.2 谐波的产生机理

电力电子器件的非线性特性（如 IGBT 的导通/关断非线性）导致输入电流波形偏离正弦波。以最常见的三相不可控整流电路（如充电桩前端整流模块）为例，其输入电流呈脉冲状，仅含基波（ 50Hz ）和丰富的奇次谐波（主要为5 次、7 次、11 次、13 次等），且谐波含量随功率管开关频率升高而增加。对于高频开关型DC-DC 变换器（如LLC 谐振变换器），还会引入与开关频率相关的特征谐波（如开关频率的整数倍频次，通常为几十 kHz 至MHz 级，但高频分量易被滤波器衰减，主要关注低频段谐波）。

1.3 充电桩谐波的特性

频谱特征：以低次奇次谐波为主（5 次、7 次、11 次、13 次占比超 XX% ），其中5 次和7 次谐波电流通常为基波的 XX⁰/0～XX⁰/0 ；直流桩因功率更大，总谐波畸变率（THDi）普遍高于交流桩。

时变特性：充电功率随电池SOC（荷电状态）动态变化，导致谐波电流幅值实时波动，传统固定补偿装置难以精准跟踪。

非线性耦合：多台充电桩并联运行时，谐波电流可能因相位叠加而放大（如多台同型号桩的5 次谐波同相位注入，总谐波电流为单台的N 倍），加剧局部电网污染。

二、有源电力滤波器（APF）的技术原理与优势

2.1APF 的基本工作原理

APF 是一种主动型电力电子装置，通过实时检测电网中的谐波电流（或电压），生成与之大小相等、方向相反的补偿电流（或电压），从而抵消负载产生的谐波，使电网侧电流恢复为正弦波。其核心功能可概括为“检测-控制-补偿”闭环过程：首先通过传感器采集电网电流（或电压）信号，经谐波检测算法提取谐波成分；然后由控制器（如DSP/FPGA）生成 PWM驱动信号，控制功率器件（如IGBT）桥臂输出与谐波反向的补偿电流；最终将补偿电流注入电网，实现谐波抵消。

2.2 与传统无源滤波器的对比优势

传统无源滤波器（PF）通过 LC 串联/并联谐振电路滤除特定次谐波，具有成本低、结构简单等优点，但存在显著缺陷： ① 仅能针对固定次谐波补偿，无法适应充电桩动态变化的谐波特性； ② 易与电网阻抗发生谐振，放大特定次谐波； ③ 体积大、损耗高（铜损和铁损占比约 XX%～XX% ）。相比之下，APF 的优势体现在：动态适应性：可实时跟踪谐波频率、幅值的变化，适用于快充、慢充等不同工况；宽频补偿能力：不仅能滤除低次谐波（2~50 次），还可抑制部分高频噪声（如开关频率附近的干扰）；多目标协同：除谐波补偿外，还可同时实现无功功率补偿（提高功率因数至0.99以上）和中性线电流治理（针对三相不平衡负载）；无谐振风险：不依赖电网阻抗特性，避免与传统滤波器或负载发生谐振。

三、APF 的关键技术与控制策略

3.1 主电路拓扑结构

APF 的拓扑设计需兼顾补偿容量、响应速度及经济性，常见类型包括：并联型APF（主流方案）：直接并联在充电桩与电网之间，通过注入补

偿电流抵消负载谐波，适用于电流型谐波治理（如充电桩这类电流源型负载）。其优点是结构简单、补偿灵活，缺点是需承受电网电压（需较高耐压等级的功率器件）。

串联型 APF：串联在电网与负载之间，通过调节自身电压维持负载端电压为正弦波，主要用于电压型谐波治理（如敏感设备供电保护），但成本高、故障维护复杂，充电桩场景应用较少。

混合型APF（发展趋势）：结合并联APF（补偿动态谐波）与无源滤波器（滤除固定低次谐波），兼顾成本与性能，例如“无源滤波器 + 小容量并联APF”的组合方案，可降低整体系统成本。

3.2 谐波检测技术

精确的谐波检测是APF 补偿效果的核心。常用算法包括：

基于瞬时无功功率理论（pq 法/iq 法）：通过坐标变换（如Clarke 变换、Park 变换）将三相电流转换到 dq 同步旋转坐标系，分离出基波有功/无功分量，剩余部分即为谐波电流。iq 法（仅检测谐波电流）因无需计算有功分量，计算量更小，更适合实时性要求高的充电桩场景。

自适应滤波算法（如LMS、RLS）：通过迭代调整滤波器参数，自适应跟踪谐波频率变化，适用于非平稳工况（如充电功率快速波动），但计算复杂度较高。

基于神经网络的智能检测：利用深度学习模型（如卷积神经网络CNN）学习谐波特征，实现高精度预测，目前处于实验室验证阶段，未来有望提升复杂工况下的检测鲁棒性。

3.3 控制策略优化

APF 的控制目标是生成与谐波电流幅值相同、相位相反的补偿电流，关键控制策略包括：

滞环比较控制：将检测到的谐波电流与补偿电流的差值（误差电流）与预设滞环宽度比较，输出 PWM 信号驱动功率管。其优点是动态响应快（响应时间 <10μs ）、鲁棒性强，但开关频率不固定，可能导致电磁干扰（EMI）。

三角载波比较控制（SPWM）：通过将误差电流与高频三角载波比较，生成固定开关频率的 PWM 信号，开关频率稳定（通常为 XkHz~XkHz），利于滤波器设计，但动态响应稍慢（约 Xμs～Xμs, ）。

结语：

综上所述，新能源汽车充电桩的大规模接入对电网电能质量提出了更高要求，谐波抑制是保障充电网络可靠运行的关键环节。有源电力滤波器（APF）凭借其动态响应快、补偿精度高、适应性强等优势，已成为解决充电桩谐波问题的核心技术。通过优化拓扑结构、改进谐波检测算法与控制策略，并结合智能化运维与宽禁带器件应用，APF 的性能将进一步提升，为构建清洁、高效、安全的新能源汽车充电基础设施提供有力支撑。未来，随着“光储充一体化”模式的推广（光伏+储能 + 充电桩协同运行），APF 还需与能量管理系统（EMS）深度融合，实现谐波治理与可再生能源消纳的协同优化，推动新能源汽车产业与电网的绿色低碳发展。

参考文献：

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