電動汽車充電站中諧波及無功電流動態(tài)補(bǔ)償研究

引言

面對當(dāng)前全球資源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的狀況,世界各國都在致力于新能源方面的探索。改變社會能源結(jié)構(gòu),減少環(huán)境污染,已經(jīng)迫在眉睫?，F(xiàn)階段,汽車已經(jīng)成為大眾生活中不可或缺的一部分,汽車的能耗在總能耗中占據(jù)著一定的地位?，F(xiàn)如今,汽車方面的能源結(jié)構(gòu)改革正在如火如茶地開展,歐美各國都在不遺余力地發(fā)展新能源汽車,我國在這方面的研究也毫不遜色,一大批車企紛紛進(jìn)軍新能源汽車市場,新能源汽車的發(fā)展已是大勢所趨。

目前,我國新能源汽車的研發(fā)方向主要集中在純電驅(qū)動上,這種純電驅(qū)動的汽車相比于傳統(tǒng)的燃油車,具有環(huán)境污染小、行駛成本低、保養(yǎng)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。伴隨著這些優(yōu)點(diǎn),純電驅(qū)動的新能源車逐漸受到了大眾的青睞。但是,純電驅(qū)動的汽車具有較大功率的充電需求,對于一般用戶來說,充電難題才是阻礙其選擇純電新能源汽車的最大障礙。新能源汽車逐漸增長的充電需求和目前薄弱的充電基礎(chǔ)設(shè)施的矛盾已經(jīng)成為亟待解決的社會矛盾。

在國家的支持和鼓勵(lì)下,大量電動汽車公共充電站應(yīng)運(yùn)而生,這些充電站配備大功率直流快速充電樁,采用集中供配電的方式,滿足了電動車主需要快速充電的需求。然而,針對廣大電動車主開放的大型公共充電站,具有充電時(shí)間不固定、充電負(fù)荷不固定的特點(diǎn),充電場站在某個(gè)特定的時(shí)間段內(nèi)可能會出現(xiàn)低載情況,并且諧波問題同樣存在。對于大容量的變壓器,在其低負(fù)荷時(shí),極易造成功率因數(shù)偏低,從而給電網(wǎng)帶來一定的危害,以電容器為基礎(chǔ)的靜止無功補(bǔ)償器可以彌補(bǔ)一定的無功消耗,但動態(tài)性能較差,補(bǔ)償帶寬較窄。有源電力濾波器,是一種具有動態(tài)無功及諧波補(bǔ)償功能的電力電子器件,可用于對電動汽車充電站的動態(tài)無功補(bǔ)償,實(shí)時(shí)提高充電站的功率因數(shù),因而具有較好的應(yīng)用前景。

1并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理

有源電力濾波器可以對諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償,以達(dá)到動態(tài)消除電網(wǎng)諧波及無功電流的目的。如圖1所示,APF系統(tǒng)主要包括諧波電流提取和指令電流跟蹤兩個(gè)部分。其基本工作方式為:通過諧波計(jì)算算法提取由非線性負(fù)載造成的諧波及無功電流iLh,再將該電流的瞬時(shí)值取反,得到ic*,此可作為整個(gè)電流跟蹤系統(tǒng)的給定值。通過電流跟蹤控制算法,得到調(diào)制波指令,并通過載波將信號以PWM波的方式在逆變器中體現(xiàn),可以在逆變器拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)電壓控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對輸出濾波電感的電流控制,使其發(fā)出的實(shí)際電流跟隨指令電流,以達(dá)到電網(wǎng)治理的目的。

2單相諧波檢測算法

電動汽車充電站內(nèi)一般為三相四線制系統(tǒng),因?yàn)樨?fù)載的不平衡,會造成充電站三相電流不平衡。

要實(shí)現(xiàn)對于充電站內(nèi)諧波及無功電流的補(bǔ)償,首先就要實(shí)現(xiàn)對諧波及無功電流的實(shí)時(shí)檢測,在此介紹一種新型的單相諧波及無功電流檢測法。

對于三相三線制系統(tǒng),通過對瞬時(shí)有功及無功功率的定義,可以由其瞬時(shí)功率性質(zhì)實(shí)現(xiàn)諧波及無功檢測。為對單相諧波進(jìn)行簡便的諧波及無功檢測,下面介紹一種簡單實(shí)用的單相諧波檢測方法。

以電網(wǎng)A相為例,對其電流ia(l)進(jìn)行如下傅里葉分解:

可用如下表達(dá)式分別表示A相電流中的基本有功、無功

和諧波部分:

將式(2)(3)(4)代入式(1)可得:

顯然,式(5)中,A相電流分為幾個(gè)部分:Ipa(l)為基波有功部分,Iqa(l)為無功部分,剩余的Iha(l)則為諧波部分。若能夠提取出A相電流中的基波有功電流Ipa(l),則剩下的諧波和無功電流也就可以通過相減的方式獲取。

設(shè)A相電網(wǎng)電壓為:

取ua(L）為峰值1,且與A相電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的正弦信號:

將ua(L）與電流ia(L）相乘:

式(8）表示A相電壓ua(L）與A相電流相乘后的結(jié)果包含有直流分量及交流分量。由式(8）可知,式中直流量大小為I+coSo+的一半,同時(shí)也是基波有功電流的幅值Ipa的一半,故得到直流分量大小后,便確定了基波有功電流幅值Ipa的大小。將基波有功分量的幅值Ipa與SinSL相乘后便可得到基波有功電流Ipa(L）。SinSL為鎖相得到的單位正弦信號。為得到式(8）中的直流分量,可以采用低通濾波器去除其中的交流分量。

將A相的待檢電流除掉其基波有功部分,便可得到剩下的諧波及無功電流為:

類同于A相,可分別得到B、C兩相需補(bǔ)償?shù)臒o功及諧波電流,該檢測方法的原理圖如圖2所示。其中與電網(wǎng)電壓同相頻的正弦信SinSL可由鎖相得到。

該電流檢測方法具有結(jié)構(gòu)簡單、較易實(shí)現(xiàn)且計(jì)算成本低等特點(diǎn)。不論是三相三線制的APF或是三相四線制的APF系統(tǒng),該算法都能通用。除此之外,對于三相不平衡的電動汽車充電站來說,該算法具有較大的優(yōu)勢。

4電流跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

APF以補(bǔ)償諧波及無功電流為目的,補(bǔ)償?shù)那疤崾且獙?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流跟蹤。重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的周期性控制方式,對于周期性指令信號,具有可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤的優(yōu)勢。本文采用圖3所示重復(fù)控制加PI控制器的控制方式,可在動態(tài)時(shí)利用PI控制器的快速響應(yīng)性能實(shí)現(xiàn)即時(shí)響應(yīng),在達(dá)到接近穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)后,利用重復(fù)控制器的周期記憶能力,可以極大地提升穩(wěn)定性能。

圖中,iref*為指令電流:ireal*為響應(yīng)電流::-N為重復(fù)控制器的延時(shí)環(huán)節(jié),可以起到記憶周期性指令的作用:0(:）為補(bǔ)償環(huán)節(jié),可以起到抑制控制系統(tǒng)高頻振蕩的作用:S(:）為超前校正環(huán)節(jié),其目的為補(bǔ)償控制系統(tǒng)延遲。

4仿真驗(yàn)證

在Matlab仿真系統(tǒng)中,以三相不控整流橋帶電阻R及電感L的模型來模擬充電站的極端情況。仿真結(jié)果如圖4所示,在0.25S之前,由于非線性負(fù)載的使用,電流畸變嚴(yán)重,當(dāng)APF投入補(bǔ)償后,負(fù)載電流在半個(gè)基波周期即可變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波,負(fù)載電流的THD由補(bǔ)償之前的26.07%下降到了1.18%,補(bǔ)償效果良好。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前述方法,搭建了基于DSP的試驗(yàn)平臺,得到試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5中,曲線+為補(bǔ)償電流波形,曲線2為電網(wǎng)電流波形,曲線3為負(fù)載電流波形。于圖示時(shí)刻突加負(fù)載,可以看到,采用該單相諧波檢測方法并輔以重復(fù)控制加PI的電流跟蹤方法所設(shè)計(jì)的有源電力濾波器系統(tǒng),能夠在半個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)完全補(bǔ)償諧波及無功電流,實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù),動態(tài)性能較好,穩(wěn)態(tài)性能同樣突出,比較適用于新能源汽車充電站的場合。

6結(jié)語

在電動汽車公共充電站內(nèi),由于負(fù)載的多樣性及不穩(wěn)定性,極易出現(xiàn)電網(wǎng)諧波含量大、三相不平衡、變壓器低載時(shí)功率因數(shù)較低等問題。本文介紹的采用單相諧波檢測法的有源電力濾波器,能夠針對三相不平衡時(shí)的負(fù)載,對電網(wǎng)諧波及無功功率作出及時(shí)補(bǔ)償,提高了充電站的運(yùn)行性能,對于電動汽車充電站建設(shè)運(yùn)營具有一定的指導(dǎo)意義。