电动汽车充电站中谐波及无功电流动态补偿研究

引言

面对当前全球资源短缺、环境污染日益严重的状况,世界各国都在致力于新能源方面的探索。改变社会能源结构,减少环境污染,已经迫在眉睫。现阶段,汽车已经成为大众生活中不可或缺的一部分,汽车的能耗在总能耗中占据着一定的地位。现如今,汽车方面的能源结构改革正在如火如茶地开展,欧美各国都在不遗余力地发展新能源汽车,我国在这方面的研究也毫不逊色,一大批车企纷纷进军新能源汽车市场,新能源汽车的发展已是大势所趋。

目前,我国新能源汽车的研发方向主要集中在纯电驱动上,这种纯电驱动的汽车相比于传统的燃油车,具有环境污染小、行驶成本低、保养费用低等优点。伴随着这些优点,纯电驱动的新能源车逐渐受到了大众的青睐。但是,纯电驱动的汽车具有较大功率的充电需求,对于一般用户来说,充电难题才是阻碍其选择纯电新能源汽车的最大障碍。新能源汽车逐渐增长的充电需求和目前薄弱的充电基础设施的矛盾已经成为亟待解决的社会矛盾。

在国家的支持和鼓励下,大量电动汽车公共充电站应运而生,这些充电站配备大功率直流快速充电桩,采用集中供配电的方式,满足了电动车主需要快速充电的需求。然而,针对广大电动车主开放的大型公共充电站,具有充电时间不固定、充电负荷不固定的特点,充电场站在某个特定的时间段内可能会出现低载情况,并且谐波问题同样存在。对于大容量的变压器,在其低负荷时,极易造成功率因数偏低,从而给电网带来一定的危害,以电容器为基础的静止无功补偿器可以弥补一定的无功消耗,但动态性能较差,补偿带宽较窄。有源电力滤波器,是一种具有动态无功及谐波补偿功能的电力电子器件,可用于对电动汽车充电站的动态无功补偿,实时提高充电站的功率因数,因而具有较好的应用前景。

1并联型有源电力滤波器的基本原理

有源电力滤波器可以对谐波和无功进行补偿,以达到动态消除电网谐波及无功电流的目的。如图1所示,APF系统主要包括谐波电流提取和指令电流跟踪两个部分。其基本工作方式为:通过谐波计算算法提取由非线性负载造成的谐波及无功电流iLh,再将该电流的瞬时值取反,得到ic*,此可作为整个电流跟踪系统的给定值。通过电流跟踪控制算法,得到调制波指令,并通过载波将信号以PWM波的方式在逆变器中体现,可以在逆变器拓扑中实现电压控制,进而实现对输出滤波电感的电流控制,使其发出的实际电流跟随指令电流,以达到电网治理的目的。

2单相谐波检测算法

电动汽车充电站内一般为三相四线制系统,因为负载的不平衡,会造成充电站三相电流不平衡。

要实现对于充电站内谐波及无功电流的补偿,首先就要实现对谐波及无功电流的实时检测,在此介绍一种新型的单相谐波及无功电流检测法。

对于三相三线制系统,通过对瞬时有功及无功功率的定义,可以由其瞬时功率性质实现谐波及无功检测。为对单相谐波进行简便的谐波及无功检测,下面介绍一种简单实用的单相谐波检测方法。

以电网A相为例,对其电流ia(l)进行如下傅里叶分解:

可用如下表达式分别表示A相电流中的基本有功、无功

和谐波部分:

将式(2)(3)(4)代入式(1)可得:

显然,式(5)中,A相电流分为几个部分:Ipa(l)为基波有功部分,Iqa(l)为无功部分,剩余的Iha(l)则为谐波部分。若能够提取出A相电流中的基波有功电流Ipa(l),则剩下的谐波和无功电流也就可以通过相减的方式获取。

设A相电网电压为:

取ua(L）为峰值1,且与A相电网电压同频率、同相位的正弦信号:

将ua(L）与电流ia(L）相乘:

式(8）表示A相电压ua(L）与A相电流相乘后的结果包含有直流分量及交流分量。由式(8）可知,式中直流量大小为I+coSo+的一半,同时也是基波有功电流的幅值Ipa的一半,故得到直流分量大小后,便确定了基波有功电流幅值Ipa的大小。将基波有功分量的幅值Ipa与SinSL相乘后便可得到基波有功电流Ipa(L）。SinSL为锁相得到的单位正弦信号。为得到式(8）中的直流分量,可以采用低通滤波器去除其中的交流分量。

将A相的待检电流除掉其基波有功部分,便可得到剩下的谐波及无功电流为:

类同于A相,可分别得到B、C两相需补偿的无功及谐波电流,该检测方法的原理图如图2所示。其中与电网电压同相频的正弦信SinSL可由锁相得到。

该电流检测方法具有结构简单、较易实现且计算成本低等特点。不论是三相三线制的APF或是三相四线制的APF系统,该算法都能通用。除此之外,对于三相不平衡的电动汽车充电站来说,该算法具有较大的优势。

4电流跟踪控制系统设计

APF以补偿谐波及无功电流为目的,补偿的前提是要实现准确的电流跟踪。重复控制是基于内模原理的周期性控制方式,对于周期性指令信号,具有可以实现无静差跟踪的优势。本文采用图3所示重复控制加PI控制器的控制方式,可在动态时利用PI控制器的快速响应性能实现即时响应,在达到接近稳态的状态后,利用重复控制器的周期记忆能力,可以极大地提升稳定性能。

图中,iref*为指令电流:ireal*为响应电流::-N为重复控制器的延时环节,可以起到记忆周期性指令的作用:0(:）为补偿环节,可以起到抑制控制系统高频振荡的作用:S(:）为超前校正环节,其目的为补偿控制系统延迟。

4仿真验证

在Matlab仿真系统中,以三相不控整流桥带电阻R及电感L的模型来模拟充电站的极端情况。仿真结果如图4所示,在0.25S之前,由于非线性负载的使用,电流畸变严重,当APF投入补偿后,负载电流在半个基波周期即可变为标准正弦波,负载电流的THD由补偿之前的26.07%下降到了1.18%,补偿效果良好。

5试验验证

根据前述方法,搭建了基于DSP的试验平台,得到试验结果如图5所示。

图5中,曲线+为补偿电流波形,曲线2为电网电流波形,曲线3为负载电流波形。于图示时刻突加负载,可以看到,采用该单相谐波检测方法并辅以重复控制加PI的电流跟踪方法所设计的有源电力滤波器系统,能够在半个电网周期内完全补偿谐波及无功电流,实现单位功率因数,动态性能较好,稳态性能同样突出,比较适用于新能源汽车充电站的场合。

6结语

在电动汽车公共充电站内,由于负载的多样性及不稳定性,极易出现电网谐波含量大、三相不平衡、变压器低载时功率因数较低等问题。本文介绍的采用单相谐波检测法的有源电力滤波器,能够针对三相不平衡时的负载,对电网谐波及无功功率作出及时补偿,提高了充电站的运行性能,对于电动汽车充电站建设运营具有一定的指导意义。