引言

面對當前全球資源短缺、環(huán)境污染日益嚴重的狀況,世界各國都在致力于新能源方面的探索。改變社會能源結構,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,汽車方面的能源結構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動上,這種純電驅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)費用低等優(yōu)點。伴隨著這些優(yōu)點,純電驅動的新能源車逐漸受到了大眾的青睞。但是,純電驅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設施的矛盾已經(jīng)成為亟待解決的社會矛盾。

在國家的支持和鼓勵下,大量電動汽車公共充電站應運而生,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,具有充電時間不固定、充電負荷不固定的特點,充電場站在某個特定的時間段內可能會出現(xiàn)低載情況,并且諧波問題同樣存在。對于大容量的變壓器,在其低負荷時,極易造成功率因數(shù)偏低,從而給電網(wǎng)帶來一定的危害,以電容器為基礎的靜止無功補償器可以彌補一定的無功消耗,但動態(tài)性能較差,補償帶寬較窄。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)無功補償,實時提高充電站的功率因數(shù),因而具有較好的應用前景。

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行補償,以達到動態(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部分。其基本工作方式為:通過諧波計算算法提取由非線性負載造成的諧波及無功電流iLh,再將該電流的瞬時值取反,得到ic*,此可作為整個電流跟蹤系統(tǒng)的給定值。通過電流跟蹤控制算法,得到調制波指令,并通過載波將信號以PWM波的方式在逆變器中體現(xiàn),可以在逆變器拓撲中實現(xiàn)電壓控制,進而實現(xiàn)對輸出濾波電感的電流控制,使其發(fā)出的實際電流跟隨指令電流,以達到電網(wǎng)治理的目的。

2單相諧波檢測算法

電動汽車充電站內一般為三相四線制系統(tǒng),因為負載的不平衡,會造成充電站三相電流不平衡。

要實現(xiàn)對于充電站內諧波及無功電流的補償,首先就要實現(xiàn)對諧波及無功電流的實時檢測,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),通過對瞬時有功及無功功率的定義,可以由其瞬時功率性質實現(xiàn)諧波及無功檢測。為對單相諧波進行簡便的諧波及無功檢測,下面介紹一種簡單實用的單相諧波檢測方法。

以電網(wǎng)A相為例,對其電流ia(l)進行如下傅里葉分解:

可用如下表達式分別表示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構簡單、較易實現(xiàn)且計算成本低等特點。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)設計

APF以補償諧波及無功電流為目的,補償?shù)那疤崾且獙崿F(xiàn)準確的電流跟蹤。重復控制是基于內模原理的周期性控制方式,對于周期性指令信號,具有可以實現(xiàn)無靜差跟蹤的優(yōu)勢。本文采用圖3所示重復控制加PI控制器的控制方式,可在動態(tài)時利用PI控制器的快速響應性能實現(xiàn)即時響應,在達到接近穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)后,利用重復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*為響應電流::-N為重復控制器的延時環(huán)節(jié),可以起到記憶周期性指令的作用:0(:）為補償環(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),其目的為補償控制系統(tǒng)延遲。

4仿真驗證

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。仿真結果如圖4所示,在0.25S之前,由于非線性負載的使用,電流畸變嚴重,當APF投入補償后,負載電流在半個基波周期即可變?yōu)闃藴收也?負載電流的THD由補償之前的26.07%下降到了1.18%,補償效果良好。

5試驗驗證

根據(jù)前述方法,搭建了基于DSP的試驗平臺,得到試驗結果如圖5所示。

圖5中,曲線+為補償電流波形,曲線2為電網(wǎng)電流波形,曲線3為負載電流波形。于圖示時刻突加負載,可以看到,采用該單相諧波檢測方法并輔以重復控制加PI的電流跟蹤方法所設計的有源電力濾波器系統(tǒng),能夠在半個電網(wǎng)周期內完全補償諧波及無功電流,實現(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結語

在電動汽車公共充電站內,由于負載的多樣性及不穩(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的負載,對電網(wǎng)諧波及無功功率作出及時補償,提高了充電站的運行性能,對于電動汽車充電站建設運營具有一定的指導意義。