電動(dòng)車充電系統(tǒng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償
1、引言
隨著當(dāng)前電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大量電動(dòng)汽車充電站投入建設(shè)與運(yùn)行。由于電動(dòng)汽車充電設(shè)備為非線性負(fù)載，在充電過(guò)程中將同時(shí)向電網(wǎng)注入諧波電流導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量降低。隨著越來(lái)越多的大型電動(dòng)汽車充電站的出現(xiàn)，其對(duì)公用電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響不容忽視。
2、充電設(shè)備及其對(duì)電能質(zhì)量的影響
大型電動(dòng)汽車充電站供電系統(tǒng)。此類充電站的典型配置主要包括供電系統(tǒng)、充電設(shè)備、監(jiān)控安保系統(tǒng)、配套設(shè)施等。它對(duì)公用電網(wǎng)的影響主要分為兩方面：①在用電低谷期使用，可減少電網(wǎng)的峰谷差，提高配電系統(tǒng)利用率；②工作過(guò)程產(chǎn)生的大量諧波電流對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生污染，導(dǎo)致公用電網(wǎng)電能質(zhì)量下降、電網(wǎng)損耗增加及輸變電設(shè)備正常容量占用。
常見的電動(dòng)汽車充電設(shè)備按工作原理主要為以下三類：
①工頻變壓器+不控整流電路+斬波器。該類設(shè)備主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、電網(wǎng)側(cè)電流變化頻率低、直流側(cè)電壓紋波小；缺點(diǎn)是體積大、注入電網(wǎng)諧波電流大。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)該充電設(shè)備電流中嚴(yán)重時(shí)5次諧波電流含有率大于60%，7次諧波電流含有率大于40%，11、13次大于10%，總電流畸變率（THDi）將會(huì)超過(guò)80%。
②不控整流設(shè)備+DC/DC變換器。這種充電設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是體積小、直流側(cè)電壓紋波小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)使用該類設(shè)備的電流總畸變率達(dá)30%，特別是5，7，11，13等奇次諧波遠(yuǎn)超出相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
③PWM整流設(shè)備+DC/DC變換器。該類充電設(shè)備由三相PWM整流電路和隔離DC/DC變換器組成。整流側(cè)采用PWM整流技術(shù)，具有功率因數(shù)高、電流總畸變率低、裝置體積小、動(dòng)態(tài)性能好、輸出紋波低、變換效率高等特點(diǎn)，使用時(shí)不需要配套安裝專門的諧波治理裝置，但目前高昂的價(jià)格限制了其有效推廣。
3、無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理方法
目前，第二類充電設(shè)備應(yīng)用較廣泛，該類設(shè)備基波相移無(wú)功需量一般不大但諧波含量較高，傳統(tǒng)電容補(bǔ)償柜無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，必須配置專門的無(wú)功補(bǔ)償與濾波設(shè)備滿足功率因數(shù)及電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的要求。適用于高諧波條件下的無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理設(shè)備以無(wú)源型靜止式補(bǔ)償及濾波設(shè)備和有源型電力濾波補(bǔ)償設(shè)備為代表，下面分別對(duì)兩者的基本原理及特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
3.1 無(wú)源型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與濾波技術(shù)
靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator簡(jiǎn)稱SVC）中靜止兩個(gè)字與同步調(diào)相機(jī)旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議將SVC基本結(jié)構(gòu)定義為7個(gè)子類，實(shí)際多為基于基本子類的復(fù)合應(yīng)用。大型充電站供電系統(tǒng)具有諧波含量高、基波無(wú)功需量相對(duì)較小的特點(diǎn)，采用基于晶閘管投切的LC調(diào)諧濾波補(bǔ)償分支（TSF）與晶閘管控制磁閥電抗器（MCR）組成的復(fù)合系統(tǒng)可基本滿足要求。該系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、設(shè)計(jì)成熟，MCR與各濾波分支的協(xié)調(diào)控制可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償容量的分級(jí)平滑調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。
3.2 電力有源濾波補(bǔ)償技術(shù)上節(jié)提出的TSF+MCR組合系統(tǒng)可對(duì)充電站充電設(shè)備起到有效的濾波補(bǔ)償作用，但其損耗大、參數(shù)易變、不能動(dòng)態(tài)主動(dòng)抑制諧波，對(duì)器件參數(shù)穩(wěn)定性要求很高，對(duì)控制及保護(hù)系統(tǒng)的要求很高。能動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置有源電力濾波器（APF）已成為研究熱點(diǎn)并逐步進(jìn)入實(shí)用化。APF構(gòu)成如圖4所示，基本原理是通過(guò)系統(tǒng)電流檢測(cè)運(yùn)算獲得諧波補(bǔ)償指令信號(hào)，根據(jù)指令信號(hào)通過(guò)控制PWM變流器產(chǎn)生與系統(tǒng)諧波電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流進(jìn)行抵消，從而達(dá)到消除諧波、補(bǔ)償無(wú)功的作用?？筛爬橹噶铍娏鬟\(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路，后者由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路構(gòu)成。
4、大型充電站有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)這里以瞬時(shí)空間電壓矢量定位的改進(jìn)型ip-iq檢測(cè)算法、基于瞬時(shí)電流直接控制的PWM電流跟蹤算法為基礎(chǔ)，以32位高性能DSP作為其主控制芯片，提出一套單DSP實(shí)現(xiàn)的完整的有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)方法。與基于傳統(tǒng)算法的多DSP結(jié)構(gòu)及單DSP+FPGA結(jié)構(gòu)相比具有控制部分硬件電路更簡(jiǎn)潔、補(bǔ)償濾波精度更高的優(yōu)點(diǎn)。
4.1 主電路設(shè)計(jì)
交流側(cè)充電電阻Ra，Rb，Rc用于APF開機(jī)啟動(dòng)限流；整流逆變橋中VT1～VT6選用IGBT管，安裝RC緩沖電路用于抑制過(guò)壓、過(guò)流沖擊；直流側(cè)選用C1，C2鋁電解電容器做儲(chǔ)能元件，并聯(lián)RC1，RC2為均壓電阻；Rd1～Rd3及LD1構(gòu)成帶電指示電路，以防操作人員誤觸電；輸出電流及直流側(cè)電壓采用相應(yīng)霍爾型電流、電壓互感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)變送；Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c，F(xiàn)p，F(xiàn)n選用快速熔斷器對(duì)內(nèi)部及外部短路故障實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)；ea，eb，ec可選用普通工頻電壓互感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)側(cè)電壓的信號(hào)變送。
4.2 主控單元設(shè)計(jì)
有源電力濾波裝置核心處理器采用32位高性能DSP芯片TMS320F2811。主控單元硬件資源配置主要有：使用DSP片上高速A/D外設(shè)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相負(fù)載側(cè)電流、三相補(bǔ)償輸出電流、三相電源側(cè)電壓及直流側(cè)電壓共10路模擬量信號(hào)采集；使用DSP芯片兩個(gè)事件管理器EVA，EVB控制的6路PWM控制輸出經(jīng)閉鎖邏輯電路，光電隔離電路驅(qū)動(dòng)變換電路后用以直接控制逆變橋中的6個(gè)IGBT管；使用DSP芯片24路可編程開關(guān)量輸入輸出接口擴(kuò)展操作鍵盤、LED運(yùn)行狀態(tài)指示、LC液晶顯示、日歷時(shí)鐘、512 kb串行EEPROM；使用DSP片上通訊接口配接相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)CAN通訊接口、RS-232通訊接口、RS-422/485通訊接口。該主控系統(tǒng)采用單DSP芯片設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、功能完善，在控制精度、補(bǔ)償效果方面能達(dá)到優(yōu)于傳統(tǒng)方法的效果。
4.3 控制軟件流程
軟件設(shè)計(jì)方面采用Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境，主要程序設(shè)計(jì)可劃分為以下幾個(gè)功能模塊：①主程序：主要完成系統(tǒng)初始化、鍵盤管理LCD顯示驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析等；②定時(shí)器中斷服務(wù)子程序：中斷周期為100μs，實(shí)現(xiàn)10路模擬量信號(hào)快速采樣、坐標(biāo)變換、糾錯(cuò)處理、執(zhí)行瞬時(shí)空間電壓矢量定位的ip-iq算法生成補(bǔ)償指令、執(zhí)行基于瞬時(shí)電流控制的新型PWM電流跟蹤算法生成PWM控制指令。
5、仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，根據(jù)大型充電站充電設(shè)備典型配置及設(shè)計(jì)參數(shù)搭建基于Matlab/Simubbbb的仿真電路。負(fù)載采用三相整流電路帶直流側(cè)濾波電路模擬充電設(shè)備，Rc為充電設(shè)備等效阻抗。
5.1 仿真參數(shù)及說(shuō)明
設(shè)充電設(shè)備相電壓有效值為220 V，充電設(shè)備功率100 kW，假定供電系統(tǒng)為無(wú)限大容量系統(tǒng)。具體參數(shù)設(shè)定為：充電機(jī)模擬負(fù)載參數(shù)：Rc=2Ω，Cf=3 300μF，Lf=3 mH；DSP采樣頻率為10 kHz；直流側(cè)電壓指令值Udc*=1 kV；APF輸出支路電抗器電感值L=1 mH。
5.2 仿真結(jié)果及結(jié)論
根據(jù)以上仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到濾波前后電流波形比較，如圖1a所示。對(duì)補(bǔ)償后電源側(cè)電流進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖1b所示。由此仿真結(jié)果可見，采用這里設(shè)計(jì)的APF對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償后，電源側(cè)電流的畸變率已達(dá)到并優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 仿真結(jié)果
6、結(jié)論
有效的補(bǔ)償與諧波抑制是大型電動(dòng)汽車充電站建設(shè)過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵問題，這里提出的有源電力濾波補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)方法為解決此問題提供了一套完整方案，仿真結(jié)果驗(yàn)證了其有效性。
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