配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理型多功能電動汽車充電站研究

趙賀雍,朱大為

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理型多功能電動汽車充電站研究

趙賀雍,朱大為

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

為解決傳統(tǒng)充電站在給電動汽車充電時所造成的配電網(wǎng)諧波污染及影響配電變壓器絕緣壽命的問題,提出具有配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理的多功能電動汽車充電站(Electric Vehicle Charging Station,EVCS)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),給出了EVCS的并網(wǎng)電流參考值算法和基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制方法。通過搭建50 kW的仿真實驗系統(tǒng)驗證了具有配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理的多功能EVCS 不僅能滿足電動汽車的充電需求,而且便于分布電源(Distributed Generation,DG)的靈活接入,并確保交流配電網(wǎng)高效運行。

電動汽車;分布式電源;無功補(bǔ)償;諧波抑制

隨著環(huán)境壓力的增大及化石燃料的枯竭,能源的清潔高效利用已成為世界各國研究的熱點[1]。電動汽車(Electric Vehicle,EV)以電代油,實現(xiàn)了低排放和低噪音,是一種應(yīng)對環(huán)境污染和汽車能源消耗的有效方案。由于三相負(fù)荷不平衡和非線性負(fù)荷的存在,配電網(wǎng)往往呈現(xiàn)出高電流畸變率和低功率因數(shù)的特點。隨著電動汽車的推廣,未來居民小區(qū)中都將配備電動汽車充電站 (Electric Vehicle Charging Station,EVCS)。然而,傳統(tǒng)充電站在EV充電時所造成的配電網(wǎng)諧波污染及對配電變壓器絕緣壽命的影響等問題日益嚴(yán)重[2],進(jìn)一步加劇了配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題。為解決這一問題,已有學(xué)者提出了增加充電站換流器相數(shù)、加裝無功及濾波裝置等解決方法[3],但這些方法將使充電器體積增大,成本增高。本文在考慮到三相EVCS的主電路結(jié)構(gòu)與有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)主電路結(jié)構(gòu)的一致性基礎(chǔ)上,結(jié)合APF結(jié)構(gòu)與功能對EVCS進(jìn)行了優(yōu)化與調(diào)整,形成兼顧電動汽車充電和有源濾波功能的具有電能質(zhì)量治理作用的EVCS,滿足了電動汽車充電,也便于了DG并入直流并網(wǎng),突出了節(jié)能優(yōu)勢[4-5]。

圖1 電動電動汽車充電站結(jié)構(gòu)圖

1 EVCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相三線制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不能為零序電流提供流通路徑,無法補(bǔ)償交流配電網(wǎng)中的零序電流分量[6],而三相四橋臂結(jié)構(gòu)能夠為零序電流分量提供流通路徑,既能補(bǔ)償系統(tǒng)正序和負(fù)序分量,又能消除零序電流分量,因而充電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選為三相四線制結(jié)構(gòu)。兩種常用的三相四線制結(jié)構(gòu)為電容中點型和四橋臂型。電容中點型三相四橋臂結(jié)構(gòu)是將三相負(fù)載的中性點連接至三相換流器的直流側(cè)電容中點,零序電流只流經(jīng)直流側(cè)的一個電容而回到交流配電網(wǎng)中性線上,具有直流電壓利用率低和需對分裂電容進(jìn)行平衡控制的缺點,常用于小容量系統(tǒng)中[7]。三相四橋臂型結(jié)構(gòu)較適應(yīng)于EVCS的結(jié)構(gòu)和功能要求,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

EVCS通過10/0.4 kV變壓器從交流電網(wǎng)獲取電能,經(jīng)過三相四橋臂型EVCS后,實現(xiàn)AC/DC的轉(zhuǎn)換。EVCS的4個橋臂分別與配電網(wǎng)的U相、V相、W相和中性線相連?；诮y(tǒng)一控制的前3個橋臂主要對配電網(wǎng)中正序和負(fù)序諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償,第4個橋臂單獨控制并主要補(bǔ)償零序電流分量。為濾除EVCS并網(wǎng)電流中因開關(guān)動作所引起的高頻諧波分量,在公共連接點(PCC)和EVCS之間并聯(lián)了LC濾波器進(jìn)行濾波。DG和EV分別以電流源和等效電阻的形式接入EVCS直流側(cè)。

2 EVCS基本原理及并網(wǎng)參考電流算法

2.1 EVCS基本運行原理

參考深圳市標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件中有關(guān)電動汽車充電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范,在含有EVCS的系統(tǒng)中應(yīng)進(jìn)行無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化配置,保證在最大負(fù)荷運行時變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95。因此,根據(jù)功率平衡原則,為實現(xiàn)EVCS并網(wǎng)運行后交流配電變壓器低壓側(cè)保持三相電流為正序基波對稱和功率因數(shù)為1的特點,EVCS從交流配電網(wǎng)獲取的三相電流必須對稱并與電網(wǎng)電壓保持同相位,而且EVCS必須提供交流配電網(wǎng)中三相負(fù)荷所需的無功和諧波功率。EVCS簡化圖如圖2所示。

圖2 EVCS系統(tǒng)簡化圖

由基爾霍夫電流定律(KCL)可得PCC點處電流方程為

is=il-ie

因交流負(fù)荷電流中包含基波有功電流分量ip、基波無功電流分量iq和諧波電流分量ih,即

il=ip+iq+ih

為實現(xiàn)控制要求,當(dāng)EVCS并網(wǎng)時,電流滿足

ie=iq+ih

則可實現(xiàn)is=ip,使配電變壓器低壓側(cè)三相電流為純有功電流而不受負(fù)荷電流中諧波和無功電流分量的影響。但上式并不能確保變壓器三相電流平衡,尤其是交流負(fù)荷各相有功功率差異較大將導(dǎo)致變壓器低壓側(cè)三相電流幅值存在顯著差異,對電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的安全運行都將產(chǎn)生不利影響。為確保變壓器三相電流平衡,必須使變壓器三相平均分擔(dān)交流負(fù)荷總有功功率Plavg和EVCS總有功消耗Pe,即

(1)

式(1)在不計電網(wǎng)電壓畸變與不平衡時可使電網(wǎng)側(cè)三相有功電流幅值相等。通過鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)獲得電網(wǎng)各相電壓相角,可使變壓器各相電流相角與電壓相角保持相等,最終實現(xiàn)EVCS并網(wǎng)后變壓器帶三相非線性不平衡負(fù)荷時仍能保持三相電流對稱且整功率因數(shù)運行,有效降低因變壓器電流不對稱所引起的附加損耗,提高電網(wǎng)運行效率。

2.2 EVCS并網(wǎng)電流參考值算法

為實現(xiàn)在電動汽車充電時保證變壓器三相電流平衡且整功率因數(shù)運行,快速、準(zhǔn)確地檢測出負(fù)荷電流中的待補(bǔ)償分量并生成EVCS并網(wǎng)電流參考值是一項關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)VSC參考電流算法如圖3所示。該方法涉及多次αβ或dq變換,運算和控制復(fù)雜,應(yīng)用成本高。本文采用基于能量平衡的時域補(bǔ)償電流算法,其控制算法簡單,應(yīng)用成本相對較低。EVCS參考電流算法結(jié)構(gòu)框如圖4所示。

在配電網(wǎng)三相電壓嚴(yán)重畸變時,為得到精確的參考電流值,應(yīng)采用瞬時對稱分量法從三相不對稱電壓中分離出三相正序基波電壓分量后再進(jìn)行計算。為簡化計算,在合理考慮電網(wǎng)規(guī)劃和負(fù)荷分配條件下變壓器三相電壓畸變率和不平衡度較低情況后,近似認(rèn)為變壓器三相電壓保持對稱,且僅含基波正序分量。設(shè)θa、θb、θc分別為vpa、vpb、vpc的相角,則EVCS并網(wǎng)電流參考值計算如下:

設(shè)PD為DG總功率;Pd為直流側(cè)負(fù)荷功率,直流網(wǎng)通過EVCS從交流網(wǎng)吸收的有功為Pe,則

Pe=Pd-PD

當(dāng)Pe< 0時,DG發(fā)電功率大于直流負(fù)荷功率,有功功率由直流網(wǎng)流向交流網(wǎng);當(dāng)Pe> 0時,DG發(fā)電功率小于直流負(fù)荷功率,有功功率由交流網(wǎng)流向直流網(wǎng);當(dāng)Pe=0時,DG發(fā)電功率等于直流負(fù)荷功率,交直流網(wǎng)之間無有功流動。在任何情況下,EVCS都兼具有源電力濾波器的功能,可對交流配電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償、諧波抑制及平衡三相不平衡交流負(fù)荷的作用。

直流電網(wǎng)的基本控制要求是控制網(wǎng)絡(luò)中直流電壓維持穩(wěn)定和直流功率保持平衡。與交流系統(tǒng)中功率平衡的指標(biāo)和系統(tǒng)頻率相類似,直流系統(tǒng)中功率平衡的指標(biāo)為直流電壓。當(dāng)功率不足時,直流電壓將減小,即UdUdref,此時應(yīng)控制EVCS配合交流網(wǎng)并根據(jù)負(fù)荷需求將直流側(cè)多余能量注入交流電網(wǎng)。綜合EVCS的規(guī)模和EV充電電壓,本文EVCS直流側(cè)輸出電壓參考值Udref選取750 V,其控制方程為

式中:Kp、Ki分別為PI控制器比例增益和積分增益。

圖3 傳統(tǒng)VSC參考電流算法框圖

圖4 參考電流算法結(jié)構(gòu)框圖

3 EVCS控制系統(tǒng)設(shè)計

在三相靜止坐標(biāo)系(abc)下,EVCS的數(shù)學(xué)模型中交流側(cè)各量均體現(xiàn)為時變量,且有功功率與無功功率不獨立,不利于控制系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)瞬時無功理論,兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)下EVCS的有功功率P和無功功率Q分別與電流的q軸分量iq和d軸分量id呈線性比例關(guān)系,通過調(diào)節(jié)id和iq可獨立控制EVCS的有功功率和無功功率,實現(xiàn)P和Q的解耦控制[8-9]。因此,在dq坐標(biāo)下將EVCS的前3個橋臂作為整體以實現(xiàn)PQ解耦控制,第4個橋臂單獨控制,并采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制方式以實現(xiàn)EVCS直流側(cè)電壓Ud和并網(wǎng)電流ie的準(zhǔn)確跟蹤。由于EVCS并網(wǎng)運行時,前端的LC濾波器中電容C取值較小,因此可忽略電容電流對EVCS控制的影響,分析EVCS工作狀態(tài)時可將LC近似等效為L以簡化分析[10-11]。兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(dq)下,EVCS前3個橋臂滿足的計算式為

(2)

由式(2)看出,EVCS的d、q軸方程間存在交叉項,相互耦合。因此,采用前饋解耦控制策略[8]以消除耦合使d、q軸之間相互獨立,其解耦后的控制方程為

式中:Upd、Uqd、Uod、Uoq、ied、ieq分別表示PCC點處電壓Up、EVCS交流側(cè)輸出電壓Uo和并網(wǎng)電流ie的d軸和q軸分量;KiI、KiP分別為電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益。

圖5 EVCS控制系統(tǒng)框圖

4 仿真實驗

為驗證EVCS在EV充電和交流網(wǎng)電能質(zhì)量治理方面的可行性,在PSIM中搭建了50 kW的仿真實驗系統(tǒng),其中交流三相非線性不平衡負(fù)荷總功率為19 kW,直流側(cè)負(fù)荷功率為31 kW,DG發(fā)電功率為18 kW。分別在DG離網(wǎng)和DG并網(wǎng)發(fā)電兩種情況下進(jìn)行仿真,并考慮EV或其他直流負(fù)荷投入所造成的EVCS直流側(cè)負(fù)荷變化時的系統(tǒng)運行狀態(tài)。

DG離網(wǎng)時,在t=0.1 s時EVCS并入電網(wǎng)并在t=0.14 s時使EV或直流負(fù)荷投入的系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示,此時變壓器提供整個系統(tǒng)所需的有功功率。由圖6可知,EVCS并網(wǎng)后能有效進(jìn)行交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量治理,0.1 s后變壓器低壓側(cè)出口各相電流諧波畸變率和各相電流不平衡度最大值分別小于3.4%和2.2%,各相功率因數(shù)均大于0.99。直流負(fù)荷投入后,EVCS直流電壓經(jīng)歷短暫的下降后,通過電壓外環(huán)控制實現(xiàn)了Ud的快速跟蹤,使Ud保持在參考值750 V附近。EVCS投入瞬間電壓下降幅值小于10 V,電壓偏小于1.3%;穩(wěn)定后變壓器中線電流小于1 A,能很好地滿足工程要求。

圖6 DG離網(wǎng)時仿真結(jié)果

在t=0.2 s時考慮DG并網(wǎng)發(fā)電,并在t=0.24 s時使DG功率增大35%的仿真結(jié)果如圖7所示。此時由變壓器和DG共同為整個系統(tǒng)中的負(fù)荷供電,故0.2 s后變壓器出低壓側(cè)電流較DG離網(wǎng)時有所減小。因DG在擾動后總發(fā)電功率有所增大,故0.24 s后變壓器出口端電流較0.24 s之前進(jìn)一步減小。

圖7 DG并網(wǎng)后仿真結(jié)果

由圖7可知,在考慮DG并網(wǎng)及發(fā)電功率增大瞬間,EVCS直流側(cè)電壓在經(jīng)歷了短暫的上升后,通過電壓外環(huán)控制可實現(xiàn)EVCS直流電壓快速穩(wěn)定在參考值750 V左右。EVCS投入瞬間電壓上升值小于6 V,電壓偏差率小于1%,穩(wěn)定后變壓器中性線電流仍小于1 A。因此,在DG并網(wǎng)時EVCS在為電動汽車提供可靠直流供電的同時,還具有交流配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理的功能,確保交流配電網(wǎng)安全運行,而且EVCS為DG采用經(jīng)濟(jì)靈活的直流并網(wǎng)提供了便利。

5 結(jié) 論

1) 提出的EVCS結(jié)構(gòu)在為電動汽車提供可靠直流供電的同時,還能起到交流配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理的作用,而且通過EVCS提供的直流母線可實現(xiàn)DG采用經(jīng)濟(jì)靈活的直流方式并網(wǎng)。

2) 在為EV充電方面,EVCS可確保直流配電網(wǎng)在DG離網(wǎng)/并網(wǎng)以及DG發(fā)電功率發(fā)生擾動時依然保持穩(wěn)定的直流輸出電壓。

3) 在交流網(wǎng)電能質(zhì)量治理方面,EVCS可實現(xiàn)交流配電網(wǎng)中變壓器低壓側(cè)電流不受負(fù)荷中諧波和無功電流的污染,確保變壓器三相電流對稱且整功率因數(shù)運行。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Study on multi-function electric vehicle charging station with power quality comprehensive governance for distribution system

ZHAO Heyong, ZHU Dawei

(Electrical Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin 132002,China)

In order to solve the problems brought by the traditional charging station for electric vehicles, such as distribution network harmonic pollution and the influence on insulation life cycle of distribution transformer when charging, this paper proposes the topology structure of the new multi-function Electric Vehicles Charging Station (EVCS) with functions of power quality improvement, put forwards the algorithm of EVCS reference current, also including the control strategy based on two-phase synchronous rotary coordinates. A 50 kW experimental simulation system is established as well to prove that the multi-functional EVCS with EV charging and AC distribution network power quality management can not only meet the needs of EV charging, but also make the DG access to power grids conveniently and ensure the efficient operation of the AC distribution network.

electric vehicles; distributed power supply; reactive power compensation; harmonic elimination

2015-01-03。

趙賀雍(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為電動汽車充電技術(shù)。

U469.72

A

2095-6843(2015)04-0304-05