基于靜止無功發(fā)生器的電動汽車充電站無功補償

姜建國 崔紀(jì)永 吳泓波

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

基于靜止無功發(fā)生器的電動汽車充電站無功補償

姜建國1崔紀(jì)永1吳泓波2

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

分析電動汽車充電站運行時產(chǎn)生的無功功率對電網(wǎng)及其他設(shè)備的影響。運用靜止無功發(fā)生器基于瞬時無功功率理論，對電動汽車充電站的充電系統(tǒng)進行無功補償。Simulink仿真結(jié)果證實了該方法的有效性。

無功補償 充電站 靜止無功發(fā)生器 瞬時無功功率

隨著化石能源的日益緊缺，我國開始鼓勵推廣節(jié)約能源的政策和開發(fā)清潔能源的政策[1,2]。電動汽車因其擁有節(jié)能清潔與高效快捷的特點，將成為未來交通工具的重要組成部分。電動汽車運行時將存儲在充電電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成運行所需的機械能。但是充電電池存儲的能量并不能滿足充電汽車長時間運行的需求。所以要大量并廣泛建設(shè)電動汽車充電站，尤其在人口聚居地必須建設(shè)大型電動汽車充電站。

電動汽車的充電設(shè)備在工作時需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。然而在大量的電力電子裝置投入使用時，電網(wǎng)會產(chǎn)生大量的諧波和無功功率。這會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和設(shè)備的安全造成嚴(yán)重威脅[3]。因此，提高電能質(zhì)量、保障電網(wǎng)安全運行成為電動汽車充電站必須要面對并解決的問題。

無功功率補償裝置的發(fā)展主要經(jīng)歷了投切電容、靜止無功補償器(SVC)和靜止無功發(fā)生器(SVG)3個階段[4,5]。隨著大功率開關(guān)器件的研制開發(fā)和控制技術(shù)的進步，更加高效的SVG逐漸受到電力運營部門的青睞。目前關(guān)于電動汽車的研究更多集中在提高充電速度和開發(fā)更大容量的電池方面[6]。但這些研究在實現(xiàn)時，也增加了對充電站電能質(zhì)量的要求。

現(xiàn)將SVG應(yīng)用于電動汽車充電站充電系統(tǒng)的無功功率補償，運用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制方法對SVG控制進行研究[7]。并用Simulink搭建電動汽車充電站模型，將接入電網(wǎng)的使用SVG進行無功功率補償?shù)碾妱悠嚦潆娬具M行仿真分析。

1 電動汽車充電站模型

電動汽車充電站中的設(shè)備主要包括：變壓裝置、濾波裝置、補償裝置、保護裝置、大量的充電設(shè)備和其他設(shè)備，其電氣接線如圖1所示。根據(jù)GB 50966-2014規(guī)定，普通充電設(shè)備的單相充電電壓應(yīng)為220V[8]。考慮到充電站建設(shè)對充電裕度和快充的需要，將主變壓器二次側(cè)母線的電壓等級設(shè)置為600V，并在充電樁內(nèi)添加自耦變壓器或集中降壓[4，9，10]滿足普通充電電動汽車的需求。

圖1 充電站電氣接線示意圖

采用PWM整流設(shè)備和DC/DC變換器的充電設(shè)備具有功率因數(shù)高、體積小及動態(tài)性能好等優(yōu)點[11]。但受限于一些因素還未被有效推廣應(yīng)用。在此對采用傳統(tǒng)不控整流器件的充電設(shè)備進行研究，其運行中的充電裝置結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 運行中的充電裝置結(jié)構(gòu)模型

2 SVG原理

2.1SVG的數(shù)學(xué)模型

作為理想的動態(tài)補償設(shè)備，SVG采用了全控型大功率開關(guān)器件[12]。圖3給出了SVG的簡化等值電路，其中L為電抗器等效電感，R為電抗器和線路的等效電阻，C為直流側(cè)電容器電容，uDC為直流側(cè)電壓，IPM是智能功率模塊。該模塊將全控型器件、驅(qū)動電路和故障檢測電路集成在一起，是一種理想的電力電子器件。

圖3 SVG數(shù)學(xué)模型

分析SVG等效電路圖可得到其對應(yīng)的輸出動態(tài)方程：

(1)

式中i*S——SVG每相產(chǎn)生的電流；

u*L——電抗器等效電感兩端的電壓。

根據(jù)直流交流側(cè)能量守恒，可將SVG轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系下的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型：

(2)

式中K——直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換為有功無功分量時的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

US——600V母線電壓；

δ——600V母線電壓與SVG輸出電壓相位差；

ω——旋轉(zhuǎn)角頻率。

穩(wěn)態(tài)下的SVG滿足：

(3)

可得穩(wěn)態(tài)下的功率關(guān)系：

(4)

2.2SVG工作原理

由于三相電路的功率之和是一定的，任何時刻三相電路的總功率都等于三相電路的總有功功率之和，三相電路的無功功率在三相電路之間循環(huán)，即等效為三相電路負(fù)載和電源之間沒有無功功率相互傳遞。SVG正是將三相各部分統(tǒng)一處理?？紤]到SVG的效率，此處采用常用的電壓型橋式整流電路，如圖4所示。

圖4 電壓型SVG基本結(jié)構(gòu)

理想的SVG是一個純無功負(fù)載，通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來控制各相電抗器接入電網(wǎng)的數(shù)量和方式，該功能類似于三相橋式整流電路，只不過SVG直流側(cè)是一個理想的無源負(fù)載[13]。當(dāng)對基波的無功進行補償時，通過控制開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)和導(dǎo)通角來實現(xiàn)對SVG開關(guān)器件和直流側(cè)負(fù)載的電壓控制。簡單工作原理如圖5所示。

圖5 計及損耗的SVG單相等效原理

在US和UI滿足同相位的情況下僅改變UI的幅值就可以改變UL的幅值，從而改變通過線路電流I的相位角和幅值。實際中電抗器和各相線路含有一定的電阻，使US與I產(chǎn)生一個很小的相角差δ，這樣在改變UI幅值的同時改變δ的大小，即可產(chǎn)生需要補償電流的幅值和相位。

3 實現(xiàn)與控制

SVG裝置的核心在于實現(xiàn)精確的控制，即實現(xiàn)滿足負(fù)載變化的完全補償。筆者的思路是利用瞬時無功電流檢測方法[14]對電流進行檢測，并在dq0坐標(biāo)系對電流進行變換，得到無功電流IQ；低通濾波得到直流無功。SVG直流側(cè)采樣信號進行PI調(diào)節(jié)，并視為SVG消耗的有功分量IpS。將IPS與IQS進行逆變換得到三相電流IF與檢測出的補償電流比較得到各相補償電流分量If；通過對補償電流分量If進行PI調(diào)節(jié)和限幅處理后生成對應(yīng)的PWM波來控制IPM的開關(guān)器件，進而動態(tài)地生成完全補償?shù)臒o功電流。具體控制原理如圖6所示。

圖6 SVG控制原理

4 Simulink仿真

由于充電站充電設(shè)備的容量不一，充電設(shè)備優(yōu)先采用直流輸出為10、20、50、100、200A的充電設(shè)備。仿真設(shè)計中使用10臺輸出直流為50A、5臺輸出為100A、兩臺輸出為200A的充電設(shè)備同時運行的情況進行研究。為了仿真中負(fù)載模型搭建方便，用一個充電設(shè)備通過等效計算代替上述充電設(shè)備，用對稱三相對稱阻感負(fù)載代替，并對該設(shè)備模型進行仿真分析。負(fù)載模型如圖7所示，電抗器內(nèi)阻Rf1為0.1Ω，充電電池內(nèi)阻Rf2為0.1Ω，電抗器電感Lf為30mH，直流側(cè)電容Cf為3 300μF，其他設(shè)備各相電阻RE為1kΩ，電感LE為0.1mH，給定Uref為1 460V。

圖7 負(fù)載模型

接入無功補償裝置前主回路一相的電壓對應(yīng)的電流波形如圖8所示，接入SVG之后三相補償電流波形如圖9所示，補償后的主回路的電流波形如圖10所示。

圖8 補償前主回路電壓對應(yīng)的電流波形

圖9 補償電流波形

圖10 補償后主回路電流波形

5 結(jié)論

5.1仿真結(jié)果證明，利用SVG能夠很好地對充電站系統(tǒng)進行無功補償，在仿真環(huán)境下充電系統(tǒng)得到了完全補償。

5.2實際中充電設(shè)備開始工作后的一段時間里系統(tǒng)有個啟動過程，為保護電路和充電電池的安全，仍需要進一步設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動。

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troller. Without system modeling, this method can online adjust system’s PID parameters at real time. The simulation analysis shows that the system adopted this proposed method has a fast response speed and good robustness and wider application range; and it can make the motor achieve good control performance and tracking precision and its control effect outperforms traditional methods concerned.

Keywordspower balance, dynamic linearization, model-free adaptive control, PID

ReactiveCompensationofElectricVehicleChargingStationBasedonStaticVarGenerator

JIANG Jian-guo1, CUI Ji-yong1, WU Hong-bo2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daching163318,China;2 .CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Through having reactive power’s influence on both power grid and other devices produced by normally-operated EV charging station analyzed, the theory of static var generator basing on the instantaneous reactive power was applied to implement reactive compensation of EV charging station. Simulation with Simulink software proves effectiveness of this method.

reactive compensation, charging station, static var generator, instantaneous reactive power

TH89

A

1000-3932(2016)03-0313-04

2015-12-30(修改稿)