基于充電設施型諧波補償的研究及應用

劉凌燕 鞠 非

(常州供電公司，江蘇 常州 213022)

基于充電設施型諧波補償的研究及應用

劉凌燕 鞠 非

(常州供電公司，江蘇 常州 213022)

本文通過對充電設施工作產生的諧波分析及仿真，得出采用基于SPWM脈寬調制閉環(huán)指令電流的跟蹤控制方法，采用閉環(huán)能量回饋方案的裝置對充電設施諧波補償的高精度控制進行驗證，有效檢測抵消充電設施引起的諧波，實現對充電設施諧波污染的治理，提升電能質量。

充電設施；諧波；電動汽車；電能質量

隨著電動汽車充電設施在電力系統(tǒng)中的規(guī)?；褂?，由于充電具有隨機性和間歇性，當其快速發(fā)展并大規(guī)模接入電網充電時，會對電網產生不可忽略的影響。考慮充電設施工作特性具有典型的非線性負載特性，能夠產生極大的諧波電流，且頻譜分布范圍廣，嚴重影響電網的安全可靠性，為保證電網安全運行，最大限度發(fā)揮電網資產的效益，方便充換電設施接入和客戶充電，亟需開展針對性的研究。本文采用的基于瞬時檢測與自適應檢測的高精度諧波電流檢出法組合檢測方法，通過雙閉環(huán)控制，實現裝置對充電設施諧波補償的高精度控制，有效檢測抵消充電設施引起的諧波，最大限度地降低高次諧波對電網的污染，提升電能質量。

1 原 理

由于充電設施多為電力電子構成的電源，其拓撲結構種類較多，對電網的影響各不相同，充電設施歸納起來主流類型多為輸入整流，故原理分析上設計基于AC-DC整理應用的諧波治理控制模擬仿真系統(tǒng)的硬件方案、軟件方案和系統(tǒng)管理策略，本系統(tǒng)采用電網封閉式能量回饋拓撲結構，以解決設備運行、檢測環(huán)節(jié)中存在多個關鍵技術難點的問題。其構成包括基于PWM控制的交流整流、諧波發(fā)生逆變兩部分。主要功能為設備輸入側通過PWM整流從電網側吸收基波功率轉化為直流電能，諧波逆變側通過時檢測負荷側諧波，把直流電能轉化為諧波能量注入到電網側，實現對充負荷諧波的補償；當系統(tǒng)工作時，能量在閉環(huán)系統(tǒng)內部循環(huán)，系統(tǒng)只消耗能量循環(huán)過程中的損耗，與常規(guī)系統(tǒng)相比，大大降低了能量損耗及設備成本，減少了設備體積，同時在大功率負荷補償狀態(tài)下基本不會對配電網系統(tǒng)的電壓造成影響。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

在系統(tǒng)結構圖中，指令電流的跟蹤采用SPWM脈寬調制閉環(huán)控制技術，其輸出為與調制正弦波等效的按正弦規(guī)律變換的一系列脈沖，經電壓放大驅動主電路功率開關管，將SPWM脈寬調制驅動及主電路的電壓增益用Kw表示。

根據PWM整流逆變橋的工作原理，當SPWM脈寬調制器的控制電壓改變時，逆變橋路的輸出電壓要到下個周期方能改變，滯后時間τS與SPWM波形的載波周期Ts相等。因此，SPWM脈寬調制器和逆變橋路的傳遞函數可表示為

式中Ujo——逆變橋的輸出電壓；Uc——脈寬調制器的控制電壓。

將上式按泰勒級數展開：

本系統(tǒng)設計SPWM波形載波頻率100kHz，相應的載波周期為10μs，因而，可忽略高次項，上式可簡化為

從簡化后的傳遞函數看，逆變橋電路相當于一個慣性環(huán)節(jié)，其動態(tài)結構如圖2所示。

圖2 PWM整流逆變橋電路的動態(tài)結構

為使輸出電流跟隨指令電流，引入電流負反饋，根據各個環(huán)節(jié)的傳遞函數，可以得到電流閉環(huán)的動態(tài)結構，如圖3所示。

圖3 電流閉環(huán)的動態(tài)結構

圖中，I*(s)為輸入信號，電網電壓Ej(s)為擾動信號，Ij(s)為輸出信號，kf為電流反饋系數，通過需要模擬的負載特性，給定電流指令I*(s)，系統(tǒng)經過電流閉環(huán)實現精準控制。

2 仿真模型和分析

本文針對目前用電負荷中占比較大且具有代表性的典型充電設施負載為重點研究對象，其中大部分裝置是額定電壓為三相380V的交直型，其仿真系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 模擬變頻系統(tǒng)仿真模型

系統(tǒng)包括諧波補償發(fā)生器和充電設施，為了簡化模型，只對其中a相電流進行仿真。對充電設施工作電流進行采樣，采樣的電流變成控制指令給諧波發(fā)生器控制系統(tǒng)，諧波發(fā)生器通過控制復現充電設施的輸入電流波形。為了加快系統(tǒng)仿真速度，控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，仿真結構如圖5所示。

圖5 模擬變頻空調電流波形

通過仿真結果可以看到，上面波形為充電設施電流，下面波形為諧波補償發(fā)生器載輸出電流，兩波形基本一致，即諧波補償發(fā)生器可以較好地跟蹤控制，可實現對充電設施的諧波補償。

3 樣機實驗分析

根據上述理論分析與仿真，制作了一臺樣機，驗證控制方案的可行性，充電設施采用含有諧波的負荷等他代替，其實驗輸出波形如圖6所示。

從圖6可以看到，當充電設施工作時，諧波補償控制器通過對充電設施負荷的電流波形進行跟蹤，給出控制指令，使諧波補償器輸出與充電設施反向的諧波；當充電設施停止工作時，諧波補償器同時停止補償，然后維持輸出基波，此處基波的作用是提升補償器發(fā)出諧波的穩(wěn)定性，考慮輸入與輸出是能量閉環(huán)回饋，因此電網注入的主要是諧波和能量循環(huán)中損耗的基波。

圖6 諧波補償輸出電流波形

4 結 語

通過對充電設施產生的諧波進行研究，得出對其進行補償控制的方法，即SPWM脈寬調制閉環(huán)指令電流的跟蹤控制技術，通過仿真模型及裝置的理論分析和實際運行，驗證了該方案的可行性，可實現對充電設施諧波補償的高精度控制，有效檢測抵消充電設施引起的諧波，實現對充電設施諧波污染的治理，提升電能質量。

[1] 張一中，寧元中，朱永華.電力諧波[M].成都：成都科技大學出版社，1992.

[2] Joachim Holtz. PulseWidth modulation-A survey[J].IEEE Transactions on Industrial Eledronics，1992，VOI 39(5)：410-420.

[3] 肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004.

Research and Application of Harmonic Compensation Based on Charging Facilities

LIU Lingyan, JU Fei

(ChangzhouPowerSupplyCompany,Changzhou213022,China)

The tracking control method based on SPWM pulse width modulation closed-loop command current is obtained by harmonic analysis and simulation of charging facilities. The closed-loop energy feedback scheme is used to verify the high-precision control of the harmonic compensation of the charging facilities, which effectively detects and counteracts the harmonics caused by the charging facilities and realizes the control of the harmonic pollution of the charging facilities and improves the power quality.

charging facilities; harmonics; electric vehicles; power quality

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.019

TM910.6

A

1673-8241(2017)05- 0052- 04