充電樁諧波分析與仿真

葛笑寒

（1.河南省高校節(jié)能照明工程技術(shù)研究中心，河南 三門(mén)峽，472000；2.三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門(mén)峽，472000）

新能源汽車已成為汽車發(fā)展的主流，各種充電裝置應(yīng)運(yùn)而生。但充電設(shè)備的整流器屬于非線性設(shè)備，會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)造成諧波干擾［1］。因此建設(shè)充電設(shè)施時(shí)要考慮諧波裝置。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了復(fù)合控制系統(tǒng)效果較好，但控制運(yùn)算較為復(fù)雜。文獻(xiàn)［3］對(duì)三相整流式充電機(jī)，做了非線性電阻等效，提出諧波抑制的方法，適用于大功率應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］分析了充電站諧波電流特性，同時(shí)還給出了諧波的工程算法。文獻(xiàn)［5］研究了高頻充電機(jī)引起的充電站諧波。但目前該類充電機(jī)的使用數(shù)量較少，當(dāng)前，交流充電樁應(yīng)用廣泛，車載充電機(jī)的諧波也不容忽視。濾波器能夠根據(jù)負(fù)載靈活補(bǔ)償，能對(duì)諧波進(jìn)行有效的抑制。針對(duì)車載充電機(jī)，研究該裝置的諧波情況，將APFC電路用于充電裝置分析，最后用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 車載充電機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

充電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，充電樁輸入220 V交流電，經(jīng)過(guò)單相相不可控整流器或者全控橋整流，得到直流電，再經(jīng)過(guò)高頻變壓器隔離的直流變換器后，平滑濾波，最終將直流電能傳送給電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。在功率過(guò)程中，根據(jù)輸出電流、電壓、電池管理系統(tǒng)傳送的電池參數(shù)來(lái)控制電路輸入，經(jīng)過(guò)前端電路和集成芯片的處理，結(jié)合控制策略產(chǎn)生直流功率變換控制信號(hào)。

圖1 充電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組常使用“恒流恒壓”兩段式充電方式。剛開(kāi)始充電時(shí)，使用最優(yōu)的充電倍率進(jìn)行恒流充電，同時(shí)限制充電電流，這一階段的充電稱“恒流”充電。隨著充電的延續(xù)，電池端電壓不斷上升，當(dāng)電池電壓上升到最高充電電壓時(shí)，保持恒壓充電，這一階段是“恒壓”充電階段。當(dāng)然，充電過(guò)程必須有控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)和控制功能。

1.2 諧波分析

電動(dòng)車充電期間，可以使用RC回路等效高頻功率變換電路［6］。而RC的值也會(huì)隨著蓄電池的充電過(guò)程發(fā)生變化。因此將功率電路和蓄電池一起作為被控對(duì)象。但蓄電池變化非常復(fù)雜，是一個(gè)非線性系統(tǒng)。理想化之后，如圖2所示，相當(dāng)于大電容與小電阻的串聯(lián)，功率變換電路等效為電感。輸出電流的基波和諧波有效值和電源電壓，濾波電感及等效電阻R有關(guān)。隨著負(fù)載增加，諧波分量減??；濾波電感越大，諧波則越小。當(dāng)電源電壓、濾波電感和電容一定時(shí)，隨著功率的增加，RC越小，則諧波越大。

圖2 單相充電機(jī)模型

該電路輸出電流可以用以下公式表示［7］：

（k=1，2，3）

交流電網(wǎng)側(cè)電流正半周波形與輸出直流電流相同，而負(fù)半周關(guān)于橫坐標(biāo)對(duì)稱。電網(wǎng)側(cè)電流不含偶次諧波分量。對(duì)交流側(cè)電流進(jìn)行傅里葉分解，可得：

式（2）中：

電流的有效值為：

根據(jù)以上公式，可知道I1、I和In只和ωRC有關(guān)。即該值越大，交流側(cè)諧波分量越大，基波分量則越小，功率因數(shù)隨該值增加而減小。交流側(cè)只含有奇數(shù)次諧波，隨次數(shù)的升高，諧波含量減少。

2 諧波補(bǔ)償?shù)腁PFC電路

2.1 APFC電路結(jié)構(gòu)

無(wú)功補(bǔ)償常用多重化整流或者有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)，前者用于大功率領(lǐng)域。對(duì)于充電等小功率領(lǐng)域多用后者。車載充電機(jī)屬于小功率設(shè)備，故采用后者。濾波器的構(gòu)成如圖3所示，其原理是通過(guò)電流采集和運(yùn)算電路產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)控制整流橋的通斷。整流裝置將會(huì)產(chǎn)生和諧波電流反方向的電流，根據(jù)矢量合成原則，能夠降低諧波。其核心是指令控制和補(bǔ)償發(fā)生環(huán)節(jié)，后者主要由電流跟蹤電路、主電路和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

圖3 APFC電路結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用基于電壓和電流的雙閉環(huán)控制［8］，框架如圖4所示。其中電壓環(huán)為外環(huán)，采用PI調(diào)節(jié)器對(duì)直流電壓控制；電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，而PI控制器只含有常數(shù)和階躍函數(shù)，能對(duì)直流信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)差跟蹤，但是對(duì)高頻指令跟蹤存在著較大誤差，故采用PI控制的基礎(chǔ)上添加重復(fù)控制，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償電流的跟蹤控制。

圖4 諧波補(bǔ)償雙閉環(huán)控制框

其中：N=fs/fr，fs為采樣頻率，fr為基波頻率；K為控制器增益，可以調(diào)節(jié)穩(wěn)定性與響應(yīng)速度之間的矛盾；S（Z）用來(lái)校正低頻增益接近為1。Zk是對(duì)被控對(duì)象控制延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；而濾波器Q（Z）的選擇將影響重復(fù)控制器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3 仿真分析

對(duì)于車載充電機(jī)的諧波分析一般采用單相不可控橋。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，設(shè)電源電壓為220 V，50 Hz，分別為45和50，濾波電感1 mH，電容2.5 uF。對(duì)充電機(jī)的充電過(guò)程進(jìn)行諧波分析。充電開(kāi)始后，首先進(jìn)入恒流充電階段，負(fù)載電流逐步上升達(dá)到峰值；然后轉(zhuǎn)入恒壓充電階段。諧波補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流的波形圖見(jiàn)圖5。分析波形，發(fā)現(xiàn)恒流充電和恒壓充電階段，都存在較大諧波。采用濾波器后電流波形明顯改善。

圖5 諧波補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流的波形

在充電過(guò)程中，負(fù)載電流的畸變率也不斷變化。如圖6為恒流充電時(shí)諧波補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流的頻譜圖。在恒流充電階段，負(fù)載電流畸變率為33.93%。經(jīng)過(guò)諧波補(bǔ)償后，波形畸變率大大降低；圖7為恒壓充電時(shí)諧波補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流的頻譜圖，恒壓充電階段，諧波補(bǔ)償后，波形畸變率也顯著減小。從圖上也可以看出，諧波主要是奇次諧波，經(jīng)補(bǔ)償后大大減小了高次諧波。

圖6 恒流充電時(shí)諧波補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流的頻譜

圖7 恒壓充電時(shí)諧波補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流的頻譜

4 結(jié)語(yǔ)

單相交流充電樁應(yīng)用廣泛，對(duì)單相車載充電機(jī)進(jìn)行電路諧波分析，并采用一種單相濾波裝置進(jìn)行諧波抑制，利用Matlab建立仿真模型，分析各充電階段對(duì)電網(wǎng)側(cè)電流的影響。發(fā)現(xiàn)該充電過(guò)程主要是奇次諧波，且隨著充電的進(jìn)行，諧波逐漸增加。通過(guò)補(bǔ)償后，高次諧波大大減少，諧波畸變也得到明顯改善。