劉 森 劉 丹 楊國(guó)清 郭曉蕊

（1.西安理工大學(xué)，西安 710048；2. 安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及居民對(duì)生活質(zhì)量要求的提高。社會(huì)上汽車保有量呈急劇增加趨勢(shì)，相關(guān)部門預(yù)計(jì)，到2011年底將達(dá)到7500萬(wàn)輛的規(guī)模。而汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然對(duì)能源問題提出挑戰(zhàn)。因此，面對(duì)著如此形勢(shì)，大力發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的新能源汽車就成為了汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。而完全使用二次能源—電能的純電動(dòng)汽車，因其優(yōu)越的節(jié)能和環(huán)保性能，在未來(lái)的汽車市場(chǎng)中，將擁有著廣闊的發(fā)展空間。

以電能作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車，需要通過充電機(jī)來(lái)補(bǔ)充電能。而采用電力電子技術(shù)的純電動(dòng)汽車充電機(jī)是一種高度非線性的用電設(shè)備，它的大規(guī)模使用，不可避免的會(huì)給電網(wǎng)造成污染。比如多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，產(chǎn)生的諧波、功率因數(shù)和無(wú)功功率問題，會(huì)對(duì)電網(wǎng)及其他用電設(shè)備產(chǎn)生巨大影響。因此，研究如何解決因汽車充電站接入，而引起的電網(wǎng)諧波增大、無(wú)功功率損耗增加等電能質(zhì)量問題，成為了汽車充電站建設(shè)面臨的重要問題[1,8]。

本文運(yùn)用 DIgSILENT仿真軟件搭建了汽車充電站的仿真模型，對(duì)汽車充電站接入供電網(wǎng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的諧波和無(wú)功功率產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，并且對(duì)靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）運(yùn)用在汽車充電站中對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率的補(bǔ)償作用進(jìn)行了仿真研究。

1 充電機(jī)的建模

電動(dòng)汽車充電機(jī)[4]主要有以下3種類型[2]：①由工頻變壓器、不控整流和斬波器組成；②由工頻變壓器、三相不控整流和高頻變壓器隔離DC/DC變換器組成；③由三相 PWM 整流和高頻變壓器隔離DC/DC變換器組成。目前電動(dòng)汽車充電機(jī)采用的是大功率高頻充電機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它是由三相橋式不可控整流電路對(duì)輸入三相交流電進(jìn)行整流，濾波后為高頻DC/DC功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經(jīng)過輸出濾波電路后，為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池充電。

圖1 高頻充電機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

由于蓄電池的充電過程所需時(shí)間很長(zhǎng)，則在一個(gè)至幾個(gè)工頻周期內(nèi)，都可以認(rèn)為充電機(jī)的輸出電流和輸出電壓是恒定的直流，即相當(dāng)于高頻功率變換電路工作于恒功率狀態(tài)。動(dòng)力蓄電池的充電過程是一個(gè)非線性的過程，用一個(gè)非線性電阻RC來(lái)近似模擬高頻功率變換電路的等效輸入阻抗。則電動(dòng)汽車的等效模型如圖2所示。

圖2 充電機(jī)等效模型

其中的非線性電阻RC可以近似表示為式（1）：

式中，UB為充電機(jī)輸出側(cè)電壓；η為充電機(jī)的充電效率；II為功率變換電路的輸入電流（A）。

根據(jù)實(shí)際記錄的充電池充電過程的數(shù)據(jù)，式（2）給出了充電機(jī)輸出功率的擬合曲線。

式中：t為時(shí)間，單位為分鐘；Pomax為最大輸出功率，單位為kW。

2 SVG的數(shù)學(xué)建模與工作原理

2.1 SVG的數(shù)學(xué)模型

SVG作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，由于采用了先進(jìn)的電力電子開關(guān)元件，從而可以快速調(diào)節(jié)交流電網(wǎng)的無(wú)功，具有反應(yīng)快速和調(diào)節(jié)平滑的特性[3]。圖 3給出了SVG的簡(jiǎn)化等值電路，其中，R代表逆變電路和鏈接電抗的有功損耗，VSC是一個(gè)三相的電壓源逆變器；L代表SVG的連接電抗器。

圖3 SVG等值電路原理圖

根據(jù)SVG的等值電路，可以列出SVG裝置的abc三相動(dòng)態(tài)方程。

利用經(jīng)典派克變換將式（3）中的abc三相電流進(jìn)行dq變換，可得到SVG的數(shù)學(xué)模型。

式中，id為dq坐標(biāo)下SVG輸出的有功電流；iq為dq坐標(biāo)下SVG輸出的無(wú)功電流；Udc為SVG直流側(cè)電壓；VS為SVG交流側(cè)電壓；W為dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率，與三相系統(tǒng)電壓角頻率相同；λ為逆變器調(diào)制比；δ為SVG輸出電壓和電網(wǎng)電壓之間的相角差。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于即

則由公式（4）可得穩(wěn)態(tài)時(shí)，SVG的輸出電流及電流側(cè)電容電壓表達(dá)式分別為

2.2 SVG的工作原理

SVG的電流控制包括無(wú)功補(bǔ)償電流和有功電流的控制[6]，無(wú)功補(bǔ)償電流控制用于產(chǎn)生所需的無(wú)功補(bǔ)償電流，有功電流控制用于補(bǔ)償有功損耗。SVG的控制器通常由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成，外環(huán)控制器主要通過一定的檢測(cè)方法產(chǎn)生無(wú)功補(bǔ)償電流的參考值，內(nèi)環(huán)控制器主要產(chǎn)生同步的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而在裝置的實(shí)際輸出電流和參考電流之間建立一種線性的關(guān)系。

其中SVG的控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。SVG將所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流參考值與SVG吸收的無(wú)功電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，得到前面公式（4）中，SVG輸出電壓與系統(tǒng)同步信號(hào)間的微小相位差δ。通過比例微分控制這一微小的相位差，就可以來(lái)調(diào)節(jié)輸出的無(wú)功電流。同時(shí)SVG將變換器直流側(cè)的電容電壓的參考值與SVG直流側(cè)實(shí)測(cè)的電容電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，得到直流側(cè)電壓的差值，同樣通過比例積分控制變換器的調(diào)制比，就可以來(lái)調(diào)節(jié)輸出的有功電流。而控制結(jié)構(gòu)中的內(nèi)環(huán)控制是通過滯環(huán)比較方式來(lái)產(chǎn)生同步的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)VSC中的功率開關(guān)器件，發(fā)出所需補(bǔ)償電流。

圖4 dq軸下的SVG控制結(jié)構(gòu)圖

下面我們通過一個(gè)算例，來(lái)對(duì)靜止無(wú)功發(fā)生器在純電動(dòng)汽車充電站中的應(yīng)用，進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3 算例分析

本文在本文的算例仿真系統(tǒng)中，充電站通過10/0.4kV變壓器連接到10kV的配電母線上；配置的充電機(jī)功率與臺(tái)數(shù)分別為：為大型車配置35kW充電機(jī)3臺(tái)，為中型車配置40kW充電機(jī)3臺(tái)，為小型車配置15kW充電機(jī)5臺(tái)；根據(jù)負(fù)荷的容量以及變壓器容量選擇原則選擇變壓器容量為400kW，采用Dyn11接線方式。仿真模型結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，模擬充電站對(duì)負(fù)荷進(jìn)行連續(xù)充電的全過程，持續(xù)時(shí)間為4.5h（時(shí)間間隔為0.1h）。

圖5 充電站仿真模型

3.1 未投入SVG

充電機(jī)在充電時(shí)，輸出功率的曲線特性，已由公式（2）給出。另外由于充電站中含有大量的電力電子元件，則在給電動(dòng)汽車充電的時(shí)候會(huì)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功功率、功率因數(shù)、電壓波動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響。在未采用SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)有充電站接入的配電網(wǎng)變化情況如圖6、圖7所示。

圖6 未投入SVG時(shí)0.4kV側(cè)電網(wǎng)情況

圖7 未投入SVG時(shí)10kV側(cè)電網(wǎng)情況

蓄電池的充電過程是一個(gè)非線性的過程，由圖6可以看出充電機(jī)充電時(shí)0.4kV側(cè)的電壓、有功功率、無(wú)功功率、相角在4.5h內(nèi)都有波動(dòng)，且在剛投入時(shí)與2.7h時(shí)都有突變的情況出現(xiàn)。由圖7可以看出充電站接入電網(wǎng)的公共接入點(diǎn)PCC處功率因素、有功功率、充電站電流、無(wú)功功率在4.5h的充電過程中的變化情況，由于無(wú)功需求，整個(gè)充電站功率因數(shù)最低時(shí)達(dá)到0.8。

3.2 投入SVG

為解決點(diǎn)動(dòng)汽車充電站接入電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，針對(duì)充電站對(duì)無(wú)功的需求，在0.4kV供電母線上并聯(lián)容量為0.4MVar的SVG。

加裝SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置后，由圖8可以看出，0.4kV側(cè)的電壓基本達(dá)到穩(wěn)定，且其無(wú)功功率得到有效改善。由圖9可以看出，10kV側(cè)的功率因素也接近于1保持在0.99周圍。

圖8 投入SVG后0.4kV側(cè)

圖9 投入SVG后10kV側(cè)

由仿真結(jié)果可以得出：通過投入合適容量的SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置，可以對(duì)由充電站接入而引起電網(wǎng)電壓、無(wú)功的變化起到良好的抑制作用，提高充電站整體的功率因數(shù)。

3.3 諧波分析

為解決從前面關(guān)于充電機(jī)和SVG的敘述中我們可知，由于充電站中含有大量的電力電子元件，則在給電動(dòng)汽車充電的時(shí)候會(huì)有大量的諧波涌入電網(wǎng)；而SVG同樣作為一種電力電子應(yīng)用裝置，也是一種新的諧波源，只有通過改變控制算法，以及直流側(cè)電容電壓來(lái)充當(dāng)有源電力濾波器時(shí)才可以對(duì)諧波起到很好的抑制作用。由圖10可以看出，加裝SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置后，由于SVG產(chǎn)生的諧波與充電機(jī)產(chǎn)生的諧波之間存在相互抵消現(xiàn)象，反而對(duì)充電站總諧波有所抑制。

圖10 投入SVG前后諧波對(duì)比

4 結(jié)論

本文充電站中由于蓄電池的充電特性，在蓄電池剛接入充電機(jī)和充電接近尾聲時(shí)都將會(huì)出現(xiàn)功率突變的情況，此時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響也是最大的。SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置作為一種新型的電力電子裝置，最大的優(yōu)點(diǎn)是它的無(wú)功補(bǔ)償不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，且對(duì)接入側(cè)無(wú)功和電壓變化情況反映迅速。從本文的仿真分析可以看出，充電站加載SVG后，充電站電壓和無(wú)功的突變都得到了有效抑制。

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