劉凌燕 鞠 非

(常州供電公司，江蘇 常州 213022)

基于充電設(shè)施型諧波補(bǔ)償?shù)难芯考皯?yīng)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(shè)施工作產(chǎn)生的諧波分析及仿真，得出采用基于SPWM脈寬調(diào)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(shè)施諧波補(bǔ)償?shù)母呔瓤刂七M(jìn)行驗(yàn)證，有效檢測抵消充電設(shè)施引起的諧波，實(shí)現(xiàn)對充電設(shè)施諧波污染的治理，提升電能質(zhì)量。

充電設(shè)施；諧波；電動(dòng)汽車；電能質(zhì)量

隨著電動(dòng)汽車充電設(shè)施在電力系統(tǒng)中的規(guī)模化使用，由于充電具有隨機(jī)性和間歇性，當(dāng)其快速發(fā)展并大規(guī)模接入電網(wǎng)充電時(shí)，會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生不可忽略的影響?？紤]充電設(shè)施工作特性具有典型的非線性負(fù)載特性，能夠產(chǎn)生極大的諧波電流，且頻譜分布范圍廣，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全可靠性，為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，最大限度發(fā)揮電網(wǎng)資產(chǎn)的效益，方便充換電設(shè)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(shí)檢測與自適應(yīng)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(shí)現(xiàn)裝置對充電設(shè)施諧波補(bǔ)償?shù)母呔瓤刂疲行z測抵消充電設(shè)施引起的諧波，最大限度地降低高次諧波對電網(wǎng)的污染，提升電能質(zhì)量。

1 原 理

由于充電設(shè)施多為電力電子構(gòu)成的電源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類較多，對電網(wǎng)的影響各不相同，充電設(shè)施歸納起來主流類型多為輸入整流，故原理分析上設(shè)計(jì)基于AC-DC整理應(yīng)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(wǎng)封閉式能量回饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以解決設(shè)備運(yùn)行、檢測環(huán)節(jié)中存在多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的問題。其構(gòu)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(shè)備輸入側(cè)通過PWM整流從電網(wǎng)側(cè)吸收基波功率轉(zhuǎn)化為直流電能，諧波逆變側(cè)通過時(shí)檢測負(fù)荷側(cè)諧波，把直流電能轉(zhuǎn)化為諧波能量注入到電網(wǎng)側(cè)，實(shí)現(xiàn)對充負(fù)荷諧波的補(bǔ)償；當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，能量在閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)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(shè)備成本，減少了設(shè)備體積，同時(shí)在大功率負(fù)荷補(bǔ)償狀態(tài)下基本不會(huì)對配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓造成影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，指令電流的跟蹤采用SPWM脈寬調(diào)制閉環(huán)控制技術(shù)，其輸出為與調(diào)制正弦波等效的按正弦規(guī)律變換的一系列脈沖，經(jīng)電壓放大驅(qū)動(dòng)主電路功率開關(guān)管，將SPWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)及主電路的電壓增益用Kw表示。

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

式中Ujo——逆變橋的輸出電壓；Uc——脈寬調(diào)制器的控制電壓。

將上式按泰勒級數(shù)展開：

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

從簡化后的傳遞函數(shù)看，逆變橋電路相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PWM整流逆變橋電路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

為使輸出電流跟隨指令電流，引入電流負(fù)反饋，根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，可以得到電流閉環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 電流閉環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

圖中，I*(s)為輸入信號，電網(wǎng)電壓Ej(s)為擾動(dòng)信號，Ij(s)為輸出信號，kf為電流反饋系數(shù)，通過需要模擬的負(fù)載特性，給定電流指令I(lǐng)*(s)，系統(tǒng)經(jīng)過電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

2 仿真模型和分析

本文針對目前用電負(fù)荷中占比較大且具有代表性的典型充電設(shè)施負(fù)載為重點(diǎn)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(bǔ)償發(fā)生器和充電設(shè)施，為了簡化模型，只對其中a相電流進(jìn)行仿真。對充電設(shè)施工作電流進(jìn)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(fù)現(xiàn)充電設(shè)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(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模擬變頻空調(diào)電流波形

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

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述理論分析與仿真，制作了一臺樣機(jī)，驗(yàn)證控制方案的可行性，充電設(shè)施采用含有諧波的負(fù)荷等他代替，其實(shí)驗(yàn)輸出波形如圖6所示。

從圖6可以看到，當(dāng)充電設(shè)施工作時(shí)，諧波補(bǔ)償控制器通過對充電設(shè)施負(fù)荷的電流波形進(jìn)行跟蹤，給出控制指令，使諧波補(bǔ)償器輸出與充電設(shè)施反向的諧波；當(dāng)充電設(shè)施停止工作時(shí)，諧波補(bǔ)償器同時(shí)停止補(bǔ)償，然后維持輸出基波，此處基波的作用是提升補(bǔ)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(wǎng)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(bǔ)償輸出電流波形

4 結(jié) 語

通過對充電設(shè)施產(chǎn)生的諧波進(jìn)行研究，得出對其進(jìn)行補(bǔ)償控制的方法，即SPWM脈寬調(diào)制閉環(huán)指令電流的跟蹤控制技術(shù)，通過仿真模型及裝置的理論分析和實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了該方案的可行性，可實(shí)現(xiàn)對充電設(shè)施諧波補(bǔ)償?shù)母呔瓤刂?，有效檢測抵消充電設(shè)施引起的諧波，實(shí)現(xiàn)對充電設(shè)施諧波污染的治理，提升電能質(zhì)量。

[1] 張一中，寧元中，朱永華.電力諧波[M].成都：成都科技大學(xué)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(zhì)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