摘 要：提出一種基于兩電平變流器的多功能充電樁控制方法。采用PWM可控前端整流技術(shù)，讓充電樁具備基礎(chǔ)充電功能、反向電網(wǎng)無功補(bǔ)償功能以及當(dāng)電網(wǎng)停電或不具備供電能力時(shí)的逆變發(fā)電功能，實(shí)現(xiàn)充電樁的四象限運(yùn)行。相比傳統(tǒng)充電樁，其優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)向電網(wǎng)注入諧波，無功補(bǔ)償時(shí)可提高電網(wǎng)局部功率因數(shù)以及可充當(dāng)應(yīng)急三相電源變換器。通過仿真驗(yàn)證了多功能充電樁控制方法的可行性和正確性。

關(guān)鍵詞：充電樁；兩電平；四象限；無功補(bǔ)償；應(yīng)急電源

中圖分類號(hào)：TM461" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）14-0018-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.004

0" " 引言

隨著我國電動(dòng)汽車的發(fā)展，國內(nèi)的電動(dòng)汽車充電樁安裝數(shù)量越來越多，需求量呈直線上升趨勢[1-2]。未來小區(qū)和樓宇設(shè)計(jì)按照國家相關(guān)規(guī)定也必須配置充電樁裝置[3]，因此充電樁的需求和應(yīng)用前景十分廣闊。電動(dòng)汽車充電主要分為交流充電和直流充電兩種形式。直流充電樁作為常用充電樁，不需要電動(dòng)車自帶AD/DC或DC/DC功能即可直接充電，應(yīng)用十分廣泛。但目前的充電樁只具備充電功能，基本是專門為電動(dòng)汽車充電量身打造的[4-5]。

工業(yè)和民用小區(qū)常常存在一些非線性負(fù)載及一些大感性負(fù)載，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)無功缺口，使得功率因數(shù)降低，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，同時(shí)也降低了電網(wǎng)的電能輸送效率。包括很多充電樁在內(nèi)，由于采用不可控整流橋等變流設(shè)備，也會(huì)產(chǎn)生一定的諧波污染[6]。為了解決這個(gè)問題，需要就地對(duì)負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償，比如安裝APF、SVC、SVG等無功補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)，抑制諧波污染。

充電樁本質(zhì)上是基于電力電子技術(shù)的變流裝置，數(shù)量龐大的充電樁，如果僅僅用于充電，很可能造成資源浪費(fèi)，如能賦予充電樁更多的功能則可大大提高設(shè)備的利用率和應(yīng)用價(jià)值。基于此，提出了一種基于兩電平變流器的多功能充電樁，其同時(shí)具備充電、無功補(bǔ)償以及利用用戶電池逆變發(fā)電功能，能實(shí)現(xiàn)充電樁的四象限運(yùn)行。

1" " 充電樁的系統(tǒng)構(gòu)成

多功能充電樁的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1" " 主要功能單元介紹

圖1中，三相電網(wǎng)接口，用于充電樁接入電網(wǎng)；電抗器單元，用于輸出濾波作用；功率單元，作為全控整流和逆變橋；支撐電容，除了濾波作用之外，一般取容值較大，作為直流儲(chǔ)能單元；雙向DC/DC，實(shí)現(xiàn)直流母線和電動(dòng)車充電電壓的轉(zhuǎn)換匹配；充電接口，實(shí)現(xiàn)與充電目標(biāo)設(shè)備的對(duì)接、設(shè)備連接狀態(tài)檢測和電壓檢測匹配功能；控制器單元，負(fù)責(zé)充電控制、無功發(fā)出指令運(yùn)算和逆變發(fā)電控制。

1.2" " 充電接口

圖1所示的系統(tǒng)構(gòu)成中充電接口又細(xì)分為三個(gè)小部分，分別是：電壓傳感器LEM、接觸器開關(guān)單元和設(shè)備連接狀態(tài)檢測單元。其中電壓傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)充電目標(biāo)設(shè)備的直流電壓測量；接觸器開關(guān)實(shí)現(xiàn)閉合投入充電設(shè)備；設(shè)備連接狀態(tài)檢測，用于檢測目標(biāo)設(shè)備是否已經(jīng)連接充電樁。

1.3" " 傳感器和支撐電容

圖1中的電流傳感器，具體作用是測量必要的三相電流iA、iB和iC；電網(wǎng)和支撐電容的電壓傳感器LEM，作用是測量三相電網(wǎng)電壓eA、eB和eC以及支撐電容的直流電壓Udc。

2" " 充電樁的多功能說明

多功能充電樁的功能主要?dú)w納為四項(xiàng)，分別為：

1）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備充電功能；

2）功率單元采用PWM可控前端整流技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整支撐電容的電壓值，且不會(huì)向電網(wǎng)注入諧波；

3）通過給定無功指令，讓充電樁在給設(shè)備充電的同時(shí)，向電網(wǎng)注入一定的感性或容性無功，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償功能，以提高電網(wǎng)用電功率因數(shù)；

4）當(dāng)電網(wǎng)停電或不具備供電能力時(shí)，通過電動(dòng)汽車等設(shè)備接入充電樁，實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電功能。

3" " 充電樁的控制方法

3.1" " 功率模塊控制原理

多功能充電樁的核心模塊為功率單元，其控制原理框圖如圖2所示。

圖2中iq為發(fā)出無功功率電流給定，無功功率補(bǔ)償量的測量和估計(jì)主要依靠較成熟的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分離法實(shí)現(xiàn)。如果所測量和估計(jì)的補(bǔ)償量給定為三相坐標(biāo)系下的數(shù)值，則需要通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下補(bǔ)償量。圖2中，id是充電樁有功充電電流指令或發(fā)電電流指令，由充電或逆變瞬時(shí)功率需求決定。Udc為支撐電容電壓值，與給定電壓值Udc*作為PI控制器的輸入，只在充電和無功補(bǔ)償時(shí)加入控制器運(yùn)算；在充電樁作為逆變發(fā)電狀態(tài)時(shí)，支撐電容的電壓由雙向DC/DC控制，此時(shí)Udc的PI環(huán)節(jié)脫離控制器不參與運(yùn)算。

無功指令、有功指令和支撐電容電壓控制指令綜合后，通過坐標(biāo)反變換得到三相靜止坐標(biāo)系下的控制量，并作為功率單元控制內(nèi)環(huán)的輸入量，即內(nèi)環(huán)電流給定。內(nèi)環(huán)電流給定和測量反饋的實(shí)測三相電流取差值進(jìn)入PI控制器。PI控制器的輸出和三相電壓做差并取反后，再次進(jìn)行3/2坐標(biāo)變換，得到SVPWM參考電壓指令，并最終輸出控制脈沖。

四象限的能量流動(dòng)方向完全是依靠id、iq的給定值正負(fù)符號(hào)決定的。假設(shè)電流參考方向中從電網(wǎng)逆變器流向逆變器為正方向，則id為正代表充電模式，id為負(fù)代表發(fā)電模式；iq為正代表輸出感性無功，iq為負(fù)代表輸出容性無功。

3.2" " 控制選擇模式流程圖

控制選擇模式流程圖如圖3所示。

模式流程的目的是確定充電樁在充電、無功補(bǔ)償、發(fā)電功能之間的切換條件。充電樁的工作狀態(tài)主要可以概括為以下4種：充電、充電+無功補(bǔ)償、無功補(bǔ)償、發(fā)電。具體的判斷條件和狀態(tài)跳轉(zhuǎn)如圖3所示。

4" " 充電樁四象限工況驗(yàn)證

以Maltab軟件為工具，對(duì)多功能充電樁的空載整流、充電、充電+感性無功補(bǔ)償、充電+容性無功補(bǔ)償和發(fā)電工況進(jìn)行了模擬仿真，無功給定、有功給定、功率因數(shù)以及對(duì)應(yīng)電壓/電流波形如圖4所示。

仿真中，空載狀態(tài)：i_d、i_q給定為0 A，支撐電容電壓為U_dc=720 V；充電狀態(tài)：U_dc=720 V，充電有功電流i_d=14 A，無功給定為i_q=0 A，從圖4中可以看出，此時(shí)電流和電網(wǎng)電壓同相位；充電+感性無功補(bǔ)償狀態(tài)：U_dc=720 V，i_d=14 A，i_q=14 A，此時(shí)電流落后電網(wǎng)電壓相位；充電+容性無功補(bǔ)償狀態(tài)：U_dc=720 V，i_d=14 A，i_q=-14 A，電流超前電網(wǎng)電壓相位；發(fā)電狀態(tài)：U_dc=720 V，由雙向DC/DC控制，i_d=-14 A，i_q=0 A，電流和電網(wǎng)電壓相位相反。從三相電壓和電流波形可以看出，所設(shè)計(jì)的多功能充電樁出色地完成了充電、充電+補(bǔ)償、發(fā)電等多象限運(yùn)行，波形正弦度好，相位關(guān)系清晰，很好地驗(yàn)證了多功能充電樁的多功能特性。

5" " 結(jié)束語

本文提出了一種基于兩電平變流器的多功能充電樁控制方法，通過整流器有源前端PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)充電樁的多功能運(yùn)行。該多功能充電樁主要功能包括基本充電功能、向電網(wǎng)注入感性或容性電流的無功補(bǔ)償功能、應(yīng)急電源功能，其優(yōu)點(diǎn)在于：不會(huì)向電網(wǎng)注入諧波，無功補(bǔ)償時(shí)可提高電網(wǎng)局部功率因數(shù)，可充當(dāng)應(yīng)急三相電源變換器。通過仿真驗(yàn)證了多功能充電樁的可行性和正確性。

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收稿日期：2023-03-19

作者簡介：王珂（1985—），男，江蘇人，講師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。