电动汽车充电站谐波的分析与治理

电动汽车充电站谐波的分析与治理

0电动汽车充电站谐波治理的方法研究电动汽车节能环保，噪声低，效率高。此外，政策支持下，电动汽车快速发展。与此同时,为电动汽车供能的充电站数量也逐渐增长。但充电站中所包含的整流环节中含有非线性电力电子器件,使用过程中会给电网注入大量谐波,影响其电能质量。因此,加强对充电站谐波进行抑制刻不容缓。对于电动汽车充电站使用过程中所产生的谐波及其治理措施,国内外学者进行了一定程度的研究。文献本文在Matlab中搭建电动汽车充电机模型和含多台充电机的充电站模型,从充电过程原理上研究了单台充电机的谐波电流特征、含有多台充电机的充电站内谐波电流特征及对电网所造成的影响和危害,并根据谐波特性采用有源电力滤波器进行谐波抑制,提高电网电能质量,并通过仿真实例验证了所提治理措施的有效性。1电动汽车充电站的波形特性分析1.1不控回流环节如图1所示,电动汽车充电机在工作时的充电原理为:电网侧三相交流电经过三相不控整流环节变换成直流电,经过电感、电容滤波电路后输入到高频DC-DC功率变换器,经过等级变换后的直流电压作为电动汽车电池的供电电源。与交流电的周期相比,电动汽车充电时间较长其中,充电机DC/DC电路的输入电压用U1.2充电机谐波电流电动汽车充电站内通常有多辆车在同一时刻充电,为此多台充电机同时运行时的谐波特征需要研究。图2为电动汽车充电站内多台充电机同时工作时的连接框图。通过建模与仿真可得不同数量充电机同时工作时注入到电网的谐波电流含量统计数据,如表1所示。其中,充电机所产生的谐波中含有6k±1次谐波,谐波电流的含量随着谐波次数的升高而渐渐降低;当充电机数量渐渐增大时,谐波含有率THD渐渐降低,相应的各次谐波含量也逐渐降低。多个充电机运转时引起的谐波电流总和不等于单独一台充电机运转时的谐波含量与充电机数量之积,原因在于每台充电机所产生的谐波电流的相角相异,相互作用时谐波含量会抵消一部分。2apf接入系统APF对谐波进行抑制具有动态快速响应、效率高等优势,与LC无源滤波器相比,APF功能具有多样性,既可以补偿谐波,又可以补偿无功,可连续调节,并可对多个谐波源同时进行抑制或补偿,不易发生谐振。针对电动汽车充电站中存在的谐波问题,将APF用于其中,能够抑制充电机充电过程所引起的谐波对电网的安全稳定运行所带来的负面影响。APF接入系统包含串联型接入方式、并联型接入方式和混合型接入方式三种,使用最多的接入方式是并联型接入方式。并联方式APF和负荷接入电网,可当作电流源处理。APF接入充电站抑制谐波的连接原理图如图3所示,对电流进行检测的指令回路和对电流进行补偿的生成电路共同构成APF。对电流进行检测的指令回路主要负责提取负载电流中的谐波和无功成分。由于基波电流通常比谐波电流检测更为方便,故采用检测基波电流的方式来生成指令电流。电流补偿电路则根据制定的指令参考信号来控制各开关管的开关状态,生成相应的驱动脉冲,从而得到所需的电流。2.1负荷谐波成分的计算指令电流运算电路中采用瞬时无功功率理论对充电站负荷谐波成分进行计算。设e在α-β坐标系下,瞬时电流的有功部分和无功部分经过2/3变换即可得到各相电流的有功部分i在i2.2滞环控制策略将电流检测的指令回路计算的参考电流值和补偿电流值作差,送入到滞环比较控制器,经过滞环比较即可得到APF开关器件的脉冲信号,如图5所示。滞环控制的原理为:当参考电流值和补偿电流值之差超过一定范围,APF主电路中的开关器件便产生动作,使两者之差维持在滞环宽度内,即补偿电流值在开关信号的作用下可以维持在参考电流值的上下限范围内。在滞环控制策略中,环宽的设置尤为重要。环宽较大将会使开关器件的开关动作次数减小,产生较大误差;环宽较小使开关器件动作灵敏、频繁,增大开关损耗,因此需要选择合适的环宽以满足系统要求。在电动汽车充电站中接入APF进行谐波抑制的原理如下所示:电流检测的指令回路基于瞬时无功功率理论对充电机负载中的谐波成分进行检测,以得到参考补偿信号,输入到滞环控制器中进行检测计算,生成APF电路开关器件的脉冲控制方式,从而得出和充电机负载谐波含量大小相同、方向相反的补偿成分,使流向电网中的电流只含有基波成分,起到抑制谐波功能。3模拟建模与结果分析3.1c功率变换电路图6为采用APF抑制谐波的电动汽车充电站系统仿真模型。其中每台充电机包含三相桥不控整流和DC/DC功率变换环节。将每台充电机进行封装,并联接入,即可得到多台充电机同时工作时的充电模型,其中用等效电阻来代替电动汽车充电负载。三相电源设置为:三相电路线电压380V、频率50Hz,电动汽车充电机直流侧电压为300V;APF主电路参数设置为:开关器件采用IGBT,电容为0.5mF。3.2apf对电流波形失真的影响图7为电动汽车在充电站充电时未投入APF进行治理时电网侧A相电流波形,其余相电流波形与其类似。从中发现,充电设备整流环节中电力电子器件的非线性特征引起电网侧电流波形失真,含有大量谐波。由表2数据可知,电流总畸变率高达38.77%。图8为在充电站运行0.3s后投入APF进行谐波治理后的电网侧A相电流波形,发现经过APF抑制后的A相电流谐波含有率大幅降低,通过Matlab软件中FFT模块计算得到的电流总谐波含量仅为3.98%,符合谐波标准。其余不同数量的充电机在APF投入使用前后的谐波抑制效果与单台充电机的效果类似,在此不再赘述。4apf治理充电站谐波的可行性为了治理充电站引起的谐波问题,深入研究了充电站谐波产生机制,分析了谐波产生的特性,选取APF对充电过程中产生的谐波进行治理。得到如下结论:(1)充电机负载在运转时所引起的谐波成分中主要包括6k