基于靜止無功發生器的電動汽車充電站無功補償

姜建國 崔紀永 吳泓波

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.上海海洋大學工程學院，上海 201306)

基于靜止無功發生器的電動汽車充電站無功補償

姜建國1崔紀永1吳泓波2

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.上海海洋大學工程學院，上海 201306)

分析電動汽車充電站運行時產生的無功功率對電網及其他設備的影響。運用靜止無功發生器基于瞬時無功功率理論，對電動汽車充電站的充電系統進行無功補償。Simulink仿真結果證實了該方法的有效性。

無功補償 充電站 靜止無功發生器 瞬時無功功率

隨著化石能源的日益緊缺，我國開始鼓勵推廣節約能源的政策和開發清潔能源的政策[1,2]。電動汽車因其擁有節能清潔與高效快捷的特點，將成為未來交通工具的重要組成部分。電動汽車運行時將存儲在充電電池中的化學能轉換成運行所需的機械能。但是充電電池存儲的能量并不能滿足充電汽車長時間運行的需求。所以要大量并廣泛建設電動汽車充電站，尤其在人口聚居地必須建設大型電動汽車充電站。

電動汽車的充電設備在工作時需要將交流電轉換為直流電。然而在大量的電力電子裝置投入使用時，電網會產生大量的諧波和無功功率。這會對電網的穩定運行和設備的安全造成嚴重威脅[3]。因此，提高電能質量、保障電網安全運行成為電動汽車充電站必須要面對并解決的問題。

無功功率補償裝置的發展主要經歷了投切電容、靜止無功補償器(SVC)和靜止無功發生器(SVG)3個階段[4,5]。隨著大功率開關器件的研制開發和控制技術的進步，更加高效的SVG逐漸受到電力運營部門的青睞。目前關于電動汽車的研究更多集中在提高充電速度和開發更大容量的電池方面[6]。但這些研究在實現時，也增加了對充電站電能質量的要求。

現將SVG應用于電動汽車充電站充電系統的無功功率補償，運用傳統的雙閉環PI控制方法對SVG控制進行研究[7]。并用Simulink搭建電動汽車充電站模型，將接入電網的使用SVG進行無功功率補償的電動汽車充電站進行仿真分析。

1 電動汽車充電站模型

電動汽車充電站中的設備主要包括：變壓裝置、濾波裝置、補償裝置、保護裝置、大量的充電設備和其他設備，其電氣接線如圖1所示。根據GB 50966-2014規定，普通充電設備的單相充電電壓應為220V[8]。考慮到充電站建設對充電裕度和快充的需要，將主變壓器二次側母線的電壓等級設置為600V，并在充電樁內添加自耦變壓器或集中降壓[4，9，10]滿足普通充電電動汽車的需求。

圖1 充電站電氣接線示意圖

采用PWM整流設備和DC/DC變換器的充電設備具有功率因數高、體積小及動態性能好等優點[11]。但受限于一些因素還未被有效推廣應用。在此對采用傳統不控整流器件的充電設備進行研究，其運行中的充電裝置結構模型如圖2所示。

圖2 運行中的充電裝置結構模型

2 SVG原理

2.1SVG的數學模型

作為理想的動態補償設備，SVG采用了全控型大功率開關器件[12]。圖3給出了SVG的簡化等值電路，其中L為電抗器等效電感，R為電抗器和線路的等效電阻，C為直流側電容器電容，uDC為直流側電壓，IPM是智能功率模塊。該模塊將全控型器件、驅動電路和故障檢測電路集成在一起，是一種理想的電力電子器件。

圖3 SVG數學模型

分析SVG等效電路圖可得到其對應的輸出動態方程：

(1)

式中i*S——SVG每相產生的電流；

u*L——電抗器等效電感兩端的電壓。

根據直流交流側能量守恒，可將SVG轉換到dq0坐標系下的暫態數學模型：

(2)

式中K——直流側電壓轉換為有功無功分量時的轉換系數；

US——600V母線電壓；

δ——600V母線電壓與SVG輸出電壓相位差；

ω——旋轉角頻率。

穩態下的SVG滿足：

(3)

可得穩態下的功率關系：

(4)

2.2SVG工作原理

由于三相電路的功率之和是一定的，任何時刻三相電路的總功率都等于三相電路的總有功功率之和，三相電路的無功功率在三相電路之間循環，即等效為三相電路負載和電源之間沒有無功功率相互傳遞。SVG正是將三相各部分統一處理。考慮到SVG的效率，此處采用常用的電壓型橋式整流電路，如圖4所示。

圖4 電壓型SVG基本結構

理想的SVG是一個純無功負載，通過控制開關器件的導通和關斷來控制各相電抗器接入電網的數量和方式，該功能類似于三相橋式整流電路，只不過SVG直流側是一個理想的無源負載[13]。當對基波的無功進行補償時，通過控制開關器件的開關狀態和導通角來實現對SVG開關器件和直流側負載的電壓控制。簡單工作原理如圖5所示。

圖5 計及損耗的SVG單相等效原理

在US和UI滿足同相位的情況下僅改變UI的幅值就可以改變UL的幅值，從而改變通過線路電流I的相位角和幅值。實際中電抗器和各相線路含有一定的電阻，使US與I產生一個很小的相角差δ，這樣在改變UI幅值的同時改變δ的大小，即可產生需要補償電流的幅值和相位。

3 實現與控制

SVG裝置的核心在于實現精確的控制，即實現滿足負載變化的完全補償。筆者的思路是利用瞬時無功電流檢測方法[14]對電流進行檢測，并在dq0坐標系對電流進行變換，得到無功電流IQ；低通濾波得到直流無功。SVG直流側采樣信號進行PI調節，并視為SVG消耗的有功分量IpS。將IPS與IQS進行逆變換得到三相電流IF與檢測出的補償電流比較得到各相補償電流分量If；通過對補償電流分量If進行PI調節和限幅處理后生成對應的PWM波來控制IPM的開關器件，進而動態地生成完全補償的無功電流。具體控制原理如圖6所示。

圖6 SVG控制原理

4 Simulink仿真

由于充電站充電設備的容量不一，充電設備優先采用直流輸出為10、20、50、100、200A的充電設備。仿真設計中使用10臺輸出直流為50A、5臺輸出為100A、兩臺輸出為200A的充電設備同時運行的情況進行研究。為了仿真中負載模型搭建方便，用一個充電設備通過等效計算代替上述充電設備，用對稱三相對稱阻感負載代替，并對該設備模型進行仿真分析。負載模型如圖7所示，電抗器內阻Rf1為0.1Ω，充電電池內阻Rf2為0.1Ω，電抗器電感Lf為30mH，直流側電容Cf為3 300μF，其他設備各相電阻RE為1kΩ，電感LE為0.1mH，給定Uref為1 460V。

圖7 負載模型

接入無功補償裝置前主回路一相的電壓對應的電流波形如圖8所示，接入SVG之后三相補償電流波形如圖9所示，補償后的主回路的電流波形如圖10所示。

圖8 補償前主回路電壓對應的電流波形

圖9 補償電流波形

圖10 補償后主回路電流波形

5 結論

5.1仿真結果證明，利用SVG能夠很好地對充電站系統進行無功補償，在仿真環境下充電系統得到了完全補償。

5.2實際中充電設備開始工作后的一段時間里系統有個啟動過程，為保護電路和充電電池的安全，仍需要進一步設計實現系統的軟啟動。

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troller. Without system modeling, this method can online adjust system’s PID parameters at real time. The simulation analysis shows that the system adopted this proposed method has a fast response speed and good robustness and wider application range; and it can make the motor achieve good control performance and tracking precision and its control effect outperforms traditional methods concerned.

Keywordspower balance, dynamic linearization, model-free adaptive control, PID

ReactiveCompensationofElectricVehicleChargingStationBasedonStaticVarGenerator

JIANG Jian-guo1, CUI Ji-yong1, WU Hong-bo2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daching163318,China;2 .CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Through having reactive power’s influence on both power grid and other devices produced by normally-operated EV charging station analyzed, the theory of static var generator basing on the instantaneous reactive power was applied to implement reactive compensation of EV charging station. Simulation with Simulink software proves effectiveness of this method.

reactive compensation, charging station, static var generator, instantaneous reactive power

TH89

A

1000-3932(2016)03-0313-04

2015-12-30(修改稿)