静止无功发生器在电动汽车充电站中的应用研究

刘 森 刘 丹 杨国清 郭晓蕊

（1.西安理工大学，西安 710048；2. 安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601）

随着我国经济的快速发展，以及居民对生活质量要求的提高。社会上汽车保有量呈急剧增加趋势，相关部门预计，到2011年底将达到7500万辆的规模。而汽车产业的发展必然对能源问题提出挑战。因此，面对着如此形势，大力发展节能、环保的新能源汽车就成为了汽车工业可持续发展的一个重要方向。而完全使用二次能源—电能的纯电动汽车，因其优越的节能和环保性能，在未来的汽车市场中，将拥有着广阔的发展空间。

以电能作为动力的电动汽车，需要通过充电机来补充电能。而采用电力电子技术的纯电动汽车充电机是一种高度非线性的用电设备，它的大规模使用，不可避免的会给电网造成污染。比如多台充电机同时工作时，产生的谐波、功率因数和无功功率问题，会对电网及其他用电设备产生巨大影响。因此，研究如何解决因汽车充电站接入，而引起的电网谐波增大、无功功率损耗增加等电能质量问题，成为了汽车充电站建设面临的重要问题[1,8]。

本文运用 DIgSILENT仿真软件搭建了汽车充电站的仿真模型，对汽车充电站接入供电网时，对电网的谐波和无功功率产生的影响进行了分析，并且对静止无功发生器（SVG）运用在汽车充电站中对电网无功功率的补偿作用进行了仿真研究。

1 充电机的建模

电动汽车充电机[4]主要有以下3种类型[2]：①由工频变压器、不控整流和斩波器组成；②由工频变压器、三相不控整流和高频变压器隔离DC/DC变换器组成；③由三相 PWM 整流和高频变压器隔离DC/DC变换器组成。目前电动汽车充电机采用的是大功率高频充电机，其结构框图如图1所示，它是由三相桥式不可控整流电路对输入三相交流电进行整流，滤波后为高频DC/DC功率变换电路提供直流输入，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为纯电动汽车的动力蓄电池充电。

图1 高频充电机的结构框图

由于蓄电池的充电过程所需时间很长，则在一个至几个工频周期内，都可以认为充电机的输出电流和输出电压是恒定的直流，即相当于高频功率变换电路工作于恒功率状态。动力蓄电池的充电过程是一个非线性的过程，用一个非线性电阻RC来近似模拟高频功率变换电路的等效输入阻抗。则电动汽车的等效模型如图2所示。

图2 充电机等效模型

其中的非线性电阻RC可以近似表示为式（1）：

式中，UB为充电机输出侧电压；η为充电机的充电效率；II为功率变换电路的输入电流（A）。

根据实际记录的充电池充电过程的数据，式（2）给出了充电机输出功率的拟合曲线。

式中：t为时间，单位为分钟；Pomax为最大输出功率，单位为kW。

2 SVG的数学建模与工作原理

2.1 SVG的数学模型

SVG作为动态无功补偿设备，由于采用了先进的电力电子开关元件，从而可以快速调节交流电网的无功，具有反应快速和调节平滑的特性[3]。图 3给出了SVG的简化等值电路，其中，R代表逆变电路和链接电抗的有功损耗，VSC是一个三相的电压源逆变器；L代表SVG的连接电抗器。

图3 SVG等值电路原理图

根据SVG的等值电路，可以列出SVG装置的abc三相动态方程。

利用经典派克变换将式（3）中的abc三相电流进行dq变换，可得到SVG的数学模型。

式中，id为dq坐标下SVG输出的有功电流；iq为dq坐标下SVG输出的无功电流；Udc为SVG直流侧电压；VS为SVG交流侧电压；W为dq坐标系的旋转角频率，与三相系统电压角频率相同；λ为逆变器调制比；δ为SVG输出电压和电网电压之间的相角差。

稳态时，由于即

则由公式（4）可得稳态时，SVG的输出电流及电流侧电容电压表达式分别为

2.2 SVG的工作原理

SVG的电流控制包括无功补偿电流和有功电流的控制[6]，无功补偿电流控制用于产生所需的无功补偿电流，有功电流控制用于补偿有功损耗。SVG的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成，外环控制器主要通过一定的检测方法产生无功补偿电流的参考值，内环控制器主要产生同步的驱动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。

其中SVG的控制结构图如图4所示。SVG将所需补偿的无功电流参考值与SVG吸收的无功电流值进行实时比较，得到前面公式（4）中，SVG输出电压与系统同步信号间的微小相位差δ。通过比例微分控制这一微小的相位差，就可以来调节输出的无功电流。同时SVG将变换器直流侧的电容电压的参考值与SVG直流侧实测的电容电压进行实时比较，得到直流侧电压的差值，同样通过比例积分控制变换器的调制比，就可以来调节输出的有功电流。而控制结构中的内环控制是通过滞环比较方式来产生同步的PWM驱动信号，驱动VSC中的功率开关器件，发出所需补偿电流。

图4 dq轴下的SVG控制结构图

下面我们通过一个算例，来对静止无功发生器在纯电动汽车充电站中的应用，进行进一步的研究。

3 算例分析

本文在本文的算例仿真系统中，充电站通过10/0.4kV变压器连接到10kV的配电母线上；配置的充电机功率与台数分别为：为大型车配置35kW充电机3台，为中型车配置40kW充电机3台，为小型车配置15kW充电机5台；根据负荷的容量以及变压器容量选择原则选择变压器容量为400kW，采用Dyn11接线方式。仿真模型结构图如图5所示，模拟充电站对负荷进行连续充电的全过程，持续时间为4.5h（时间间隔为0.1h）。

图5 充电站仿真模型

3.1 未投入SVG

充电机在充电时，输出功率的曲线特性，已由公式（2）给出。另外由于充电站中含有大量的电力电子元件，则在给电动汽车充电的时候会对电网的无功功率、功率因数、电压波动产生明显的影响。在未采用SVG无功补偿装置时有充电站接入的配电网变化情况如图6、图7所示。

图6 未投入SVG时0.4kV侧电网情况

图7 未投入SVG时10kV侧电网情况

蓄电池的充电过程是一个非线性的过程，由图6可以看出充电机充电时0.4kV侧的电压、有功功率、无功功率、相角在4.5h内都有波动，且在刚投入时与2.7h时都有突变的情况出现。由图7可以看出充电站接入电网的公共接入点PCC处功率因素、有功功率、充电站电流、无功功率在4.5h的充电过程中的变化情况，由于无功需求，整个充电站功率因数最低时达到0.8。

3.2 投入SVG

为解决点动汽车充电站接入电网对电能质量的影响，针对充电站对无功的需求，在0.4kV供电母线上并联容量为0.4MVar的SVG。

加装SVG无功补偿装置后，由图8可以看出，0.4kV侧的电压基本达到稳定，且其无功功率得到有效改善。由图9可以看出，10kV侧的功率因素也接近于1保持在0.99周围。

图8 投入SVG后0.4kV侧

图9 投入SVG后10kV侧

由仿真结果可以得出：通过投入合适容量的SVG无功补偿装置，可以对由充电站接入而引起电网电压、无功的变化起到良好的抑制作用，提高充电站整体的功率因数。

3.3 谐波分析

为解决从前面关于充电机和SVG的叙述中我们可知，由于充电站中含有大量的电力电子元件，则在给电动汽车充电的时候会有大量的谐波涌入电网；而SVG同样作为一种电力电子应用装置，也是一种新的谐波源，只有通过改变控制算法，以及直流侧电容电压来充当有源电力滤波器时才可以对谐波起到很好的抑制作用。由图10可以看出，加装SVG无功补偿装置后，由于SVG产生的谐波与充电机产生的谐波之间存在相互抵消现象，反而对充电站总谐波有所抑制。

图10 投入SVG前后谐波对比

4 结论

本文充电站中由于蓄电池的充电特性，在蓄电池刚接入充电机和充电接近尾声时都将会出现功率突变的情况，此时对电网的影响也是最大的。SVG无功补偿装置作为一种新型的电力电子装置，最大的优点是它的无功补偿不受电网电压波动的影响，且对接入侧无功和电压变化情况反映迅速。从本文的仿真分析可以看出，充电站加载SVG后，充电站电压和无功的突变都得到了有效抑制。

[1]牛利勇.纯电动公交充电系统关键技术研究[D].北京:北京交通大学博士论文,2008.

[2]陈新琪,李鹏,胡文堂等.电动汽车充电站对电网谐波的影响分析[J].中国电力,2008,41(9):31-36.

[3]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.

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[5]M.Basu,K.Gaughan,E.Coyle.Harmonic distortion caused by EV battery chargers in the distribution systems nerwork and its remedy [J]. 2004(2)869-873.

[6]范高峰,迟永宁,赵海翔等.用 STATCOM 提高风电场暂态电压稳定性[J].电工技术学报,2007,22(11):158-162.