配电网电能质量综合治理型多功能电动汽车充电站研究
2015-03-10赵贺雍朱大为
赵贺雍,朱大为
(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)
配电网电能质量综合治理型多功能电动汽车充电站研究
赵贺雍,朱大为
(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)
为解决传统充电站在给电动汽车充电时所造成的配电网谐波污染及影响配电变压器绝缘寿命的问题,提出具有配电网电能质量综合治理的多功能电动汽车充电站(Electric Vehicle Charging Station,EVCS)的拓扑结构,给出了EVCS的并网电流参考值算法和基于两相旋转坐标系下的控制方法。通过搭建50 kW的仿真实验系统验证了具有配电网电能质量治理的多功能EVCS 不仅能满足电动汽车的充电需求,而且便于分布电源(Distributed Generation,DG)的灵活接入,并确保交流配电网高效运行。
电动汽车;分布式电源;无功补偿;谐波抑制
随着环境压力的增大及化石燃料的枯竭,能源的清洁高效利用已成为世界各国研究的热点[1]。电动汽车(Electric Vehicle,EV)以电代油,实现了低排放和低噪音,是一种应对环境污染和汽车能源消耗的有效方案。由于三相负荷不平衡和非线性负荷的存在,配电网往往呈现出高电流畸变率和低功率因数的特点。随着电动汽车的推广,未来居民小区中都将配备电动汽车充电站 (Electric Vehicle Charging Station,EVCS)。然而,传统充电站在EV充电时所造成的配电网谐波污染及对配电变压器绝缘寿命的影响等问题日益严重[2],进一步加剧了配电网电能质量问题。为解决这一问题,已有学者提出了增加充电站换流器相数、加装无功及滤波装置等解决方法[3],但这些方法将使充电器体积增大,成本增高。本文在考虑到三相EVCS的主电路结构与有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)主电路结构的一致性基础上,结合APF结构与功能对EVCS进行了优化与调整,形成兼顾电动汽车充电和有源滤波功能的具有电能质量治理作用的EVCS,满足了电动汽车充电,也便于了DG并入直流并网,突出了节能优势[4-5]。
图1 电动电动汽车充电站结构图
1 EVCS系统结构
三相三线制系统结构不能为零序电流提供流通路径,无法补偿交流配电网中的零序电流分量[6],而三相四桥臂结构能够为零序电流分量提供流通路径,既能补偿系统正序和负序分量,又能消除零序电流分量,因而充电站的系统结构选为三相四线制结构。两种常用的三相四线制结构为电容中点型和四桥臂型。电容中点型三相四桥臂结构是将三相负载的中性点连接至三相换流器的直流侧电容中点,零序电流只流经直流侧的一个电容而回到交流配电网中性线上,具有直流电压利用率低和需对分裂电容进行平衡控制的缺点,常用于小容量系统中[7]。三相四桥臂型结构较适应于EVCS的结构和功能要求,其系统结构如图1所示。
EVCS通过10/0.4 kV变压器从交流电网获取电能,经过三相四桥臂型EVCS后,实现AC/DC的转换。EVCS的4个桥臂分别与配电网的U相、V相、W相和中性线相连。基于统一控制的前3个桥臂主要对配电网中正序和负序谐波分量进行补偿,第4个桥臂单独控制并主要补偿零序电流分量。为滤除EVCS并网电流中因开关动作所引起的高频谐波分量,在公共连接点(PCC)和EVCS之间并联了LC滤波器进行滤波。DG和EV分别以电流源和等效电阻的形式接入EVCS直流侧。
2 EVCS基本原理及并网参考电流算法
2.1 EVCS基本运行原理
参考深圳市标准化指导性技术文件中有关电动汽车充电系统技术规范,在含有EVCS的系统中应进行无功补偿装置的优化配置,保证在最大负荷运行时变压器高压侧功率因数不低于0.95。因此,根据功率平衡原则,为实现EVCS并网运行后交流配电变压器低压侧保持三相电流为正序基波对称和功率因数为1的特点,EVCS从交流配电网获取的三相电流必须对称并与电网电压保持同相位,而且EVCS必须提供交流配电网中三相负荷所需的无功和谐波功率。EVCS简化图如图2所示。
图2 EVCS系统简化图
由基尔霍夫电流定律(KCL)可得PCC点处电流方程为
is=il-ie
因交流负荷电流中包含基波有功电流分量ip、基波无功电流分量iq和谐波电流分量ih,即
il=ip+iq+ih
为实现控制要求,当EVCS并网时,电流满足
ie=iq+ih
则可实现is=ip,使配电变压器低压侧三相电流为纯有功电流而不受负荷电流中谐波和无功电流分量的影响。但上式并不能确保变压器三相电流平衡,尤其是交流负荷各相有功功率差异较大将导致变压器低压侧三相电流幅值存在显著差异,对电力系统发电、输电和变电设备的安全运行都将产生不利影响。为确保变压器三相电流平衡,必须使变压器三相平均分担交流负荷总有功功率Plavg和EVCS总有功消耗Pe,即
(1)
式(1)在不计电网电压畸变与不平衡时可使电网侧三相有功电流幅值相等。通过锁相环(PLL)技术获得电网各相电压相角,可使变压器各相电流相角与电压相角保持相等,最终实现EVCS并网后变压器带三相非线性不平衡负荷时仍能保持三相电流对称且整功率因数运行,有效降低因变压器电流不对称所引起的附加损耗,提高电网运行效率。
2.2 EVCS并网电流参考值算法
为实现在电动汽车充电时保证变压器三相电流平衡且整功率因数运行,快速、准确地检测出负荷电流中的待补偿分量并生成EVCS并网电流参考值是一项关键技术。传统VSC参考电流算法如图3所示。该方法涉及多次αβ或dq变换,运算和控制复杂,应用成本高。本文采用基于能量平衡的时域补偿电流算法,其控制算法简单,应用成本相对较低。EVCS参考电流算法结构框如图4所示。
在配电网三相电压严重畸变时,为得到精确的参考电流值,应采用瞬时对称分量法从三相不对称电压中分离出三相正序基波电压分量后再进行计算。为简化计算,在合理考虑电网规划和负荷分配条件下变压器三相电压畸变率和不平衡度较低情况后,近似认为变压器三相电压保持对称,且仅含基波正序分量。设θa、θb、θc分别为vpa、vpb、vpc的相角,则EVCS并网电流参考值计算如下:
设PD为DG总功率;Pd为直流侧负荷功率,直流网通过EVCS从交流网吸收的有功为Pe,则
Pe=Pd-PD
当Pe< 0时,DG发电功率大于直流负荷功率,有功功率由直流网流向交流网;当Pe> 0时,DG发电功率小于直流负荷功率,有功功率由交流网流向直流网;当Pe=0时,DG发电功率等于直流负荷功率,交直流网之间无有功流动。在任何情况下,EVCS都兼具有源电力滤波器的功能,可对交流配电网进行无功补偿、谐波抑制及平衡三相不平衡交流负荷的作用。
直流电网的基本控制要求是控制网络中直流电压维持稳定和直流功率保持平衡。与交流系统中功率平衡的指标和系统频率相类似,直流系统中功率平衡的指标为直流电压。当功率不足时,直流电压将减小,即Ud
式中:Kp、Ki分别为PI控制器比例增益和积分增益。
图3 传统VSC参考电流算法框图
图4 参考电流算法结构框图
3 EVCS控制系统设计
在三相静止坐标系(abc)下,EVCS的数学模型中交流侧各量均体现为时变量,且有功功率与无功功率不独立,不利于控制系统设计。根据瞬时无功理论,两相同步旋转坐标系(dq)下EVCS的有功功率P和无功功率Q分别与电流的q轴分量iq和d轴分量id呈线性比例关系,通过调节id和iq可独立控制EVCS的有功功率和无功功率,实现P和Q的解耦控制[8-9]。因此,在dq坐标下将EVCS的前3个桥臂作为整体以实现PQ解耦控制,第4个桥臂单独控制,并采用电压外环和电流内环双环控制方式以实现EVCS直流侧电压Ud和并网电流ie的准确跟踪。由于EVCS并网运行时,前端的LC滤波器中电容C取值较小,因此可忽略电容电流对EVCS控制的影响,分析EVCS工作状态时可将LC近似等效为L以简化分析[10-11]。两相同步旋转坐标(dq)下,EVCS前3个桥臂满足的计算式为
(2)
由式(2)看出,EVCS的d、q轴方程间存在交叉项,相互耦合。因此,采用前馈解耦控制策略[8]以消除耦合使d、q轴之间相互独立,其解耦后的控制方程为
式中:Upd、Uqd、Uod、Uoq、ied、ieq分别表示PCC点处电压Up、EVCS交流侧输出电压Uo和并网电流ie的d轴和q轴分量;KiI、KiP分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益。
图5 EVCS控制系统框图
4 仿真实验
为验证EVCS在EV充电和交流网电能质量治理方面的可行性,在PSIM中搭建了50 kW的仿真实验系统,其中交流三相非线性不平衡负荷总功率为19 kW,直流侧负荷功率为31 kW,DG发电功率为18 kW。分别在DG离网和DG并网发电两种情况下进行仿真,并考虑EV或其他直流负荷投入所造成的EVCS直流侧负荷变化时的系统运行状态。
DG离网时,在t=0.1 s时EVCS并入电网并在t=0.14 s时使EV或直流负荷投入的系统仿真结果如图6所示,此时变压器提供整个系统所需的有功功率。由图6可知,EVCS并网后能有效进行交流电网的电能质量治理,0.1 s后变压器低压侧出口各相电流谐波畸变率和各相电流不平衡度最大值分别小于3.4%和2.2%,各相功率因数均大于0.99。直流负荷投入后,EVCS直流电压经历短暂的下降后,通过电压外环控制实现了Ud的快速跟踪,使Ud保持在参考值750 V附近。EVCS投入瞬间电压下降幅值小于10 V,电压偏小于1.3%;稳定后变压器中线电流小于1 A,能很好地满足工程要求。
图6 DG离网时仿真结果
在t=0.2 s时考虑DG并网发电,并在t=0.24 s时使DG功率增大35%的仿真结果如图7所示。此时由变压器和DG共同为整个系统中的负荷供电,故0.2 s后变压器出低压侧电流较DG离网时有所减小。因DG在扰动后总发电功率有所增大,故0.24 s后变压器出口端电流较0.24 s之前进一步减小。
图7 DG并网后仿真结果
由图7可知,在考虑DG并网及发电功率增大瞬间,EVCS直流侧电压在经历了短暂的上升后,通过电压外环控制可实现EVCS直流电压快速稳定在参考值750 V左右。EVCS投入瞬间电压上升值小于6 V,电压偏差率小于1%,稳定后变压器中性线电流仍小于1 A。因此,在DG并网时EVCS在为电动汽车提供可靠直流供电的同时,还具有交流配电网电能质量治理的功能,确保交流配电网安全运行,而且EVCS为DG采用经济灵活的直流并网提供了便利。
5 结 论
1) 提出的EVCS结构在为电动汽车提供可靠直流供电的同时,还能起到交流配电网电能质量治理的作用,而且通过EVCS提供的直流母线可实现DG采用经济灵活的直流方式并网。
2) 在为EV充电方面,EVCS可确保直流配电网在DG离网/并网以及DG发电功率发生扰动时依然保持稳定的直流输出电压。
3) 在交流网电能质量治理方面,EVCS可实现交流配电网中变压器低压侧电流不受负荷中谐波和无功电流的污染,确保变压器三相电流对称且整功率因数运行。
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(责任编辑 侯世春)
Study on multi-function electric vehicle charging station with power quality comprehensive governance for distribution system
ZHAO Heyong, ZHU Dawei
(Electrical Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin 132002,China)
In order to solve the problems brought by the traditional charging station for electric vehicles, such as distribution network harmonic pollution and the influence on insulation life cycle of distribution transformer when charging, this paper proposes the topology structure of the new multi-function Electric Vehicles Charging Station (EVCS) with functions of power quality improvement, put forwards the algorithm of EVCS reference current, also including the control strategy based on two-phase synchronous rotary coordinates. A 50 kW experimental simulation system is established as well to prove that the multi-functional EVCS with EV charging and AC distribution network power quality management can not only meet the needs of EV charging, but also make the DG access to power grids conveniently and ensure the efficient operation of the AC distribution network.
electric vehicles; distributed power supply; reactive power compensation; harmonic elimination
2015-01-03。
赵贺雍(1987—)，男，硕士研究生，研究方向为电动汽车充电技术。
U469.72
A
2095-6843(2015)04-0304-05
