基于静止无功发生器的电动汽车充电站无功补偿

姜建国 崔纪永 吴泓波

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.上海海洋大学工程学院，上海 201306)

基于静止无功发生器的电动汽车充电站无功补偿

姜建国1崔纪永1吴泓波2

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.上海海洋大学工程学院，上海 201306)

分析电动汽车充电站运行时产生的无功功率对电网及其他设备的影响。运用静止无功发生器基于瞬时无功功率理论，对电动汽车充电站的充电系统进行无功补偿。Simulink仿真结果证实了该方法的有效性。

无功补偿 充电站 静止无功发生器 瞬时无功功率

随着化石能源的日益紧缺，我国开始鼓励推广节约能源的政策和开发清洁能源的政策[1,2]。电动汽车因其拥有节能清洁与高效快捷的特点，将成为未来交通工具的重要组成部分。电动汽车运行时将存储在充电电池中的化学能转换成运行所需的机械能。但是充电电池存储的能量并不能满足充电汽车长时间运行的需求。所以要大量并广泛建设电动汽车充电站，尤其在人口聚居地必须建设大型电动汽车充电站。

电动汽车的充电设备在工作时需要将交流电转换为直流电。然而在大量的电力电子装置投入使用时，电网会产生大量的谐波和无功功率。这会对电网的稳定运行和设备的安全造成严重威胁[3]。因此，提高电能质量、保障电网安全运行成为电动汽车充电站必须要面对并解决的问题。

无功功率补偿装置的发展主要经历了投切电容、静止无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(SVG)3个阶段[4,5]。随着大功率开关器件的研制开发和控制技术的进步，更加高效的SVG逐渐受到电力运营部门的青睐。目前关于电动汽车的研究更多集中在提高充电速度和开发更大容量的电池方面[6]。但这些研究在实现时，也增加了对充电站电能质量的要求。

现将SVG应用于电动汽车充电站充电系统的无功功率补偿，运用传统的双闭环PI控制方法对SVG控制进行研究[7]。并用Simulink搭建电动汽车充电站模型，将接入电网的使用SVG进行无功功率补偿的电动汽车充电站进行仿真分析。

1 电动汽车充电站模型

电动汽车充电站中的设备主要包括：变压装置、滤波装置、补偿装置、保护装置、大量的充电设备和其他设备，其电气接线如图1所示。根据GB 50966-2014规定，普通充电设备的单相充电电压应为220V[8]。考虑到充电站建设对充电裕度和快充的需要，将主变压器二次侧母线的电压等级设置为600V，并在充电桩内添加自耦变压器或集中降压[4，9，10]满足普通充电电动汽车的需求。

图1 充电站电气接线示意图

采用PWM整流设备和DC/DC变换器的充电设备具有功率因数高、体积小及动态性能好等优点[11]。但受限于一些因素还未被有效推广应用。在此对采用传统不控整流器件的充电设备进行研究，其运行中的充电装置结构模型如图2所示。

图2 运行中的充电装置结构模型

2 SVG原理

2.1SVG的数学模型

作为理想的动态补偿设备，SVG采用了全控型大功率开关器件[12]。图3给出了SVG的简化等值电路，其中L为电抗器等效电感，R为电抗器和线路的等效电阻，C为直流侧电容器电容，uDC为直流侧电压，IPM是智能功率模块。该模块将全控型器件、驱动电路和故障检测电路集成在一起，是一种理想的电力电子器件。

图3 SVG数学模型

分析SVG等效电路图可得到其对应的输出动态方程：

(1)

式中i*S——SVG每相产生的电流；

u*L——电抗器等效电感两端的电压。

根据直流交流侧能量守恒，可将SVG转换到dq0坐标系下的暂态数学模型：

(2)

式中K——直流侧电压转换为有功无功分量时的转换系数；

US——600V母线电压；

δ——600V母线电压与SVG输出电压相位差；

ω——旋转角频率。

稳态下的SVG满足：

(3)

可得稳态下的功率关系：

(4)

2.2SVG工作原理

由于三相电路的功率之和是一定的，任何时刻三相电路的总功率都等于三相电路的总有功功率之和，三相电路的无功功率在三相电路之间循环，即等效为三相电路负载和电源之间没有无功功率相互传递。SVG正是将三相各部分统一处理。考虑到SVG的效率，此处采用常用的电压型桥式整流电路，如图4所示。

图4 电压型SVG基本结构

理想的SVG是一个纯无功负载，通过控制开关器件的导通和关断来控制各相电抗器接入电网的数量和方式，该功能类似于三相桥式整流电路，只不过SVG直流侧是一个理想的无源负载[13]。当对基波的无功进行补偿时，通过控制开关器件的开关状态和导通角来实现对SVG开关器件和直流侧负载的电压控制。简单工作原理如图5所示。

图5 计及损耗的SVG单相等效原理

在US和UI满足同相位的情况下仅改变UI的幅值就可以改变UL的幅值，从而改变通过线路电流I的相位角和幅值。实际中电抗器和各相线路含有一定的电阻，使US与I产生一个很小的相角差δ，这样在改变UI幅值的同时改变δ的大小，即可产生需要补偿电流的幅值和相位。

3 实现与控制

SVG装置的核心在于实现精确的控制，即实现满足负载变化的完全补偿。笔者的思路是利用瞬时无功电流检测方法[14]对电流进行检测，并在dq0坐标系对电流进行变换，得到无功电流IQ；低通滤波得到直流无功。SVG直流侧采样信号进行PI调节，并视为SVG消耗的有功分量IpS。将IPS与IQS进行逆变换得到三相电流IF与检测出的补偿电流比较得到各相补偿电流分量If；通过对补偿电流分量If进行PI调节和限幅处理后生成对应的PWM波来控制IPM的开关器件，进而动态地生成完全补偿的无功电流。具体控制原理如图6所示。

图6 SVG控制原理

4 Simulink仿真

由于充电站充电设备的容量不一，充电设备优先采用直流输出为10、20、50、100、200A的充电设备。仿真设计中使用10台输出直流为50A、5台输出为100A、两台输出为200A的充电设备同时运行的情况进行研究。为了仿真中负载模型搭建方便，用一个充电设备通过等效计算代替上述充电设备，用对称三相对称阻感负载代替，并对该设备模型进行仿真分析。负载模型如图7所示，电抗器内阻Rf1为0.1Ω，充电电池内阻Rf2为0.1Ω，电抗器电感Lf为30mH，直流侧电容Cf为3 300μF，其他设备各相电阻RE为1kΩ，电感LE为0.1mH，给定Uref为1 460V。

图7 负载模型

接入无功补偿装置前主回路一相的电压对应的电流波形如图8所示，接入SVG之后三相补偿电流波形如图9所示，补偿后的主回路的电流波形如图10所示。

图8 补偿前主回路电压对应的电流波形

图9 补偿电流波形

图10 补偿后主回路电流波形

5 结论

5.1仿真结果证明，利用SVG能够很好地对充电站系统进行无功补偿，在仿真环境下充电系统得到了完全补偿。

5.2实际中充电设备开始工作后的一段时间里系统有个启动过程，为保护电路和充电电池的安全，仍需要进一步设计实现系统的软启动。

[1] 谢智勇,李爱东,常睿.能源管理中心建设思路的探讨[J].石油化工自动化,2014,50(2):31～34.

[2] 吕晓坤.应急电源在煤气化装置的应用[J].石油化工自动化,2012,48(3):82～84.

[3] 厉志辉.电动汽车充电站对电网的影响[D].济南:山东大学,2010.

[4] 邓淑娟.电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[5] 李辉.基于DSP的无功补偿装置的研究与设计[D].杭州:浙江大学,2004.

[6] 王勇.电动汽车充电系统及其控制器的研究[D].保定:华北电力大学,2009.

[7] 王兆安,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.

[8] GB 50966-2014,电动汽车充电站设计规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

[9] 胡科堂.高电压大功率开关电源拓扑电路的设计与研究[D].北京:北京工业大学,2013.

[10] 王海军.10kV以下配电网无功电压优化方案研究[J].电子制作,2015,(5):29.

[11] 尹春杰,张倩,刘振,等.电动汽车充电站供电系统无功补偿与谐波抑制治理[J].电力电子技术,2011,45(12):63～65.

[12] 刘森,刘丹,杨国清,等.静止无功发生器在电动汽车充电站中的应用研究[J].电气技术,2011,(10):52～55.

[13] Patricio Salmerón Revuelta,Herrera R S,Vázquez J R.A New Approach for Three-phase Loads Compensation Based on the Instantaneous Reactive Power Theory[J].Electric Power Systems Research,2007,78(4):605～617.

[14] 牛利勇.纯电动公交车充电系统关键技术研究[D].北京:北京交通大学,2008.

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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)