基于充电设施型谐波补偿的研究及应用

刘凌燕 鞠 非

(常州供电公司，江苏 常州 213022)

基于充电设施型谐波补偿的研究及应用

刘凌燕 鞠 非

(常州供电公司，江苏 常州 213022)

本文通过对充电设施工作产生的谐波分析及仿真，得出采用基于SPWM脉宽调制闭环指令电流的跟踪控制方法，采用闭环能量回馈方案的装置对充电设施谐波补偿的高精度控制进行验证，有效检测抵消充电设施引起的谐波，实现对充电设施谐波污染的治理，提升电能质量。

充电设施；谐波；电动汽车；电能质量

随着电动汽车充电设施在电力系统中的规模化使用，由于充电具有随机性和间歇性，当其快速发展并大规模接入电网充电时，会对电网产生不可忽略的影响。考虑充电设施工作特性具有典型的非线性负载特性，能够产生极大的谐波电流，且频谱分布范围广，严重影响电网的安全可靠性，为保证电网安全运行，最大限度发挥电网资产的效益，方便充换电设施接入和客户充电，亟需开展针对性的研究。本文采用的基于瞬时检测与自适应检测的高精度谐波电流检出法组合检测方法，通过双闭环控制，实现装置对充电设施谐波补偿的高精度控制，有效检测抵消充电设施引起的谐波，最大限度地降低高次谐波对电网的污染，提升电能质量。

1 原 理

由于充电设施多为电力电子构成的电源，其拓扑结构种类较多，对电网的影响各不相同，充电设施归纳起来主流类型多为输入整流，故原理分析上设计基于AC-DC整理应用的谐波治理控制模拟仿真系统的硬件方案、软件方案和系统管理策略，本系统采用电网封闭式能量回馈拓扑结构，以解决设备运行、检测环节中存在多个关键技术难点的问题。其构成包括基于PWM控制的交流整流、谐波发生逆变两部分。主要功能为设备输入侧通过PWM整流从电网侧吸收基波功率转化为直流电能，谐波逆变侧通过时检测负荷侧谐波，把直流电能转化为谐波能量注入到电网侧，实现对充负荷谐波的补偿；当系统工作时，能量在闭环系统内部循环，系统只消耗能量循环过程中的损耗，与常规系统相比，大大降低了能量损耗及设备成本，减少了设备体积，同时在大功率负荷补偿状态下基本不会对配电网系统的电压造成影响。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

在系统结构图中，指令电流的跟踪采用SPWM脉宽调制闭环控制技术，其输出为与调制正弦波等效的按正弦规律变换的一系列脉冲，经电压放大驱动主电路功率开关管，将SPWM脉宽调制驱动及主电路的电压增益用Kw表示。

根据PWM整流逆变桥的工作原理，当SPWM脉宽调制器的控制电压改变时，逆变桥路的输出电压要到下个周期方能改变，滞后时间τS与SPWM波形的载波周期Ts相等。因此，SPWM脉宽调制器和逆变桥路的传递函数可表示为

式中Ujo——逆变桥的输出电压；Uc——脉宽调制器的控制电压。

将上式按泰勒级数展开：

本系统设计SPWM波形载波频率100kHz，相应的载波周期为10μs，因而，可忽略高次项，上式可简化为

从简化后的传递函数看，逆变桥电路相当于一个惯性环节，其动态结构如图2所示。

图2 PWM整流逆变桥电路的动态结构

为使输出电流跟随指令电流，引入电流负反馈，根据各个环节的传递函数，可以得到电流闭环的动态结构，如图3所示。

图3 电流闭环的动态结构

图中，I*(s)为输入信号，电网电压Ej(s)为扰动信号，Ij(s)为输出信号，kf为电流反馈系数，通过需要模拟的负载特性，给定电流指令I*(s)，系统经过电流闭环实现精准控制。

2 仿真模型和分析

本文针对目前用电负荷中占比较大且具有代表性的典型充电设施负载为重点研究对象，其中大部分装置是额定电压为三相380V的交直型，其仿真系统模型如图4所示。

图4 模拟变频系统仿真模型

系统包括谐波补偿发生器和充电设施，为了简化模型，只对其中a相电流进行仿真。对充电设施工作电流进行采样，采样的电流变成控制指令给谐波发生器控制系统，谐波发生器通过控制复现充电设施的输入电流波形。为了加快系统仿真速度，控制系统采用开环控制，仿真结构如图5所示。

图5 模拟变频空调电流波形

通过仿真结果可以看到，上面波形为充电设施电流，下面波形为谐波补偿发生器载输出电流，两波形基本一致，即谐波补偿发生器可以较好地跟踪控制，可实现对充电设施的谐波补偿。

3 样机实验分析

根据上述理论分析与仿真，制作了一台样机，验证控制方案的可行性，充电设施采用含有谐波的负荷等他代替，其实验输出波形如图6所示。

从图6可以看到，当充电设施工作时，谐波补偿控制器通过对充电设施负荷的电流波形进行跟踪，给出控制指令，使谐波补偿器输出与充电设施反向的谐波；当充电设施停止工作时，谐波补偿器同时停止补偿，然后维持输出基波，此处基波的作用是提升补偿器发出谐波的稳定性，考虑输入与输出是能量闭环回馈，因此电网注入的主要是谐波和能量循环中损耗的基波。

图6 谐波补偿输出电流波形

4 结 语

通过对充电设施产生的谐波进行研究，得出对其进行补偿控制的方法，即SPWM脉宽调制闭环指令电流的跟踪控制技术，通过仿真模型及装置的理论分析和实际运行，验证了该方案的可行性，可实现对充电设施谐波补偿的高精度控制，有效检测抵消充电设施引起的谐波，实现对充电设施谐波污染的治理，提升电能质量。

[1] 张一中，宁元中，朱永华.电力谐波[M].成都：成都科技大学出版社，1992.

[2] Joachim Holtz. PulseWidth modulation-A survey[J].IEEE Transactions on Industrial Eledronics，1992，VOI 39(5)：410-420.

[3] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

Research and Application of Harmonic Compensation Based on Charging Facilities

LIU Lingyan, JU Fei

(ChangzhouPowerSupplyCompany,Changzhou213022,China)

The tracking control method based on SPWM pulse width modulation closed-loop command current is obtained by harmonic analysis and simulation of charging facilities. The closed-loop energy feedback scheme is used to verify the high-precision control of the harmonic compensation of the charging facilities, which effectively detects and counteracts the harmonics caused by the charging facilities and realizes the control of the harmonic pollution of the charging facilities and improves the power quality.

charging facilities; harmonics; electric vehicles; power quality

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.019

TM910.6

A

1673-8241(2017)05- 0052- 04