充电桩网侧谐波补偿分析

巫付专，朱菁，陈鹏，纪志刚，翟睿

(中原工学院 电子信息学院，郑州 451191)

0 引 言

与传统燃料汽车相比，新能源电动汽车具有环保、清洁和节能等特点，已成为当代汽车发展的主要方向[1]。能源供给装置是电动汽车推广的关键，而这些设备含有以整流装置为主的非线性设备，对供电网造成谐波污染[2]。因此在充电桩建设过程中，应考虑加入滤除谐波的相应装置，这对电动汽车发展有重要意义。文献[3]对充电桩以及有源滤波器(APF)进行了谐波特性分析，设计了比例控制与重复控制相结合的复合控制系统，取得较好的效果，但增加了额外的滤波装置，控制策略运算复杂。文献[4]中通过增大充电桩滤波电感来降低谐波含量，但增加了充电桩的体积、损耗及成本。文献[5]对传统无源滤波器进行改造，主要由基波谐振电路、基波磁通补偿电路和无源滤波器相结合，实现电网电流波形正弦化。但在负荷较大时，电流畸变率超过国家标准，为了提高滤波效果，电感取值过大。滤波器结构复杂化，增加了体积与成本。

针对充电桩引起谐波电流电能质量问题，本文将一种基于三次谐波补偿的APFC(Active Power Factor Correction)电路应用在充电桩，该电路结构简单可靠，通过调节注入谐波幅值与相位大小，能够减小低次与部分高次谐波分量，有效去除谐波污染，进一步提高电路功率因数。最后利用Matlab/Simulink仿真软件并搭建实验平台，对其进行验证。

1 单相充电桩电路拓扑

1.1单相充电桩电路拓扑

本文设计电动汽车充电桩采用的拓扑结构如图1所示。充电桩主要由整流电路、滤波电路、逆变电路、以及后级电路中的变压器、高频DC-DC功率变换电路、输出滤波电路组成。前级为平均电流控制模式的APFC电路，实现网侧输入电流的正弦化，提高功率因数[6]，可以得到310 V左右的平稳直流电压，经全桥逆变电路进入后级电路。后级电路中高频变压器实现电压隔离，全桥整流电路将变压器副边高频脉冲电压变为直流电压，最后经过双向半桥变换电路实现对输出电压的快速调节，使输出电压可以在290 V左右。前级电路决定了系统稳定性与计费准确性，充电桩中的谐波治理情况也与其有直接关系。

图1 电动汽车充电机原理

1.2 前级APFC电路的模型

Boost APFC结构如图2所示，主要由一个全桥整流器，实现AC/DC变换；滤波电容C之前是一个Boost电路，实现升压的电路变换。从整体回路来看，由一个双闭环结构组成。在具体工作时，通过PWM生成控制开关管VT的信号，且开关VT1与开关VT2信号相反，其中两个开关管都选取MOSFET，不仅提高转换效率，减小电感、电容元件体积[7]，而且使整流后的电流跟随整流后电压的波形，提高功率因数，减小了谐波电流。

图2 APFC的工作原理图

忽略网侧电压畸变，网侧电压有效值假设为U，网侧基波电流有效值设为I1，这时有功功率为[8]：

P=UI1cosγ

(1)

式中γ=α-β是电压与电流的相位差。

视在功率为：

S=UI

(2)

式中I为含有谐波的总电流有效值。

那么，功率因数为：

(3)

式中，含有谐波的总电流有效值和基波电流有效值之比与THD值呈正比，那么，当基波电流不发生相移，整流后电流波形不发生畸变时，达到功率因数为1[9]。所以对于不可控整流减小谐波畸变率是提高功率因数的关键。

2 控制系统与谐波分析

2.1 平均电流控制

针对APFC电路，目前控制方式主要有三种：峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制[10]。峰值电流控制为防止谐波振荡，需要在比较器输入端增加斜率补偿函数[11]；滞环电流控制过程中其频率不固定，对滤波器设计和开关器件选取带来一定困难；平均电流控制与滞环电流控制相比，其开关频率固定，便于控制，与峰值电流控制相比，其电流纹波较小。考虑以上原因，平均电流控制法在实际中应用较多。

APFC电路装置在平均电流控制策略下，iL与is*的误差跟随占空比的改变而改变，从而引起低次谐波电流，输入电流仍有较大失真。

2.2 谐波分析

设交流侧输入电压为：

uin(t)=Umsinωt

(4)

式中Um为交流侧输入电压幅值；ω为角频率。

那么，整流后的电压为：

ud(t)=Um|sinωt|

(5)

电感电流连续时，占空比D为:

(6)

式中U0为APFC电路中负载电压。由式(6)绘出输入电压不同时，占空比波动曲线如图3所示，在同一个周期内，输入电压越大，占空比变化范围越大。

图3 输入电压不同的占空比

而在一个开关周期内，电感电流纹波峰峰值为：

(7)

在每个周期内，根据电感电流伏秒平衡原则得：

udDTs=(U0-ud)DRTs

(8)

式中DR为电感电流减少到零时刻的占空比；U0为输出电压。

那么：

(9)

在一个开关周期内，由式(7)与式(9)知，电感电流平均值为：

(10)

式(10)表示，此时电感电流平均值已不是正弦波形，发生了畸变。

那么，输入电流：

(11)

式中Im为交流侧输入电流幅值。

对式(11)标幺后得：

(12)

由式(12)知，输入电流波形与输入电压、输出电压有关。根据式(12)绘出输入输出比值不同时，输入电流波形，如图4所示。

图4 半个周期内输入电流波形

由图4知，输入电压与输出电压比越小，即D越大，此时电感电流上升阶段，输入电流波形越接近正弦。当电感电流下降阶段，输入电压与输出电压比越小，下降越快，电感电流平均值越接近于0。

输入电压、输出电压比不同时输入电流FFT分析如图5所示。Um/U0越大，输入电流中以低次谐波为主，谐波含量越大。为了有效降低输入电流谐波畸变率，后级电路中变压器变比大小应合理选取。

图5 谐波补偿前输入电流FFT分析

经三角波比较后得出的占空比D在0～1范围内变化，控制开关管的导通与关断。在输入电压固定，开关频率不变时，由式(9)与式(10)知，iL与is*的误差随着D的改变而改变。使得电感电流波形与正常正弦波相比存在下凹，发生电流畸变。

对iin进行傅里叶分解得[12]：

(13)

式(13)中，

将式(12)代入式(13)，经计算输入电流的各次谐波中余弦成分和偶次谐波分量都为0。

其中输入电流可表示为：

(14)

电流总谐波畸变为：

(15)

式中Inm为第n次谐波电流幅值；I1m为基波电流幅值。

取Um/U0=1，n=3时，算得当输入电流THD最小时，I3m≈0.17I1m。

3三次谐波补偿的APFC电路

根据上述分析，整流桥所造成的谐波污染问题，经过APFC电路后输入电流仍有低次谐波的存在，以三次谐波为主。为进一步降低输入电流的谐波含量，优化功率因数。文中采用一种三次谐波补偿策略，在网侧处加入一个三次谐波信号与整流输出端电压信号叠加，共同作为电流内环的输入指令信号。

通过对补偿电流大小合理的控制，可使滤波后iL为正弦波且与电源电压同相位，获得最佳谐波补偿效果，以最大限度的减小电流畸变。由上述知，为进一步提高功率因数需在指令电流中加入三次谐波幅值为0.17I1mA的电流。

4 仿真验证

4.1 仿真电路及结果分析

根据图1搭建MATLAB/Simulink 仿真平台模型。前级APFC电路中仿真参数分别如下：输入电压Uinm=310 V，输入频率fin=50 Hz，输出电压U0=310 V，输出功率P0=1 000 W，输入电感L=3 mH，输出电容C=2 200 μF，开关频率fs=12.8 kHz，电流环PI参数：kip=0.02，kii=0.1，电压环PI参数：kup=150，kui=600，后级电路仿真参数分别如下中：输入电压Uin1=310 V，输入频率fin1=50 Hz，输出电压U=290 V，输入电感L=3 mH，输出电容C=500 μF。

图6为未加APFC时输入侧电流，此时输入电流呈峰值较高的脉冲信号，因只有当输入电压大于输出电容电压时，才会有电流。

图6 未加入APFC时输入电流

根据图7与图8知，在三次谐波补偿前，输入电流波形基本正弦化，但电流波形存在低次谐波。在补偿后，iin畸变得到最大限制，仿真模型中，谐波补偿电流取0. 2 A，相位取-100。三次谐波补偿能够有效降低电流畸变，使输入电流更加接近正弦波，根据其频谱知，加入三次谐波补偿后总谐波失真THD由3.28%降到2.02%。其中，3次谐波幅值由304.5 mA降到2.48 mA，5次以上谐波电流幅值可忽略不计，低次谐波得到有效抑制。

图7 谐波补偿前后输入电流波形

由图9可以看出，三次谐波补偿后，此时输入电压与输入电流波形相似且相位一致，功率因数由0.98提高到0.998，达到了进一步谐波补偿目的。

图8 谐波补偿前后输入电流的FFT分析

图9 网侧输入电压、输入电流波形

4.2 试验验证及结果分析

根据上述数据与分析搭建了样机实验电路，控制器为TMS320F28335；检测电路采用电流霍尔，开关器件选用智能模块FSAM30SH60A，控制器与开关器件之间加入6N137光隔电路。

受到实际实验台硬件原因的限制，实验环境、波形与仿真结果有一定出入，频域跟踪效果如图10所示，三次谐波未补偿时输入电流THD=5.67%，其中三次谐波含量较大。

图10 三次谐波未补偿时输入电压/电流波形

在实际试验中，考虑相位对电流跟踪效果影响。分别给出相位取00、-50、50，如图11所示。随着注入三次谐波幅值与相位的改变，电流大小不变，跟随效果改变，相应THD值也受到影响。

图11 相位不同时输入电压/电流波形

由分析知，调节信号中三次谐波补偿幅值与相位能够改善输入电流波形，三次谐波补偿后总谐波失真THD由5.67%降到2.62%。实现了有效减小谐波含量，使得功率因数进一步提高。

5 结束语

电动汽车充电桩含有大量非线性装置，输入电流会含有大量谐波不仅污染电网，对充电设备的寿命也会造成威胁。传统的平均电流控制策略会使网侧电流含有低次谐波分量。基于充电桩中谐波产生机理，对其产生进行谐波分析，在APFC补偿的基础上，提出了一种三次谐波补偿策略，三次谐波补偿使得电感电流脉动减少，增大了其平均值。在充电桩中，加入APFC补偿并注入三次谐波，通过调节三次谐波相位与幅值大小能够对充电站所产生的谐波进行治理。通过仿真与实验平台，验证了所述控制方法的正确性。