汽车充电桩(V2G)并网直流分量的抑制措施

程凌国，杨 志

汽车充电桩(V2G)并网直流分量的抑制措施

程凌国，杨 志

(万邦数字能源股份有限公司南京研究院，江苏 南京 210004)

简述了汽车充电桩的并网发电(V2G)运行模式及三相逆变器产生直流分量的原因。并在此基础上引入谐振控制器(PR)，改进了三相逆变器双环控制结构，从而抑制直流分量的生成。给出了样机测试结果，证明了方案的有效性。

V2G；三相逆变器；直流分量；谐振控制器；抑制；充电桩；双环控制

0 引言

化石燃料推动了工业的发展，但也给环境造成了严重污染，比如饱受诟病的汽车尾气排放问题。随着人类环保意识的提升加之石油能源的日渐枯竭，动力能源的变革是大势所趋。

电动汽车具有零排放、效能高等优点，使其成为节能、减排的有效途径。充电桩[1-2]作为电动汽车的基础设施，类似于加油站的加油机，作用愈发重要。

燃油车通过加油机补充燃料，电动汽车通过充电桩将电能储存在电池中，这一功能正在朝着快速、大容量的方向发展。与此同时，随着电动汽车的数量急剧增加，车载电池存储的电能越来越巨大，如果可以利用，必将成为电网的又一能源补充。为此，充电桩作为连接汽车电池与电网的桥梁，放电功能(V2G)也被逐渐重视，相关的标准也在逐步推进。

充电桩的功率模块是实现能量双向流动的主要部件，充电时从电网获取能量，放电时则将电池能量送入电网，如图1所示。充电桩是能量双向流动的转换枢纽。

图1 充电桩充放电示意图

而大容量的充电桩和电网对接一般是三相逆变器模块，其拓扑结构如图2所示。

图2 三相逆变器示意图

其中Udc为直流母线电压；Va，Vb，Vc为逆变器输出电压；Iga，Igb，Igc为三相电感电流；Vga，Vgb，Vgc为三相电网电压；L为滤波电感，C为滤波电容，K1为并网继电器。

三相并网逆变器在dq坐标系下的控制方程为

目前逆变器为了减小体积控制成本，前端一般不配置隔离变压器，这就给直流分量提供了入网条件，而直流分量进入电网会有一系列危害，比如使变压器波形畸变、电机转矩波动等，因此如何抑制进入电网的直流分量，成为了并网逆变器必须解决的问题之一。

本文在研究了直流分量的产生原因及常用的控制方案后，提出了一种抑制直流分量的方法，并在样机上测试，验证了方法的有效性。

1 直流分量的产生

理论上三相逆变器参考值中不含直流偏置，但实际中因为采样调理电路的零点漂移，数字控制环路的截断误差等[3]，导致三相逆变器输出包含直流分量。如图3所示。T1周期内波形上下对称，T2周期内正半波附带了直流偏置，波形正负半波不对称，产生了直流分量。

图3 直流偏置示意图

三相逆变器常在dq坐标系下采用双环控制策略，如图4所示。而当三相电流(图2中所示Iga，Igb，Igc)中含有直流偏置Idc时，使用公式(2)(3)(4)三相瞬时信号转换到dq坐标系，交流分量变为直流量Igd、Igq，直流偏置变成工频的交流量Idc_d、Idc_q。

因此，传统的闭环控制环路(图4)对采样造成的直流偏置调节能力较弱[5]，不足以抑制出现的直流分量。有论文指出可以对直流分量单独控制，其思路为先滤取直流量，然后增加PI环路叠加到原双环结构上。为了获取直流偏置，一般采用低通滤波器或带通滤波器[8]，但得到的直流偏置在相位和幅值上都会有所减小。也有学者指出利用滑动平均法获取直流分量，但在频率波动时容易出现直流分量振荡问题[7]，需要特殊方法处理。

图4 传统的双环控制示意图

2 比例谐振控制器

理想的比例谐振控制器(PR)传递函数：

从其波特图(图5)可以看出，在特定频率上有较高的增益，可以实现零稳态误差。

电网频率有一定的波动范围，为了获取抑制在dq坐标系下的直流分量，增加控制器带宽，设计了准PR控制器，传递函数如下。

其中，Kp为比例增益，Kr为谐振频率的增益，wc为控制器的带宽，w0为谐振角频率，此处为电网工频对应的角频率。波特图如图6。

图6 准PR控制器波特图

在此基础上，利用谐振控制器的特性，稳态时直接获取直流分量，改进设计了新的双环控制结构。

3 新型抑制直流分量的方案

3.1 改进的双环控制结构

本文提出的抑制交流电流中直流分量的策略如下：

(1) 不使用硬件采样或瞬时值滤波得到直流分量，而是从dq坐标系下利用PR控制的特性抑制直流分量的产生。

(2) 将PI+PR的电流环优化为PIR的控制器。PIR的传递函数为：

其中，ki为积分系数，波特图如图8所示，可见在dq坐标系下提高了对工频的直流分量增益。

图8 PIR控制器波特图

(3) 对PR控制器输出限幅处理，提高安全性。

3.2 实验结果

按照上述分析设计了控制器，实验在一台充电桩10 kW逆变器模块上进行，母线电压700 V，输出电压380 V/50 Hz。12位A/D转换器，开关频率50 kHz。

图9为未加入直流分量抑制，采用传统双环控制时测试随功率增大的直流分量情况。可见随着功率的增大，注入电网的直流电流越来越大。

图10为加入谐振控制器后的直流分量测试情况，可见随着功率的增大，直流电流有所增加，但都在40 mA以下，之所以无法降为0，主要受AD转换器的精度影响。

图9 传统双环控制下的直流分量

图10 改进后双环控制下的直流分量

4 结语

(1) 充电桩通过三相并网逆变器可以实现电动汽车通过向电网反送电能。

(2) 通过加入谐振控制器，可以提高逆变器双环控制结构的直流分量抑制性能。

实验结果表明，该方法对直流分量的抑制效果较好，可以满足工程需要。

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Strategy for suppressing DC component in grid-connected vehicle charging pile

CHENG Lingguo, YANG Zhi

(Wanbang Digital Energy Co., Ltd. Nanjing Research Institute, Nanjing 210004, China)

This paper briefly describes the vehicle-to-grid (V2G) operation mode of vehicle charging piles and the causes of DC component of three-phase inverter. On this basis, the resonant controller is added to improve the voltage and current dual-loop structure of three-phase inverter, so as to suppress the generation of DC component. The effectiveness of the scheme is proved by the successful application on the prototype.

vehicle-to-grid; three-phase inverter; DC component; resonant controller; suppressing; vehicle charging pile; dual-loop control

2020-09-11

程凌国(1985—)，男，工程师，万邦数字能源股份有限公司。E-mail: yc1820@126.com