CN102496935A - 一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统，本发明公开了该系统包括若干台并联的充电机模型，每台充电机模型分别与充电机初始容量控制模块和充电机投入停止控制模块连接，充电机初始容量控制模块和充电机投入停止控制模块分别与自定义充电站参数设置模块连接；所述每台充电机由380V交流电压供电。本发明对原有简化的充电机模型进行了改进，使其输出特性与实际充电机输出特性相符，且仿真系统使其能改变影响充电站谐波特性的因素，以便更可靠的仿真充电站的实际充电情况，研究其谐波特点以及对电网产生的影响，从而指导大规模充电站建设和谐波抑制装置设计。

Description

一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统

技术领域

本发明属于电动汽车充电站对电网影响仿真技术领域，涉及一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统。

背景技术

电动汽车的发展是解决能源、环境问题一个重要途径，其各方面技术都处在快速发展的阶段，作为充电设备的充电机由整流电路组成，因而产生谐波对电网造成污染，所以包含大量充电机的电动汽车充电站必然对电网电能质量造成污染。为指导充电站的建设，抑制其产生的谐波对电网的影响，我们应该建立可以模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统。

首先充电站是由多台充电机组成的，现有的充电机模型为简化模型，即将三相整流后的电路等效为一个非线性电阻，但其输出特性与实际充电机输出特性有一定的差别。其次影响充电站谐波大小的因素有充电机数量、充电机投入时间、充电电池额定充电电压、电流，充电电池初始状态以及充电方式等，现有的充电站仿真模型比较简单，并不能完全改变这些因素以研究充电站在不同情况下运行产生谐波的特性。第一，它不能改变充电电池的初始状态，只能仿真充电电池初始状态为0Ah的情况，而在现实情况中，电动汽车充电电池在充电时，其初始容量一般为总容量的20％-40％；其次，它不能很好的控制充电机的启停运行。当充电电流小于0.015C(C为电池总容量)时，可以认为充电电池充满，应当停止充电机的运行，原充电站仿真模型中没有控制充电机的停止运行时间。在控制充电机的投入运行上，原充电站仿真模型利用Fortran内部函数TIME控制充电机的投入时刻，但对于含有几十台充电机的充电站，要依次设定时间是比较麻烦的。第三，原充电站模型并不能随意选择充电机的台数，不能更改充电电池额定充电电压、电流等参数。

总的来说，现有的充电站仿真系统不能更接近实际的仿真不同情况下充电站产生的谐波特点。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统，其对原有简化的充电机模型进行了改进，使其输出特性与实际充电机输出特性相符；然后设计充电站仿真系统，使其能改变影响充电站谐波特性的因素，以便更可靠的仿真充电站的实际充电情况，研究其谐波特点以及对电网产生的影响，从而指导大规模充电站建设和谐波抑制装置设计。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统，该系统包括若干台并联的充电机模型，每台充电机模型分别与充电机初始容量控制模块和充电机投入停止控制模块连接，充电机初始容量控制模块和充电机投入停止控制模块分别与自定义充电站参数设置模块连接；所述每台充电机由380V交流电压供电。

所述的充电机模型包括380V交流电源供电模块，所述380V交流电源供电模块依次与整流滤波模块，高频逆变模块，高频变压模块和高频整流滤波模块连接，其中所述高频逆变模块采用600Hz，空占比为50％的方波控制。

所述的自定义充电站参数设置模块包括充电机台投入台数设置元件，充电电池参数设置元件，充电机投入时刻设置元件和充电方式设置元件。

所述充电机模型建立方法如下：充电机首先对380V整流滤波，再通过高频逆变、变压、整流滤波获得不同等级的直流，为充电电池供电；然后根据充电机输出电压特性，获得充电机输出电压曲线，通过负反馈控制电路控制高频变压器的变比，使模型输出电压与充电机输出电压特性相同；根据测试数据拟合充电机输出功率曲线，由

可得充电电池的等效电阻特性；按该方法建立的充电机模型，其输出特性与实际充电机相符，更能模拟充电机运行产生的谐波影响；其中：

U(t)为输出电压特性， $U\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.325\frac{U}{a}\&times;t+0.675U& 0<t<a\\ U& a<t<b\\ 0& t>b\end{array}\right.;$

Po(t)为输出功率特性， $P_o\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.79P_{O\max }{t}^{0.048}& 0<t\&le;a\\ P_{O\max }{e}^{-0.021\&times;(t-a)}& a<t\&le;b\end{array}\right.;$

其中，U为电动汽车充电电池的额定电压；P_omax为充电机最大输出功率；a为恒流充电结束时刻；b为恒压充电结束时刻。

本发明的有益效果：根据将建的充电站参数，预测其在运行时产生的谐波特点及大小，以指导充电站谐波抑制装置的设计，使在到达抑制谐波的效果情况下，投资最少。

附图说明

图1充电机原理结构图；

图2改进的充电机仿真模型示意图；

图3充电机输出电压负反馈控制图；

图4充电站整体控制图；

图5自定义充电站参数设置元件示意图；

图6充电电池参数设置示意图；

图7充电机运行控制电路图；

图8电池初始容量转换电路图；

图9充电机接入时刻和充电电池初始容量示意图；

图10为模拟不同情况运行下充电站谐波特性的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明首先对充电机的模型进行改进，充电机原理结构图如图1所示，从10KV母线过来的交流通过变压器变为380V交流。充电机首先对380V整流滤波，再通过高频逆变、变压、整流滤波获得不同等级的直流，为充电电池供电。

然后根据充电机输出特性，获得充电机输出电压曲线，通过负反馈控制电路控制高频变压器的变比，使模型输出电压与充电机输出电压特性相同；根据测试数据拟合充电机输出功率曲线，由

可得充电电池的等效电阻特性。按该方法建立的充电机模型，其输出特性与实际充电机相符，更能模拟充电机运行产生的谐波影响。

输出电压特性：

$U\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.325\frac{U}{a}\&times;t+0.675U& 0<t<a\\ U& a<t<b\\ 0& t>b\end{array}\right.---\left(1\right)$

输出功率特性：

$P_o\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.79P_{O\max }{t}^{0.048}& 0<t\&le;a\\ P_{O\max }{e}^{-0.021\&times;(t-a)}& a<t\&le;b\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中U为电动汽车充电电池的额定电压；P_omax为充电机最大输出功率；a为恒流充电结束时刻；b为恒压充电结束时刻。

根据充电机原理图和建模方法建立的充电机仿真模型，如图2所示。其中高频逆变器用600Hz，空占比为50％的方波控制；其输出电压负反馈控制电路如图3所示，为自定义电压反馈控制元件，由编写的Fortran程序实现。

影响一个充电站谐波电流的因素包括充电机的投入数目、充电机的投入时刻、充电站的充电方式(常规充电、快速充电)、充电电池额定充电电压、电流以及充电电池的初始容量等，因此在建立充电站模型时应该考虑这些变量的控制。对于充电站，每台充电机都需要设置这些参数，因此为了统一设置参数，我们建立充电站参数设置元件，其中电池额定电压电流、充电方式的参数直接输入到充电机的模型，以控制充电机的输出功率曲线的最大值；充电机初始容量参数输入到充电机初始容量控制模块，转化为对应的时间，再输入到充电机模型控制功率曲线的输出；充电机投入数目、时刻等参数输入到充电机投入停止控制模块，改变断路器的开合以控制充电机的投入和停止，整体的结构控制方法如图4所示。

利用PSCAD/EMTDC仿真软件的自定义功能，建立新的元件，通Fortran语言编程使其具有参数输入和输出功能。建立充电站参数设置元件如图5所示；其中The number of charging machine为充电机台投入台数设置(1-64台)；The parameters of Battery为充电电池参数设置，包括额定电压、电流和初始容量；Charging machine access time为充电机投入时刻设置；Chargingspeed为充电方式设置。例如选择The parameters of Battery，如图6所示；其中bc1为第一个充电电池额定容量；bv1为第一个充电电池额定电压；bs1为第一个充电电池初始容量。

图7为充电机运行控制电路图；在该图中，充电机的投入和停止依靠断路器的投切实现。而断路器由三个因素控制，即充电机台数、充电机投入时刻、充电电池充电电流与0.015C的大小关系(C为电池总容量)，将这三个条件分别转化为整数0或1，再通过与否逻辑门控制断路器的开和关。

由图7可以看出，只有当信号A、B、C都为1时，信号BRK为0，此时断路器闭合，在其他情况下，断路器都为断开状态。其中C为充电机选中信号，当在充电站参数设置元件中选中该台充电机时，信号C为1，由此控制充电机台数；B为充电机投入信号，当程序运行到充电站参数设置元件中设置的投入时刻T1时，信号B为1，由此控制充电机的投入时刻；A为充电机停止运行信号，当充电电池的充电电流小于0.015C，信号A为0，由此控制充电机停止运行。

图8为电池初始容量转换电路图，根据充电机充电特性，充电电池的初始容量的大小(小于总容量的80％)对恒流阶段的电流大小没有影响。如果对一个初始容量为0的充电电池充电，在t1时刻电池容量为w，则对一个初始容量为w的充电电池充电，充电机的输出功率曲线函数如下式所示：

$P_o\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.79P_{O\max }{t}^{0.048}& t_1<t\&le;a\\ P_{O\max }{e}^{-0.021\&times;(t-a)}& a<t\&le;b\end{array}\right.---\left(3\right)$

因此在t₁时刻将满足等式(4)：

$0.79P_{O\max }{t_1}^{0.048}\&divide;l\&times;{\mathrm{Ah}}_2={\&Integral;}_0^{t_2}0.79P_{O\max }{t}^{0.048}\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中P_omax为充电机最大输出功率；1为恒流电流；Ah₂为初始容量。

为了不影响整体的仿真效果，必须在很短的时间内求解出t₁，我们将仿真时间缩短1000倍，在0.15秒内求出t₁。

图8的主要原理：在一个充电机的模型中，有两个充电机输出功率函数对应的电路。在第二个电路中，将仿真时间缩短1000倍，利用仿真模型中前0.15s的时间，求出0-a时间段中的功率曲线，对其积分可得对应的充电容量，与充电电池的初始容量Ah2对应的电能相比较，在相等时是发出信号，再利用后面的电路分离出发出信号的时刻，最后将时间扩大1000倍，即为初始容量对应的时间t1，该时间为充电机输出功率函数对应的第一个电路的初始时间。

总之，该充电站仿真系统能比较全面的模拟不同情况运行下充电站谐波特性。

实施例：

本实施例是通过该仿真模型模拟充电站在早晨情况下的谐波特性。模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真方法的流程图如图10所示，主要步骤是：

步骤1、预测充电者的充电行为，主要为充电时刻，从而预测充电机投入时刻。在实施例中，根据某区域的上班时刻预测了充电者的充电行为。当然也可以通过其他方法预测充电者的行为。

步骤2、调查电动汽车充电机的主要型号的充电电池参数，如充电额定电压、充电额定电流。

步骤3、根据已建立或将要建立的充电站，修改仿真中变压器等参数。

具体步骤为：首先收集充电站参数以及运行特性，即充电机数目、电动汽车的电池型号、电动汽车早晨充电的基本规律等。假设一个地区的充电站能满足电动汽车的充电需求，人们为电动汽车充电一般会选择就近原则，即一个居民早晨去上班，会选择上班地点附近的充电站进行充电，在晚上下班回家后，会选择居住地附近的充电站进行充电。所以对一个充电站来说，在早晨运行情况中，可以利用该地区人们到达工作地点的时间预测90％的充电机投入时刻，10％的充电机按随机方式确定投入时刻。

通过调查，某一地区上班时刻及所占的比例如表1所示：

表1上班时刻及所占比例

假设该地区的充电站能满足充电汽车的充电需求，则90％的充电机投入时刻与表1中的时间和比例一致，假设该充电站有60台充电机，则充电机的投入时刻和数量如表2所示：

表2一段时间内投入充电机的数目

其中在某一时间段内具体的充电机投入时刻按随机选取。对于充电电池的初始容量，考虑在总容量的20％-40％之间随机选取。根据以上数据预测某一时刻投入的台数和对应充电电池的初始容量如图9所示。

根据上述数据，设置充电站参数设置元件的参数，即可运行仿真模型，研究在该情况下充电站的谐波特性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统，其特征是，该系统包括若干台并联的充电机模型，每台充电机模型分别与充电机初始容量控制模块和充电机投入停止控制模块连接，充电机初始容量控制模块和充电机投入停止控制模块分别与自定义充电站参数设置模块连接；所述每台充电机由380V交流电压供电。

2.如权利要求书1所述的一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统，其特征是，所述的充电机模型包括380V交流电源供电模块，所述380V交流电源供电模块依次与整流滤波模块，高频逆变模块，高频变压模块和高频整流滤波模块连接，其中所述高频逆变模块采用600Hz，空占比为50％的方波控制。

3.如权利要求书1所述的一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统，其特征是，所述的自定义充电站参数设置模块包括充电机台投入台数设置元件，充电电池参数设置元件，充电机投入时刻设置元件和充电方式设置元件。

4.如权利要求书2所述的一种模拟不同情况运行下充电站谐波特性的仿真系统，其特征是，所述充电机模型建立方法如下：充电机首先对380V整流滤波，再通过高频逆变、变压、整流滤波获得不同等级的直流，为充电电池供电；然后根据充电机输出电压特性，获得充电机输出电压曲线，通过负反馈控制电路控制高频变压器的变比，使模型输出电压与充电机输出电压特性相同；根据测试数据拟合充电机输出功率曲线，由

可得充电电池的等效电阻特性；按该方法建立的充电机模型，其输出特性与实际充电机相符，更能模拟充电机运行产生的谐波影响；其中：

U(t)为输出电压特性， $U\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.325\frac{U}{a}\&times;t+0.675U& 0<t<a\\ U& a<t<b\\ 0& t>b\end{array}\right.;$

P_o(t)为输出功率特性， $P_o\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.79P_{O\max }{t}^{0.048}& 0<t\&le;a\\ P_{O\max }{e}^{-0.021\&times;(t-a)}& a<t\&le;b\end{array}\right.;$

其中，U为电动汽车充电电池的额定电压；P_omax为充电机最大输出功率；a为恒流充电结束时刻；b为恒压充电结束时刻。

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