CN103812109B - 一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，包括根据实测有源滤波器停运时的充电机电压电流波形，估算三相不可控整流的等效电路参数；根据所估算的等效电路参数，结合获得的充电站并联有源滤波器补偿率信息，构建含有源滤波器的充电站仿真模型，确定并联有源滤波器工作后充电机注入电网的交流电流，根据所述的仿真模型可分析三相充电机的不同运行工况；根据仿真所获取的充电电流，结合有源滤波停运时的实测充电机电流，引入放大系数以描述充电站并联有源滤波器工作前后的谐波放大效应；根据所定义的充电站谐波放大系数，计算并联有源滤波器工作前后的放大系数为给定补偿率下的有源滤波器容量配置提供依据。

Description

一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电站并联有源滤波器领域，尤其涉及电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置。

背景技术

随着环境污染和能源危机的加剧，作为新能源的电动汽车随之推广和应用，与之相配套的充、换电站等充电设施也在逐步建设。然而，大量的以现代电力电子技术为基础的大功率非线性充电机接入电网，将对电网产生不容忽视的谐波影响。为抑制电网中非线性负载接入点的谐波电流和电压，可采用并联有源滤波器进行补偿，这将导致负载总的谐波电流会出现放大效应。

电动汽车充电站通常配置有源滤波器，通过检测多台充电机的谐波电流并生成幅值相等但相位相反的补偿电流注入电网，使电网只需提供充电机消耗的基波有功电流，达到降低谐波污染的作用。当充电站有源滤波器工作后，减小了充电机端电压的谐波，这可能导致充电机总的输出电流谐波将增加即出现放大效应。如果忽略有源滤波引起的充电机谐波电流放大效应，可能导致谐波电流不能被完全补偿(或有源滤波器过载)。因此，需要根据充电站并联有源滤波后的谐波放大效应对有源滤波器的容量进行修正。

现有技术中的充电机谐波放大效应分析方法主要有：时域仿真、物理模拟。但这些方法但这些方法计算量大、难以解析计算。目前针对并联有源滤波引起不可控整流负荷的谐波放大效应，已有研究定义了放大系数这个参数来定量描述该效应，并利用时域仿真分析其谐波放大特性。此外，还有学者采用戴维南电路对谐波负载进行等值，推导不同补偿率下谐波放大系数解析式。但是推导过程未考虑各次谐波间的耦合，不能真实反映非线性负荷谐波放大效应。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法。

为了解决上述技术缺陷，本发明的技术方案如下：

一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，包括如下步骤：

11）根据实测的充电机电压电流波形，测量交流电流波形的峰值B及其对应的角度γ_max和导通区间内电流波形的宽度A，根据所述的三相充电机交流电压、电流波形和电路参数之间的内在联系估算等效电路参数L_f、C和R；

12）根据估算的充电机等效电路参数和获取的并联有源滤波器补偿率信息，结合电网电压条件和系统阻抗，构建电动汽车充电机的仿真模型；

13）根据所构建的仿真模型求得并联有源滤波器工作后的充电机电流，将所求得的电流减去其基波电流，获得有源滤波器补偿后的充电机电流谐波分量；

14）将所述的实测充电机电流减去其基波电流，获得有源滤波器停运时的充电机电流谐波分量，根据谐波放大系数，将有源滤波器工作与停运时的充电机谐波分量最大值作除法运算，该除法的结果即为定量衡量充电站谐波放大效应的参数，根据所述的除法结果修正有源滤波器的容量。

进一步的，所述步骤11）具体包括如下步骤：

21）计算直流负载电压U_R、导通角α和截止角δ;

22)计算滤波电感L_f;

23)计算等效负载电阻R和滤波电容C。

进一步的，所述步骤12）具体包括如下步骤：所述仿真模型包括将电网通过电阻和电感串接后，并联有源滤波器后，并接充电机等效电路。

进一步的，所述步骤14）具体包括如下步骤：将实测的充电机电流做频谱分析求得各次谐波电流的幅值和相位，不考虑基波电流由各次谐波的幅值和相位求得充电电流的谐波分量，再将仿真所得的有源滤波器工作后的充电机电流作上述处理，所得的结果与实测得到的充电电流谐波分量作除法运算求得放大系数。

本发明的有益效果在于：电动汽车充电站通常配置并联有源滤波器，以补偿接入点谐波电流和电压，这将使电动汽车充电机的谐波电流出现放大效应，忽略该效应可能导致谐波电流不能被完全补偿(或有源滤波器过载)。本发明考虑充电站并联有源滤波工作后导致的充电站谐波放大效应，通过计算描述该效应的放大系数以指导有源滤波器的容量选型，与现有技术相比，具有以下优点：

1、根据所述的参数估算方法，由实测的充电机电压电流波形可较好地估算三相不可控整流等效电路的参数，方法简单有效。

2、根据充电站并联有源滤波器工作时出现的放大效应，考虑该效应对有源滤波器的容量进行配置，防止滤波器过载。

3、根据所述的充电站谐波放大效应，引入放大系数定量描述该效应；当充电机功率、台数增加或者电网短路容量减小时，充电电流谐波幅值增量更大而超过有源滤波器的抑制能力，通过计算分次谐波与总谐波电流的放大系数可有效地确定所述的不同因素对充电站放大效应的影响。

4、将测量所获得的与计算得到的充电机交流电流谐波分量最大值进行代数运算求出所述的放大系数，该放大系数为充电站并联有源滤波器的容量选型配置提供了依据，具有实际意义。

附图说明

图1为本发明电动汽车充电站有源滤波器的容量配置原理方框图；

图2为本发明构建的充电机仿真模型；

图3为本发明电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置具体步骤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明公开一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置系统，根据实测的充电机电压电流波形，估算三相不可控整流的等效电路参数，其中，该参数包括直流侧滤波电感电容和电阻等，根据估算出的充电机等效电路参数构建充电机的谐波模型，该模型考虑了三相充电机不同运行工况下充电电流断续和连续的情况；根据获取的充电站并联有源滤波器的补偿率信息，结合所述的实测充电机电流，推导出充电机接入点的端电压，通过所述的谐波模型求取充电机的充电电流；引入放大系数以描述充电站并联有源滤波器工作前后的谐波放大效应，将所求取的给定补偿率下的充电电流结合实测的充电机电流波形求得谐波的放大系数，该所述的放大系数为给定补偿率下的有源滤波器容量配置及选型提供依据，本发明可有效地指导电动汽车充电站并联有源滤波器的控制设计和容量配置选型。

参照图1示出了本发明电动汽车充电站并联有源滤波器容量配置系统的原理框图，包括：

步骤1：根据实测的充电机电压电流波形，估算三相不可控整流的等效电路参数。

其中，所述的三相充电机等效电流参数包括直流侧滤波电感电容和电阻等。

需要说明的是，采用三相不可控桥式整流电路对电动汽车充电机进行等效，每相的充电电流在半周波内存在两次充电过程，当充电机轻载或重载时所述的两次导通过程中充电电流会出现断续和连续，将α₁、α₂和δ₁、δ₂记为二极管在半周波内第1、2次充电过程的导通和截止角。因电路参数L_f、R_f和C固定，而负载电阻R与充电功率有关，不同的充电功率导致R发生变化，使电动汽车充电机运行在不同的工况。由于直流滤波电容C容量很大，认为直流侧负载电压u_R保持恒定u_R(t)=U_R。此外，损耗电阻R_f很小忽略不计。

由上述描述可知，根据充电机运行在某种工况下的电压电流波形，测量交流电流i_a波形的峰值B及其对应的角度γ_max和导通区间内电流i_a波形的宽度A，由交流电压、电流波形和电路参数之间的内在联系估算电路参数L_f、C和R，充电功率增加或减小导致充电机运行工况变化时，只需对负载电阻R进行修正。

1）直流负载电压U_R、导通角α和截止角δ的估计

实际电网电压包含若干奇次谐波分量，设充电机的交流侧端电压为，

其中，h=1,3,5,…为奇次谐波次数，U_h和φ_h为h次谐波电压有效值和相位，H为研究的最高电压谐波次数，m＝1,2,3分别表示abc三相。

以a相电流i_a为例，半周波的第1充电导通区间[α₁,δ₁]内有，

$-u_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=L_f\frac{{\mathrm{di}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+R_f\·i_a\left(t\right)+u_R\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，u_ab为ab的线电压，L_f和R_f为直流侧滤波电感及其损耗电阻考虑到所述的直流侧的假设，可简化为，

${-u}_{\mathrm{ab}}\left(\mathrm{\θ}\right)={\mathrm{\ωL}}_f\frac{{\mathrm{di}}_a\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{d\θ}}+U_R---\left(3\right)$

因A=δ₁-α₁，i_a(δ₁)=0，i_a(α₁)=0，将上式在[α₁,δ₁]区间积分后得，

考虑到U_R=-u_ab(α₁)，即

联立上式可求出导通角α₁，δ₁=α₁+A。对于三相不可控整流电路第1、2次充电过程导通角和截止角还满足δ₂=δ₁+π∕3和α₂=α₁+π∕3，据此可求出充电电流断续时的导通角和截止角。

2）滤波电感L_f的估计

根据充电机交流侧电流i_a的底部高度B和直流侧负载电压U_R可确定L_f。在区间[α₁,γ]内(3)式两端积分得，

考虑到i_a(γ_max)=-B，有

3）等效负载电阻R和滤波电容C的估计

根据充电机运行时的实际耗散功率P，可得到相应的负载等效电阻R，

$\frac{U_R^2}{P}---\left(8\right)$

根据电动汽车充电机的放电过程求得滤波电容C。以a相电流为例，第1导通区间[α₁,δ₁]内二极管D₁、D₆完成一次充放电过程。t=δ₁/ω时负载电压u_R波形对应值近似为u_abmax，之后电容以该电压为初始值按指数规律衰减直到下一对二极管导通时，与ac线电压相交。

$u_{\mathrm{ab}\max }\·e^{-({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\δ}}_1)/\left(\mathrm{\ωRC}\right)}=-u_{\mathrm{ab}}({\mathrm{\α}}_2/\mathrm{\ω})---\left(9\right)$

步骤2：根据所估算的等效电路参数，结合获得的充电站并联有源滤波器补偿率信息，构建含有源滤波器的充电站仿真模型，确定并联有源滤波器工作后充电机注入电网的交流电流。

其中，所述的补偿率定义为充电站有源滤波补偿电流与充电电流谐波分量的比值，根据所构建的仿真模型可分析三相充电机不同运行工况下充电电流断续和连续的情况。

为了能够清楚说明本发明所获得的并联有源滤波器工作后充电机的交流电流，参照图2，示出电动汽车充电站的仿真模型。所述的并联有源滤波器通过检测充电机的谐波电流并生成幅值相等但相位相反的补偿电流注入电网，使电网只需提供充电机消耗的基波有功电流，达到降低谐波污染的作用；

根据充电站有源滤波补偿电流与充电电流谐波分量的比值定义并联有源滤波器的补偿率λ；

$\mathrm{\λ}=\frac{I_{\mathrm{hc}}}{I_h}$

其中i_h和i_hc为充电站充电电流的谐波分量和有源滤波补偿电流。

需要说明的是，当充电站有源滤波器工作后，减小了充电机端电压谐波，这可能导致充电机总的输出电流谐波将增加即出现放大效应，所述的谐波放大效应指并联有源滤波器工作时的多台充电机接入点谐波电流存在放大现象。

步骤3：根据仿真所获取的充电电流，结合所述的有源滤波停运时的实测充电机电流，引入放大系数以描述充电站并联有源滤波器工作前后的谐波放大效应。

根据充电站并联有源滤波器工作时可能导致充电机接入点谐波电流存在放大效应，为定量描述该效应，将所述的谐波放大系数定义为有源滤波器工作与停运时充电机谐波电流最大值之比；

$\mathrm{IF}=\frac{i_{\mathrm{ah},\mathrm{amx}}^{\′}}{i_{\mathrm{ah},\mathrm{amx}}}$

其中i_ah,max’和i_ah,max为充电站并联有源滤波器工作与停运时充电机电流的谐波分量最大值。

将所述的实测和仿真计算的充电机电流分别去除基波分量，得到并联有源滤波器停运和工作时的充电电流谐波分量。

需要说明的是，将实测的充电机电流做频谱分析求得各次谐波电流的幅值和相位，不考虑基波电流由各次谐波的幅值和相位求得充电电流的谐波分量，再将仿真所得的有源滤波工作后的充电机电流作上述处理，所得的结果与实测得到的充电电流谐波分量作除法运算求得放大系数。

步骤4：根据所定义的充电站谐波放大系数，计算并联有源滤波器工作前后的放大系数。

其中，根据求得的放大系数可指导并联有源滤波的容量配置选型。

参照图3，示出了本发明电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置具体实施步骤，包括：

1）根据实测的充电机电压电流波形，测量交流电流i_a波形的峰值B及其对应的角度γ_max和导通区间内电流i_a波形的宽度A，根据所述的三相充电机交流电压、电流波形和电路参数之间的内在联系估算电路参数L_f、C和R；

2）根据估算的充电机等效电路参数和获取的并联有源滤波器补偿率信息，结合电网电压条件和系统阻抗，构建电动汽车充电机的仿真模型；

3）根据所构建的仿真模型求得并联有源滤波器工作后的充电机电流，将所求得的电流减去基波获得有源滤波补偿后的充电机电流谐波分量；

4）将所述的实测充电机电流减去其基波电流获得有源滤波器停运时的充电机电流谐波分量，根据所述的谐波放大系数，将有源滤波工作与停运时的充电机谐波分量最大值作除法运算，该除法的结果即为定量衡量充电站谐波放大效应的参数，根据所述的除法结果修正有源滤波器的容量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

11)根据实测的充电机电压电流波形，测量充电机电流波形的峰值B及其对应的角度γ_max和导通区间内电流波形的宽度A，根据三相充电机交流电压、电流波形和电路参数之间的内在联系估算三相不可控整流的等效电路参数L_f、C和R；

12)根据估算的充电机等效电路参数和获取的并联有源滤波器补偿率信息，结合电网电压条件和系统阻抗，构建电动汽车充电机的仿真模型；

13)根据所构建的仿真模型求得并联有源滤波器工作后的充电机电流，将所求得的电流减去其基波电流，获得有源滤波器补偿后的充电机电流谐波分量；

14)将所述的实测充电机电流减去其基波电流，获得有源滤波器停运时的充电机电流谐波分量，根据谐波放大系数，将有源滤波器工作与停运时的充电机谐波分量最大值作除法运算，该除法的结果即为定量衡量充电站谐波放大效应的参数，根据所述的除法结果修正有源滤波器的容量。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其特征在于，所述步骤11)具体包括如下步骤：

21)计算直流负载电压U_R、导通角α和截止角δ；

22)计算滤波电感L_f；

23)计算等效负载电阻R和滤波电容C。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其特征在于，所述步骤12)具体包括如下步骤：所述仿真模型包括将电网通过电阻和电感串接后，并联有源滤波器后，并接充电机等效电路。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其特征在于，所述步骤14)具体包括如下步骤：将实测的充电机电流做频谱分析求得各次谐波电流的幅值和相位，不考虑基波电流由各次谐波的幅值和相位求得充电电流的谐波分量，再将仿真所得的有源滤波器工作后的充电机电流作上述处理，所得的结果与实测得到的充电电流谐波分量作除法运算求得放大系数。