CN103928930A - 减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力领域，涉及电动汽车充电站，具体为一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法。考虑到有源滤波器和无源滤波器（C型滤波器）都有其优点和缺点，现把有源滤波器和C型滤波器结合而成的混合滤波器接在电网侧，并采用“双阶段”间谐波检测方法，把还存在的谐波用FFT方法将其滤除，最终可以将加入电网侧的谐波减少到最小。

Description

减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法

技术领域

本发明属于电力领域，涉及电动汽车充电站，具体为一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法。

背景技术

随着环境危机和能源危机所带来的影响日益显著，电动汽车作为新一代节能与环保工具的代表进入了发展高潮，但是由于充电机中的整流装置等非线性元件的存在，造成大量电力谐波污染，导致电能质量日益恶化。

电动汽车充电站接入电网以后，会给电网中加入很多谐波，在三相平衡系统中，5次及7次谐波尤其明显。充电机接入电网时都要通过变压器，其接入方式如图1所示。

电动汽车充电站中多台充电机同时工作，这时，多台充电机输入电流之和是供电网输入充电站的总电流。由下式可知，当充电机输出功率发生变化时，输入电流的某一次谐波的幅值和相角都将发生变化，也就是说，同时工作的几台充电机，当输出功率不同时，各自产生的同次谐波会发生相互抵消的现象，尤其是对于高次谐波，从而使得充电站的各次电流谐波小于所有充电机的电流谐波之和。如果用i_a(t)表示电网中的电流，P₀代表功率，f、f_a、f_b分别代表函数，ω是指频率，则电网中的电流的表达式为：

$i_a\left(t\right)=f\left(P_o\right)=\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(f_{\mathrm{am}}\left(\left(P_o\right)\cos \mathrm{m\ωt}\right)+f_{\mathrm{am}}\left(\left(P_o\right)\cos \mathrm{m\ωt}\right))$

$=\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{f}_{\mathrm{Im}}\left(P_o\right)(\sin \mathrm{m\ωt}+f_{\mathrm{\Ψm}}\left(P_o\right))$

其中，式中

$f_{\mathrm{Im}}\left(P_O\right)=\sqrt{({f_{\mathrm{am}}}^2\left(P_O\right)+{f_{\mathrm{bm}}}^2\left(P_O\right))/2}$

f_ψm(P_O)＝tan^-1(f_am(P_O)/f_bm(P_O))

m＝6l±1(l＝0,1,2...,m＞0)

一般来说，在电力系统中奇次谐波引起的危害性比偶次谐波更多、更大。由于对称关系，在一个平衡的三相系统中，偶次谐波已经得到了抵消，因此，最后系统中仅存在奇次谐波。在三相整流负载中，谐波电流是6n±1(n＝1，2，3...)次谐波，如5、7、11、13、17、19次谐波电流等。

电动汽车在充放电的过程中，会在充电站的电网中加入多种各次谐波，因此在电动汽车充电站中，必须采取有效的措施治理注入电网中的谐波电流，把谐波电流控制在某一限值，是消除和减少电动汽车谐波和提高系统电能质量的重要工作。减少谐波电流的措施有很多，可以在充电机供货商方面进行谐波治理，可以在设计单位方面进行谐波治理，还可以在电网侧进行谐波治理。在电网侧减少谐波主要有两种方法，即在电网侧采用无源滤波器或者有源滤波器进行滤波。这两种方法各有其优点和缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的滤除电网谐波的方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，包括如下步骤：

(1)、交流电网首先通过交流电感滤波，然后串联有电感和非线性负载；

(2)、无源滤波器和有源滤波器通过耦合变压器串联后与由电感和非线性负载构成的串联支路并联；所述无源滤波器、有源滤波器和耦合变压器结合而成混合滤波器，也叫混合型有源电力滤波器；

(3)、混合滤波器串联有间谐波检测滤除装置，所述间谐波检测滤除装置由DSP芯片、微处理器和带阻滤波器构成，通过采用双阶段间谐波检测方法实现，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其从原信号中滤除掉；第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取间谐波分量，从而去除该间谐波分量；具体如下：

a、谐波分量的检测和滤除：

信号中谐波频率成分x(n)，由式(1)表示

x_w(n)＝x(n)*w₁(n)………………………………………………….(1)

式(1)中：n＝0，1，2，……；x_w(n)为加窗截断后序列；w₁(n)为第一阶段谐波检测选取的窗函数；

式(1)中信号的谐波频率成分x(n)可以表示为谐波分量x^H(n)和间谐波分量x^l(n)之和，则式(1)由式(2)表示

x_w(n)＝[x^H(n)+x^l(n)]*w₁(n)＝x^H(n)*w¹(n)+x^l(n)*w₁(n)…………(2)

式(2)中，x^H(n)为理论计算的谐波分量，

根据式(2)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的谐波分量x^H1(n)，并利用带阻滤波器将其从原信号中滤除；

b、间谐波分量的检测和滤除：

通过步骤a后，信号中谐波频率成分x(n)，由式(3)表示

x’_w(n)＝[x^H(n)-x^H1(n)+x^l(n)]*w₂(n)……………………………….(3)

式中：x’_w(n)为滤除谐波分量计算值后序列；w₂(n)为第二阶段谐波检测选取的窗函数；

要保证第一阶段a的计算精度，即要求ε^H＝x^H(n)-x^H1(n)尽量小，将ε^H＝0简化处理后，则式(3)由式(4)表示

x’_w(n)＝x^l(n)*w²(n)………………………………………………(4)

根据式(4)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的间谐波分量x^l(n)，并利用带阻滤波器将其从原信号中滤除。

本发明将结合无源滤波器和有源滤波器的优点，采用将无源滤波器(PPF)和有源滤波器(APF)结合起来的混合滤波器对电网谐波进行抑制。混合滤波器的基本结构如图4，它将APF和PPF通过耦合变压器串联后与非线性负载并联。PPF是APF的一个注入网络，用PPF代替原有的电感，和电容器串接构成无源网络，该PPF对谐波电流呈现低阻抗，容易注入，对基波阻抗较大，承担了绝大部分的基波电压，可以大大降低有源部分的容量。通过实时检测负载的谐波电流，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流，并经过无源网络注入电网，实现谐波补偿。在这种混合滤波器的系统里，可以结合有源滤波器和无源滤波器的优点，避免两者的缺点，在实际应用过程中对电网谐波的抑制起到很好的作用。混合型有源电力滤波器就是结合有源滤波器(APF)和无源滤波器(PPF)，兼顾APF性能好和PPF造价低等优点，提高谐波补偿系统的性价比。

此外，混合滤波器后采用一种双阶段间谐波检测方法。第一阶段基于加窗插值FFT方法检测谐波分量，并将其从原信号中滤除掉：第二阶段以固定的采样频率对保留的样值信号进行FFT分析，在没有谐波频谱泄漏干扰的前提下提取谐波分量，从而去除该间谐波分量。

附图说明

图1是电动汽车充电机接入公共电网的示意图。

图2是C型滤波器的示意图。

图3是有源滤波器的示意图。

图4是加入混合滤波器的示意图。

图5是整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，包括如下步骤：

(1)、交流电网首先通过交流电感滤波，然后串联有电感和非线性负载；

(2)、无源滤波器和有源滤波器通过耦合变压器串联后与由电感和非线性负载构成的串联支路并联；所述无源滤波器、有源滤波器和耦合变压器结合而成混合滤波器；

(3)、混合滤波器串联有间谐波检测滤除装置，所述间谐波检测滤除装置由DSP芯片、微处理器和带阻滤波器构成，本领域技术人员可以参考DSP芯片和不同型号的微处理器数据手册进行连接间谐波检测滤除装置，不在赘述。微处理器内编写双阶段间谐波检测程序，由混合滤波器输出的模拟信号由DSP芯片处理后成为数字信号，输入微处理器进行双阶段间谐波检测方法运算，然后再进过DSP芯片进行数模转换后，输入带阻滤波器处理间谐波分量。具体方法如下，通过采用双阶段间谐波检测方法实现，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其从原信号(由混合滤波器输出)中滤除掉；第二阶段以固定的采样频率对保留的样值信号(即经过第一阶段处理后的信号)进行加窗插值FFT方法提取间谐波分量，从而去除该间谐波分量；具体如下：

a、谐波分量的检测和滤除：

信号中谐波频率成分x(n)，由式(1)表示

x_w(n)＝x(n)*w₁(n)………………………………………………….(1)

式(1)中：n＝0，1，2，……；x_w(n)为加窗截断后序列；w₁(n)为第一阶段谐波检测选取的窗函数，本领域技术人员根据实际不同情况选择不同的窗函数；

式(1)中信号的谐波频率成分x(n)可以表示为谐波分量x^H(n)和间谐波分量x^l(n)之和，则式(1)由式(2)表示

x_w(n)＝[x^H(n)+x^l(n)]*w₁(n)＝x^H(n)*w¹(n)+x^l(n)*w₁(n)…………(2)

式(2)中，x^H(n)为理论计算的谐波分量，

根据式(2)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的谐波分量x^H1(n)，并利用带阻滤波器将其从原信号中滤除。

b、间谐波分量的检测和滤除：

通过步骤a后，信号中谐波频率成分x(n)，由式(3)表示

x’_w(n)＝[x^H(n)-x^H1(n)+x^l(n)]*w₂(n)……………………………….(3)

式中：x’_w(n)为滤除谐波分量计算值后序列；w₂(n)为第二阶段谐波检测选取的窗函数，本领域技术人员根据实际不同情况选择不同的窗函数；

要保证第一阶段a的计算精度，即要求ε^H＝x^H(n)-x^H1(n)尽量小，将ε^H＝0简化处理后，则式(3)由式(4)表示

x’_w(n)＝x^l(n)*w₂(n)………………………………………………(4)

根据式(4)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的间谐波分量x^l(n)，并利用带阻滤波器将其从原信号中滤除。

如图4所示，交流电网先通过交流电感滤波，然后将非线性负载和电感串联，非线性负载和电感又与由无源滤波器和有源滤波器结合而成的混合滤波器并联，达到减少电网谐波的目的。所用无源滤波器主要采用C型滤波器。其中C型滤波器的主要结构如图2所示，C型滤波器的主要组成元件包括一个电阻器R，一个电感器L，两个电容器C₁和C₂。有源滤波器的主要构造如图3所示。

在实际工作中，将C型滤波器和有源滤波器通过耦合变压器连接起来，与非线性负载和电感器的串联支路并联，在达到减少谐波的目的的同时，可以实现调压、无功补偿等多种功能。有源滤波器为智能功率模块构成的电压型逆变器，解决谐波动态补偿问题。耦合变压器实现有源滤波器和无源滤波器的电气隔离，并根据两者的电压、电流等级来选择合适的变比。无源滤波器主要由单调谐滤波器组成，利用电感和电容在特征谐波频率处阻抗很小的特点，将负载中的该次谐波电流引入单调谐滤波器。C型滤波器减少谐波的原理为：C型滤波器的谐振回路由L、C、R元件构成，当LC回路的谐振频率与某一高次谐波电流频率一致时，即可实现阻止该次谐波流入电网。采用有源滤波器即总原则是使系统中谐波电流相互抵消，从而达到总谐波电流为零的效果，主要思路是通过控制功率半导体器件的电流等，向电网输入与原有谐波电流反方向相位、但具有相同幅值的电流，最终实现实时补偿谐波电流的目的。

此外，为了减少谐波含量，可以在电网与充电机之间可以适当的加粗电缆，增加电缆的绝缘强度。该混合滤波器结合了无源滤波器和有源滤波器的优点，具有很好的滤波性能，且容量小。大部分谐波由成本较低的无源滤波器(C型滤波器)滤除。串联APF可以看成是与系统串联的受控电压源，且输出电压和谐波电流成正比。对于谐波电流，串联APF等效为一个电阻。阻值为输出电压与谐波电流的比值。对工频，APF则呈现极低的阻抗。无源滤波器组通常由5次、7次LC调谐滤波器跟一个高通滤波器组成。当APF的谐波等效电阻远远大于电网阻抗和无源滤波器阻抗时，负载谐波电流强制流入无源滤波器，线路只剩下很小的谐波电压和电流。

通过这种在电网侧加上混合滤波器后，电网中的谐波已经大大降低了，再通过“双阶段”谐波检测方法，将含量相对较高的谐波分量和间谐波分量准确的检测出来后，再通过一个带阻滤波器，将其滤除，从而使电网中的谐波含量降到很低，对用户不会产生影响。

电动汽车充电机属于非线性负荷，负荷特性变化快，致使协调滤波、无功补偿、调压要求无法同时进行，需要用有源滤波器进行容量补偿。有源滤波选择补偿容量可参考下式：

式中：

S补表示需要补偿的容量，K_x为整体修正系数，需根据计算分析结果和实际测定情况综合决定，一般选择0.5～0.8；

Ki(i＝1，2，3)分别表示大、中、小型充电机可靠系数，一般取1.05～1.20：

ηi(i-l，2，3)分别表示大、中、小型充电机的充电效率；

ξi(i-l，2，3)分别表示大、中、小型充电机在交流电源输入端产生的谐波电流含有率(取输出电压范围内的最大值)；

Si(i＝1，2，3)分别表示大、中、小型单台充电机功率。

Claims (2)

1.一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、交流电网首先通过交流电感滤波，然后串联有电感和非线性负载；

（2）、无源滤波器和有源滤波器通过耦合变压器串联后与由电感和非线性负载构成的串联支路并联；所述无源滤波器、有源滤波器和耦合变压器结合而成混合滤波器；

（3）、混合滤波器串联有间谐波检测滤除装置，所述间谐波检测滤除装置由DSP芯片、微处理器和带阻滤波器构成，通过采用双阶段间谐波检测方法实现，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其从原信号中滤除掉；第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取间谐波分量，从而去除该间谐波分量；具体如下：

a、谐波分量的检测和滤除：

信号中谐波频率成分x(n)，由式（1）表示

x_w(n)=x(n)*w₁(n)………………………………………………….（1）

式（1）中：n=0，1，2，……；x_w(n)为加窗截断后序列；w₁(n)为第一阶段谐波检测选取的窗函数；

式（1）中信号的谐波频率成分x(n)可以表示为谐波分量x^H(n)和间谐波分量x^l(n)之和，则式（1）由式（2）表示

x_w(n)=[x^H(n)+x^l(n)] *w₁(n)= x^H(n) *w¹(n)+x^l(n)*w₁(n)…………（2）

式（2）中，x^H(n)为理论计算的谐波分量，

根据式（2），利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的谐波分量x^H1(n)，并利用带阻滤波器将其从原信号中滤除；

b、间谐波分量的检测和滤除：

通过步骤a后，信号中谐波频率成分x(n)，由式（3）表示

x’_w(n)=[x^H(n)-x^H1(n)+ x^l(n)] *w₂(n)……………………………….（3）

式中：x’_w(n)为滤除谐波分量计算值后序列；w₂(n)为第二阶段谐波检测选取的窗函数；

要保证第一阶段a的计算精度，即要求ε^H= x^H(n)-x^H1(n)尽量小，将ε^H=0简化处理后，则式（3）由式（4）表示

x’_w(n)= x^l(n) *w₂(n)………………………………………………（4）

根据式（4），利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的间谐波分量x^l(n)，并利用带阻滤波器将其从原信号中滤除。

2.根据权利要求1所述的减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，其特征在于：所述无源滤波器采用C型滤波器。