CN106100033A - 一种可检测和滤除谐波的充电桩系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可检测和滤除谐波的充电桩系统，通过该系统，解决了目前电动汽车充电桩网侧谐波含量比较大的问题，且能够滤除负载电流中的基波无功电流、负序电流、零序电流和谐波电流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露误差的影响，此外，该系统在实时补偿充电桩系统的总无功功率需求的同时，可以兼顾配电网及充电桩的当前最大允许有功功率，极大提升了充电的效率和安全性。

Description

一种可检测和滤除谐波的充电桩系统

所属技术领域

本发明涉一种可检测和滤除谐波的充电桩系统。

背景技术

随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向。日本丰田公司率先开发出混合动力汽车Prius，揭开了电动汽车的时代序幕。电动汽车作为新一代的交通工具，在节能减排、减少人类对传统化石能源的依赖方面具备传统汽车不可比拟的优势。2009年以来，中国政府密集出台了鼓励电动汽车及相关行业发展的政策措施，企业对电动汽车的研发和产业化投入显著增强。

当电动汽车充电电池能源消耗到一定程度时，就需要使用能源供给装置对该电池进行充电，以保证电动汽车重复使用，达到“以电代油”的目的，因此能源供给装置对电动汽车的推广使用具有不可替代的作用。能源供给装置主要有两种形式，一种是直流充电桩，该充电桩功率较大，100kW左右，充电时间短，体积比较大，因此一般安装在固定的地点；另一种是交流充电桩，直接利用交流电网，输出交流电能，通过电动汽车自带的车载充电桩将交流电能转换为直流电能为充电电池进行充电。该种充电形式功率较小，一般为10kW左右，充电时间长，体积小，因此可以充分利用城市的各个角落为电动汽车进行充电。

由于充电桩采用的充电桩和所带的负载是非线性设备，因此在运行时会给电网的电能质量带来不好的影响，主要体现在电网功率因数下降和给电网带来谐波污染等方面。其中谐波污染对电网造成的危害主要有以下几个方面：谐波电流造成的电压和发热情况会导致功率因数补偿电容器的使用寿命缩短；由于机械振动会受到基波频率磁场和谐波电流的影响，当机械谐振频率和电气励磁频率相等时，会发生共振从而产生更大的机械应力，破坏设备；谐波会导致系统对电压过零和电压为零的点判断失误；谐波电流会造成变压器铁损和铜损的增加；对电子设备和继电保护产生干扰；谐波电流会导致设备误动作，可能会中断生产和运行。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种可检测和滤除谐波的充电桩系统，通过该系统，解决了目前电动汽车充电桩网侧谐波含量比较大的问题，且能够滤除负载电流中的基波无功电流、负序电流、零序电流和谐波电流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露误差的影响，此外，该系统在实时补偿充电桩系统的总无功功率需求的同时，可以兼顾配电网及充电桩的当前最大允许有功功率，极大提升了充电的效率和安全性。

为了实现上述目的，本发明提供一种可检测和滤除谐波的充电桩系统，该系统包括：

谐波检测模块，用于实时检测充电桩系统的武功和谐波电流大小；

多个充电桩，用于对多个电动汽车的电池组进行充电，所述多个充电桩均包括AC/DC转换模块；

有源电力滤波器，用于实时对充电桩系统进行谐波滤除，提高充电桩系统运行的功率因素；

控制模块，用于控制充电桩系统的运行，包括控制上述每个充电桩对电池组的充电功率，控制有源电力滤波器对充电桩系统的进行谐波滤除。

优选的，所述有源电力滤波器包括：电感一L1、电感二L2、非线性负载W、PWM变流器S、电容C，配电网分别与电感一L1、电感二L2，电感一L1的另一端连接到非线性负载W，电感二L2的另一端连接PWM变流器S，PWM变流器S并联有电容C，配电网的接入端和电容C通过电压采样A/D模块1分别连接到指令电流运算器输入端和PWM发生器输入端，电容C的两端通过电压采样A/D模块和PI调节器连接到指令电流运算器输入端，电感一L1的输入端连接电流采样A/D模块连接到指令电流运算器输入端，PWM变流器S的输入端通过电流采样A/D模块连接到指令电流运算器输出端，指令电流运算器输出端连接到PWM发生器输入端。

优选的，所述谐波检测模块采用如下方式检测充电桩系统中的谐波分量：

将负载电流i_a、i_b、i_c分解成基波i_a1、i_b1、i_c1与谐波i_ak、i_bk、i_ck之和；

考虑到三相不平衡，将电流基波电流i_a1、i_b1、i_c1分为正序、零序和负序分量，则谐波电流i_ak、i_bk、i_ck也可以分解为正序、零序和负序分量；

三相瞬时功率将上述步骤得到的分解结果代入该式，可得：

其中I₁₊、I_1-是分别为基波正序和负序分量，I_k+、I_k-分别为k次谐波正序和负序分量，θ_1-是基波负序的初始相位，θ_k+、θ_k-分别是k次谐波正序和负序的初始相位。上式谐波频率最低可达100Hz，经过低通滤波器(LFP)，则

三相瞬时功率中的谐波分量就能完全滤去，只剩下稳态值从而可以得到滤除了负载电流中的基波无功电流、负序电流、零序电流和谐波电流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露误差的影响。

优选的，所述有源电力滤波器采用如下方式消除谐波：

通过谐波检测模块检测到系统无功和谐波电流大小，作为指令信号，与PWM变流器的输出电流进行比较，误差大小与滞环比较器的环宽相比较得到一组PWM波；

PWM波发送给功率器件的控制端控制功率器件的开关，跟随无功和谐波电流；

PWM变流器将与无功和谐波电流大小相等，方向相反的电流注入到配电网侧，与配电网侧中包含的无功和谐波电流相互抵消，从而达到消除配电网侧无功和谐波电流的目的。

优选的，所述控制模块包括控制器和与每个充电汽车电池组对应的充电桩相连的均衡器，所述控制器根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器根据指令来控制与各充电桩对各充电汽车电池组的充电功率。

优选的，所述控制器包括：时间段划分单元、电动汽车总充电负荷确定单元、车辆充电概率常数确定单元、随机数生成单元和充电控制单元，其中：

时间段划分单元把充电时段范围T划分为J个阶段；

电动汽车总充电负荷确定单元确定所有电动汽车总充电负荷为：

$\begin{array}{c}{P}_{all}=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{P}_{EVi}\left(j\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\mathrm{\φ}-P_{base}\left(j\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_i\\ =\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_i=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_i\end{array},$

其中为配电网常规负荷与电动汽车充电负荷均值期望，P_base为区域配电网常规负荷曲线，P_EVi(j)为第i辆车在第j个阶段的充电功率，C_i为第i辆车的充电需求，M为电动汽车总数；

车辆充电概率常数根据所有电动汽车总充电负荷确定每辆电动汽车的充电平均功率，根据平均充电功率确定任意车辆充电概率常数；

随机数生成单元产生均匀分布随机数，

充电控制单元以任意车辆充电概率常数与随机数生成单元的大小关系确定任意单位充电时间内的电动汽车充电功率。

本发明提供的电动汽车充电桩系统具有如下优点：(1)充电桩以恒定功率输出，通过充电桩的启停进而控制单位时间内电动汽车充电数量，且使充电设备始终工作在能量转化高效率区，提高电动汽车充电的整体能量利用率；(2)通过该系统，解决了目前电动汽车充电桩网侧谐波含量比较大的问题，且能够滤除负载电流中的基波无功电流、负序电流、零序电流和谐波电流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露误差的影响。

附图说明

图1示出了本发明的一种可检测和滤除谐波的充电桩系统的框图；

图2示出了一种可检测和滤除谐波的充电桩的监控方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了一种可检测和滤除谐波的充电桩系统10的框图，该系统10包括：

谐波检测模块11，用于实时检测充电桩系统的武功和谐波电流大小；

多个充电桩12，用于对多个电动汽车的电池组进行充电，所述多个充电桩均包括AC/DC转换模块；

有源电力滤波器13，用于实时对充电桩系统10进行谐波滤除，提高充电桩系统10运行的功率因素；

控制模块14，用于控制充电桩系统的10运行，包括控制上述每个充电桩对电池组的充电功率，控制有源电力滤波器对充电桩系统的进行谐波滤除。

所述有源电力滤波器13包括：电感一L1、电感二L2、非线性负载W、PWM变流器S、电容C，配电网分别与电感一L1、电感二L2，电感一L1的另一端连接到非线性负载W，电感二L2的另一端连接PWM变流器S，PWM变流器S并联有电容C，配电网的接入端和电容C通过电压采样A/D模块1分别连接到指令电流运算器输入端和PWM发生器输入端，电容C的两端通过电压采样A/D模块和PI调节器连接到指令电流运算器输入端，电感一L1的输入端连接电流采样A/D模块连接到指令电流运算器输入端，PWM变流器S的输入端通过电流采样A/D模块连接到指令电流运算器输出端，指令电流运算器输出端连接到PWM发生器输入端。

所述谐波检测模块11采用如下方式检测充电桩系统10中的谐波分量：

将负载电流i_a、i_b、i_c分解成基波i_a1、i_b1、i_c1与谐波i_ak、i_bk、i_ck之和；

考虑到三相不平衡，将电流基波电流i_a1、i_b1、i_c1分为正序、零序和负序分量，则谐波电流i_ak、i_bk、i_ck也可以分解为正序、零序和负序分量；

三相瞬时功率将上述步骤得到的分解结果代入该式，可得：

其中I₁₊、I_1-是分别为基波正序和负序分量，I_k+、I_k-分别为k次谐波正序和负序分量，θ_1-是基波负序的初始相位，θ_k+、θ_k-分别是k次谐波正序和负序的初始相位。上式谐波频率最低可达100Hz，经过低通滤波器(LFP)，则三相瞬时功率中的谐波分量就能完全滤去，只剩下稳态值从而可以得到滤除了负载电流中的基波无功电流、负序电流、零序电流和谐波电流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露误差的影响。

所述有源电力滤波器13采用如下方式消除谐波：

通过谐波检测模块11检测到系统无功和谐波电流大小，作为指令信号，与PWM变流器的输出电流进行比较，误差大小与滞环比较器的环宽相比较得到一组PWM波；

PWM波发送给功率器件的控制端控制功率器件的开关，跟随无功和谐波电流；

PWM变流器将与无功和谐波电流大小相等，方向相反的电流注入到配电网侧，与配电网侧中包含的无功和谐波电流相互抵消，从而达到消除配电网侧无功和谐波电流的目的。

所述控制模块14包括控制器和与每个充电汽车电池组对应的充电桩相连的均衡器，所述控制器根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器根据指令来控制与各充电桩对各充电汽车电池组的充电功率。

优选的，所述控制器包括：时间段划分单元、电动汽车总充电负荷确定单元、车辆充电概率常数确定单元、随机数生成单元和充电控制单元，其中：

时间段划分单元把充电时段范围T划分为J个阶段；

电动汽车总充电负荷确定单元确定所有电动汽车总充电负荷为：

$\begin{array}{c}{P}_{all}=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{P}_{EVi}\left(j\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\mathrm{\φ}-P_{base}\left(j\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_i\\ =\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_i=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_i\end{array},$

其中为配电网常规负荷与电动汽车充电负荷均值期望，P_base为区域配电网常规负荷曲线，P_EVi(j)为第i辆车在第j个阶段的充电功率，C_i为第i辆车的充电需求，M为电动汽车总数；

车辆充电概率常数根据所有电动汽车总充电负荷确定每辆电动汽车的充电平均功率，根据平均充电功率确定任意车辆充电概率常数；

随机数生成单元产生均匀分布随机数，

充电控制单元以任意车辆充电概率常数与随机数生成单元的大小关系确定任意单位充电时间内的电动汽车充电功率。

图2示出了一种可检测和滤除谐波的充电桩系统的监控方法的流程图。该监控方法包括如下步骤：

S1.实时检测充电桩系统的系统无功和谐波电流大小；

S2.根据检测到的系统无功和谐波电流大小，实时进行无功动态补偿和谐波滤除；

S3.用于根据当前电池组充电状态以及配电网运行参数，控制模块制定适当的充电策略，实现充电桩系统内的充电负荷的整体优化控制。

在S1中，谐波电流的检测具体步骤为：

S11.将负载电流i_a、i_b、i_c分解成基波i_a1、i_b1、i_c1与谐波i_ak、i_bk、i_ck之和；

S12.考虑到三相不平衡，将电流基波电流i_a1、i_b1、i_c1分为正序、零序和负序分量，则谐波电流i_ak、i_bk、i_ck也可以分解为正序、零序和负序分量；

S13.三相瞬时功率将上述步骤得到的分解结果代入该式，可得：

中I₁₊、I_1-是分别为基波正序和负序分量，I_k+、I_k-分别为k次谐波正序和负序分量，θ_1-是基波负序的初始相位，θ_k+、θ_k-分别是k次谐波正序和负序的初始相位。上式谐波频率最低可达100Hz，经过低通滤波器(LFP)，则三相瞬时功率中的谐波分量就能完全滤去，只剩下稳态值从而可以得到滤除了负载电流中的基波无功电流、负序电流、零序电流和谐波电流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露误差的影响。

优选的，若考虑到三相不平衡的情况，则可以将负载侧基波电流分解为正序、负序和零序分量i_a1、i_b1、i_c1，则谐波电流也可以分解为正序、负序和零序分量i_ak、i_bk、i_ck，其中

三相瞬时功率p为将上述分解的分量分别代入该式，可得；

$\begin{array}{c}{p}_k=e_a{i}_{ak}+e_b{i}_{bk}+e_c{i}_{ck}\\ =\frac{3}{2}{E}_{`m}{I}_{k+}cos\left(\right(k-1)\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\θ}}_{k+})-\frac{3}{2}{E}_m{I}_{k-}cos\left(\right(k+1)\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\θ}}_{k-)}\end{array}$

其中I₁₊、I_1-、I₁₀是分别为基波正序和负序分量，I_k+、I_k-、I_k0分别为k次谐波正序和负序分量，θ_1-是基波负序的初始相位，θ_k+、θ_k-分别是k次谐波正序和负序的初始相位，是功率因数角。

优选的，在步骤S2中，具体采用如下无功动态补偿方法实现无功动态补偿和谐波滤除：

S21.通过谐波检测模块检测到系统无功和谐波电流大小，作为指令信号，与PWM变流器的输出电流进行比较，误差大小与滞环比较器的环宽相比较得到一组PWM波；

S22.PWM波发送给功率器件的控制端控制功率器件的开关，跟随无功和谐波电流；

S23.PWM变流器将与无功和谐波电流大小相等，方向相反的电流注入到配电网侧，与配电网侧中包含的无功和谐波电流相互抵消，从而达到消除配电网侧无功和谐波电流的目的。

在步骤S3中，具体包括如下步骤：

S31.把充电时段范围T划分为J个阶段；

S32.在每个阶段，确定所有电动汽车总充电负荷为：

$\begin{array}{c}{P}_{all}=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{P}_{EVi}\left(j\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\mathrm{\φ}-P_{base}\left(j\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_i\\ =\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_i=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_i\end{array},$

其中为区域配电网常规负荷与电动汽车充电负荷均值期望，P_base为区域配电网常规负荷曲线，P_EVi(j)为第i辆车在第j个阶段的充电功率，C_i为第i辆车的充电需求，M为电动汽车总数；

S33.根据所有电动汽车总充电负荷确定每辆电动汽车的充电平均功率，根据平均充电功率确定任意车辆充电概率常数，产生均匀分布随机数，以二者的大小关系确定任意单位充电时间内的电动汽车充电功率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可检测和滤除谐波的充电桩系统，该系统包括：

谐波检测模块，用于实时检测充电桩系统的武功和谐波电流大小；

多个充电桩，用于对多个电动汽车的电池组进行充电，所述多个充电桩均包括AC/DC转换模块；

有源电力滤波器，用于实时对充电桩系统进行谐波滤除，提高充电桩系统运行的功率因素；

控制模块，用于控制充电桩系统的运行，包括控制上述每个充电桩对电池组的充电功率，控制有源电力滤波器对充电桩系统的进行谐波滤除。

2.如权利要求1所述的充电桩系统，其特征在，所述有源电力滤波器包括：电感一L1、电感二L2、非线性负载W、PWM变流器S、电容C，配电网分别与电感一L1、电感二L2，电感一L1的另一端连接到非线性负载W，电感二L2的另一端连接PWM变流器S，PWM变流器S并联有电容C，配电网的接入端和电容C通过电压采样A/D模块1分别连接到指令电流运算器输入端和PWM发生器输入端，电容C的两端通过电压采样A/D模块和PI调节器连接到指令电流运算器输入端，电感一L1的输入端连接电流采样A/D模块连接到指令电流运算器输入端，PWM变流器S的输入端通过电流采样A/D模块连接到指令电流运算器输出端，指令电流运算器输出端连接到PWM发生器输入端。

3.如权利要求2所述的充电桩系统，其特征在，所述谐波检测模块采用如下方式检测充电桩系统中的谐波分量：

将负载电流i_a、i_b、i_c分解成基波i_a1、i_b1、i_c1与谐波i_ak、i_bk、i_ck之和；

考虑到三相不平衡，将电流基波电流i_a1、i_b1、i_c1分为正序、零序和负序分量，则谐波电流i_ak、i_bk、i_ck也可以分解为正序、零序和负序分量；

三相瞬时功率将上述步骤得到的分解结果代入该式，可得：

其中I₁₊、I_1-是分别为基波正序和负序分量，I_k+、I_k-分别为k次谐波正序和负序分量，θ₁-是基波负序的初始相位，θ_k+、θ_k-分别是k次谐波正序和负序的初始相位。上式谐波频率最低可达100Hz，经过低通滤波器(LFP)，则三相瞬时功率中的谐波分量就能完全滤去，只剩下稳态值从而可以得到滤除了负载电流中的基波无功电流、负序电流、零序电流和谐波电流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露误差的影响。

4.如权利要求3所述的充电桩系统，其特征在，所述有源电力滤波器采用如下方式消除谐波：

通过谐波检测模块检测到系统无功和谐波电流大小，作为指令信号，与PWM变流器的输出电流进行比较，误差大小与滞环比较器的环宽相比较得到一组PWM波；

PWM波发送给功率器件的控制端控制功率器件的开关，跟随无功和谐波电流；

PWM变流器将与无功和谐波电流大小相等，方向相反的电流注入到配电网侧，与配电网侧中包含的无功和谐波电流相互抵消，从而达到消除配电网侧无功和谐波电流的目的。

5.如权利要求1所述的充电桩系统，其特征在，所述控制模块包括控制器和与每个充电汽车电池组对应的充电桩相连的均衡器，所述控制器根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器根据指令来控制与各充电桩对各充电汽车电池组的充电功率。

6.如权利要求5所述的充电桩系统，其特征在，所述控制器包括：时间段划分单元、电动汽车总充电负荷确定单元、车辆充电概率常数确定单元、随机数生成单元和充电控制单元，其中：

时间段划分单元把充电时段范围T划分为J个阶段；

电动汽车总充电负荷确定单元确定所有电动汽车总充电负荷为：

$\begin{array}{c}{P}_{all}=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{P}_{EVi}\left(j\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\mathrm{\φ}-P_{base}\left(j\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_i\\ =\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(\mathrm{\φ}-P_{base}(j\left)\right)}\×C_j=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_i\end{array},$

其中为配电网常规负荷与电动汽车充电负荷均值期望，P_base为区域配电网常规负荷曲线，P_EVi(j)为第i辆车在第j个阶段的充电功率，C_i为第i辆车的充电需求，M为电动汽车总数；

车辆充电概率常数根据所有电动汽车总充电负荷确定每辆电动汽车的充电平均功率，根据平均充电功率确定任意车辆充电概率常数；

随机数生成单元产生均匀分布随机数，

充电控制单元以任意车辆充电概率常数与随机数生成单元的大小关系确定任意单位充电时间内的电动汽车充电功率。