CN106786691A - 一种带无功补偿的三电平智能充电装置及无功功率检测补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带无功补偿的三电平智能充电装置及无功功率检测补偿方法，该充电装置包括依次连接的LCL滤波器、二极管钳位三电平变换器、移相全桥DC‑DC变换器、Buck‑boost储能变换器；LCL滤波器的前级连接电网，LCL滤波器的后级连接二极管钳位三电平变换器的前级，三电平变换器的后级经过直流母线与移相全桥DC‑DC变换器的前级相连，移相全桥DC‑DC变换器的后级连接负载进行充电，直流母线的一侧并联Buck‑boost储能变换器，智能充电装置还包括与电网相连的瞬时无功功率检测模块，用于给三电平变换器控制器触发信号，实现无功补偿，本发明的智能充电装置既能实现与电网的互动，又具备良好的性能。

Description

一种带无功补偿的三电平智能充电装置及无功功率检测补偿 方法

技术领域

本发明涉及一种交流智能充电装置，尤其涉及一种带无功补偿的三电平充电装置及无功功率检测补偿方法。

背景技术

能源问题与环境污染问题已经成为人类不可回避的重要难题，采用清洁能源的交通工具应运而生，随着可插电交通工具(Plug-in Electric Vehicle PEV)技术的不断进步，对于充电桩的质量和数量要求也在不断提高，充电桩本身不仅仅扮演着传统的电能消费者的角色，更是一种与电网互动，参与削峰填谷的有效手段，也就是熟知的V2G技术。

但充电桩本身是电力电子装置，属于非线性负载，庞大数量的充电桩对于电网的无功和谐波影响是不容忽视的，传统装置的无功补偿方法，譬如静止无功发生器，不仅增加了充电装置的成本，而且动态响应较慢，已有的成熟的充电桩方案，很少有针对无功补偿和谐波治理进行系统层面设计的，有研究针对基于单相整流器的并网装置进行无功补偿，但无功补偿方法仅适用于单相结构，且难以扩展。并且，如果把电动汽车作为具备向电网馈能能力的装置，实际应用价值不高。

目前，主流的中大功率充电装置均采用两电平变换装置，很少有多电平的整流电路，相对于两电平变换器，二极管钳位三电平变换器的功率器件具有2倍的正向阻断电压能力，输出电压接近正弦波且谐波含量少，能够有效降低开关频率以及开关应力，而且能够有效提高装置效率。

因此，需要一种新的结合二极管钳位三电平变换器的技术方案。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种充电效率高、系统损耗低、工作性能完善的带无功补偿的三电平充电装置及无功功率检测补偿方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种带无功补偿的三电平智能充电装置，包括依次连接的LCL滤波器、二极管钳位三电平变换器、移相全桥DC-DC变换器；所述LCL滤波器的前级连接电网，所述LCL滤波器的后级连接所述二极管钳位三电平变换器的前级，所述二极管钳位三电平变换器的后级经过直流母线与所述移相全桥DC-DC变换器的前级相连，所述移相全桥DC-DC变换器的后级连接负载进行充电，所述直流母线并联有Buck-boost储能变换器，所述智能充电装置还包括与电网相连的瞬时无功功率检测模块，用于给二极管钳位三电平变换器控制器触发信号。

优选地，所述二极管钳位三电平变换器采用IGBT功率开关，通过所述IGBT功率开关使得所述二极管钳位三电平变换器四象限运行。

优选地，正向充电时，电网的电能经过LCL滤波器、二极管钳位三电平变换器以及移相全桥DC-DC变换器向负载充电。

优选地，所述负载为电动汽车。

优选地，所述Buck-boost储能变换器具有超级电容，正向充电时向所述超级电容中充电，完成充电和储能过程。

优选地，反向放电时，所述超级电容储存的电能则经过所述Buck-boost储能变换器、所述二极管钳位三电平变换器和所述LCL滤波器，向电网送电，使得电网电压跌落或需要“填谷”的情形得以解决。

优选地，所述瞬时无功功率检测模块检测电网侧的电压和电流信号，根据电压和电流信号计算瞬时无功功率，通过无功功率给二极管钳位三电平变换器控制器触发信号，达到充电装置无功功率补偿的目的。

优选地，所述二极管钳位三电平变换器控制器包括无差拍电流控制器。

本发明还提出了一种无功功率检测补偿的方法，所述检测方法包括如下步骤：

S1，通过采样电网输出的三相电流i_sabc，并对采样得到的电流进行两相静止变换，可以得到i_sα和i_sβ，坐标变换如式(1)所示：

S2，通过坐标变换，计算电流的有功分量i_sp和无功功率i_sq，坐标变换如式(2)所示，其中，角度θ是电网电压矢量的相位：

S3，将得到的电流的有功分量i_sp和无功功率i_sq通过低通滤波器，得到其基波分量

S4，将电流的有功分量的基波值通过坐标逆变换，转换到两相直角坐标系下的值i_spα和i_spβ，坐标变换如式(3)所示：

S5，用电网输出电流在两相静止坐标系下的分量值i_sα、i_sβ分别减去其有功分量基波值在对应相的分量值i_spα、i_spβ，就可以得到电网侧需要进行无功补偿的电流分量值i_sqα和i_sqβ。

优选地，所述补偿方法包括如下步骤：

S11，将检测到的电网电压信号作为锁相环的输入信号，获取电网电压矢量的相位角θ，相位角θ作为瞬时无功功率检测模块中需要的角度给定和作为从αβ两相静止坐标系向dq两相同步旋转坐标系变换的变换矩阵的角度给定；

S12，将从瞬时无功功率检测模块中得到的无功电流分量在α和β两个坐标轴上的值i_sqα和i_sqβ，根据从锁相环PLL得到的θ角进行坐标变换，得到i_sqd和i_sqq，即充电装置需要补偿的无功电流在两相同步旋转坐标轴上的分量，其中，坐标变换使用的变换矩阵同公式(2)中的变换矩阵，加上充电装置为了向直流侧进行有功功率传输所需要从电网侧吸收的电流分量值作为无差拍电流控制器的输入；

S13，无差拍电流控制器本质上是一种预测控制，使得下一周期的电流采样值i(k+1)和该时刻的指令电流i*(k)相等，控制器的输出为两相旋转坐标系的电压分量u_d和u_q，作为SVPWM调制模块的输入；

S14，SVPWM产生12路脉冲信号，直接触发二极管钳位三电平电路的IGBT开关器件。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，有益效果是:

二极管钳位三电平变换器的应用能够带来较低的谐波含有量、降低器件的电压应力以及开关频率、提高系统效率等优点；四象限运行的二极管钳位三电平电路能够实现能量的双向流动；新的拓扑能够在电网正常工作时，给负载电动汽车充电，储能电容充电工作可以实现电网的“削峰”；电网电压发生电压跌落时，储能电容通过反向向网侧供电，起到“填谷”的作用；瞬时无功功率检测模块能够有效检测充电装置无功含有量，并通过控制二极管钳位三电平变换器和Buck-boost储能变换器的开关状态完成无功补偿。因此，本发明的带无功补偿的三电平充电装置既能实现与电网互动，又具备良好的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的带无功补偿的三电平智能充电装置的电路拓扑图；

图2是本发明的瞬时无功功率检测模块的工作原理图；

图3是本发明的无差拍三电平控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，一种带无功补偿的三电平智能充电装置，包括依次连接的LCL滤波器、二极管钳位三电平变换器、移相全桥DC-DC变换器；LCL滤波器的前级连接电网，LCL滤波器的后级连接二极管钳位三电平变换器的前级，二极管钳位三电平变换器的后级经过直流母线与移相全桥DC-DC变换器的前级相连，移相全桥DC-DC变换器的后级连接例如电动汽车的负载进行充电，直流母线并联有Buck-boost储能变换器，智能充电装置还包括与电网相连的瞬时无功功率检测模块，用于给二极管钳位三电平变换器的控制器(图未示)触发信号。

本发明的智能充电装置具备与电网互动和无功功率检测及补偿两项功能，分别阐述如下：

<电网互动>

具体的，二极管钳位三电平变换器采用IGBT功率开关，使得二极管钳位三电平变换器四象限运行。

正向充电时，电网的电能经过LCL滤波器、二极管钳位三电平变换器以及移相全桥DC-DC变换器向负载充电。

Buck-boost储能变换器采用超级电容作为储能元件，正向充电时向超级电容中充电，完成充电和储能过程。

反向放电时，超级电容储存的电能则经过Buck-boost储能变换器、二极管钳位三电平变换器和LCL滤波器，向电网送电。

<无功功率检测及补偿>

瞬时无功功率检测模块检测电网侧的电压和电流信号，包括：电网电压e_abc和输出的电流i_sabc，根据电压和电流信号计算瞬时无功功率，通过无功功率给二极管钳位三电平变换器控制器触发信号。

如图2所示，瞬时无功功率检测模块的检测过程如下，为了应对电网电压的畸变，确定采用i_p-i_q法，通过对电网输出电流的检测计算，确定无功分量，从而确定装置需要补偿的无功电流；包括以下步骤：

S1，通过采样电网输出的三相电流i_sabc，并对采样得到的电流进行两相静止变换，可以得到i_sα和i_sβ，坐标变换如式(1)所示：

S2，通过坐标变换，计算电流的有功分量i_sp和无功功率i_sq，坐标变换如式(2)所示，其中，角度θ是电网电压矢量的相位：

S3，将得到的电流的有功分量i_sp和无功功率i_sq通过低通滤波器，得到其基波分量

S4，将电流的有功分量的基波值通过坐标逆变换，转换到两相直角坐标系下的值i_spα和i_spβ，坐标变换如式(3)所示：

S5，用电网输出电流在两相静止坐标系下的分量值i_sα、i_sβ分别减去其有功分量基波值在对应相的分量值i_spα、i_spβ，就可以得到电网侧需要进行无功补偿的电流分量值i_sqα和i_sqβ。

如图3所示，无功功率的补偿过程包括以下步骤：

S11，将检测到的电网电压信号作为锁相环的输入信号，获取电网电压矢量的相位角θ，这一角度有如下用途：第一，作为瞬时无功功率检测模块中需要的角度给定；第二，作为从αβ两相静止坐标系向dq两相同步旋转坐标系变换的变换矩阵的角度给定；

S12，将从瞬时无功功率检测模块(5)中得到的无功电流分量在α和β两个坐标轴上的值i_sqα和i_sqβ，根据从锁相环PLL得到的θ角进行坐标变换，得到i_sqd和i_sqq，即充电装置需要补偿的无功电流在两相同步旋转坐标轴上的分量，其中，坐标变换使用的变换矩阵同公式(2)中的变换矩阵，加上充电装置为了向直流侧进行有功功率传输所需要从电网侧吸收的电流分量值作为无差拍电流控制器的输入；

S13，无差拍电流控制器本质上是一种预测控制，使得下一周期的电流采样值i(k+1)和该时刻的指令电流i*(k)相等，控制器的输出为两相旋转坐标系的电压分量u_d和u_q，作为SVPWM调制模块的输入；

S14，SVPWM产生12路脉冲信号，直接触发二极管钳位三电平电路的IGBT开关器件。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带无功补偿的三电平智能充电装置，其特征在于，包括依次连接的LCL滤波器、二极管钳位三电平变换器、移相全桥DC-DC变换器；所述LCL滤波器的前级连接电网，所述LCL滤波器的后级连接所述二极管钳位三电平变换器的前级，所述二极管钳位三电平变换器的后级经过直流母线与所述移相全桥DC-DC变换器的前级相连，所述移相全桥DC-DC变换器的后级连接负载进行充电，所述直流母线并联有Buck-boost储能变换器，所述智能充电装置还包括与电网相连的瞬时无功功率检测模块，用于给二极管钳位三电平变换器控制器触发信号。

2.如权利要求1所述的智能充电装置，其特征在于，所述二极管钳位三电平变换器采用IGBT功率开关，通过所述IGBT功率开关使得所述二极管钳位三电平变换器四象限运行。

3.如权利要求1所述的智能充电装置，其特征在于，正向充电时，电网的电能经过LCL滤波器、二极管钳位三电平变换器以及移相全桥DC-DC变换器向负载充电。

4.如权利要求3所述的智能充电装置，其特征在于，所述负载包括电动汽车。

5.如权利要求1所述的智能充电装置，其特征在于，所述Buck-boost储能变换器具有超级电容，正向充电时向所述超级电容中充电，完成充电和储能过程。

6.如权利要求5所述的智能充电装置，其特征在于，反向放电时，所述超级电容储存的电能则经过所述Buck-boost储能变换器、所述二极管钳位三电平变换器和所述LCL滤波器，向电网送电。

7.如权利要求1所述的智能充电装置，其特征在于，所述瞬时无功功率检测模块检测电网侧的电压和电流信号，根据电压和电流信号计算瞬时无功功率，通过无功功率给二极管钳位三电平变换器控制器触发信号。

8.如权利要求7所述的智能充电装置，其特征在于，所述二极管钳位三电平变换器控制器包括无差拍电流控制器。

9.一种无功功率检测补偿的方法，采用如权利要求1-8任意一项所述的带无功补偿的三电平智能充电装置，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

S1，通过采样电网输出的三相电流i_sabc，并对采样得到的电流进行两相静止变换，可以得到i_sα和i_sβ，坐标变换如下式所示：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{s\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{s\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{sa}\\ i_{sb}\\ i_{sc}\end{array}\right];$

S2，通过坐标变换，计算电流的有功分量i_sp和无功功率i_sq，坐标变换如下式所示，其中，角度θ是电网电压矢量的相位：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{sp}\\ i_{sq}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\&theta;}& -cos\mathrm{\&theta;}\\ -cos\mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{s\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{s\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right];$

S3，将得到的电流的有功分量i_sp和无功功率i_sq通过低通滤波器，得到其基波分量

S4，将电流的有功分量的基波值通过坐标逆变换，转换到两相直角坐标系下的值i_spα和i_spβ，坐标变换如下式所示：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{sp\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{sp\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\&theta;}& -cos\mathrm{\&theta;}\\ -cos\mathrm{\&theta;}& -sin\mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&OverBar;}{i_{sp}}\\ 0\end{array}\right];$

S5，用电网输出电流在两相静止坐标系下的分量值i_sα、i_sβ分别减去其有功分量基波值在对应相的分量值i_spα、i_spβ，就可以得到电网侧需要进行无功补偿的电流分量值i_sqα和i_sqβ。

10.如权利要求9所述的无功功率检测补偿的方法，其特征在于，所述补偿方法包括如下步骤：

S11，将检测到的电网电压信号作为锁相环的输入信号，获取电网电压矢量的相位角θ，相位角θ作为瞬时无功功率检测模块中需要的角度给定和作为从αβ两相静止坐标系向dq两相同步旋转坐标系变换的变换矩阵的角度给定；

S12，将从瞬时无功功率检测模块中得到的无功电流分量在α和β两个坐标轴上的值i_sqα和i_sqβ，根据从锁相环PLL得到的θ角进行坐标变换，得到i_sqd和i_sqq，即充电装置需要补偿的无功电流在两相同步旋转坐标轴上的分量，其中，坐标变换使用的变换矩阵同公式(2)中的变换矩阵，加上充电装置为了向直流侧进行有功功率传输所需要从电网侧吸收的电流分量值作为无差拍电流控制器的输入；

S13，无差拍电流控制器本质上是一种预测控制，使得下一周期的电流采样值i(k+1)和该时刻的指令电流i*(k)相等，控制器的输出为两相旋转坐标系的电压分量u_d和u_q，作为SVPWM调制模块的输入；

S14，SVPWM产生12路脉冲信号，直接触发二极管钳位三电平电路的IGBT开关器件。