CN107437810A - 一种充电站桩电能质量综合治理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种充电站桩电能质量综合治理装置，包括串联滤波部分和并联有源滤波部分，并联有源滤波部分包括主控板、滤波板和散热器，主控板分别与串联滤波部分的输入端和输出端、滤波板和散热器连接，滤波板分别与串联滤波部分的输出端和散热器连接；主控板从串联滤波部分的输入端采集系统电路、输出端采集系统电压，检测出系统侧的无功、谐波电流分量和基波电流分量，进而控制滤波板输出无功和谐波电流。与现有技术相比，本发明通过输出反向无功和谐波电流，实现滤除无功和低次谐波的目的。

Description

一种充电站桩电能质量综合治理装置
技术领域
本发明涉及一种电能治理装置，尤其是涉及一种充电站桩电能质量综合治理装置。
背景技术
电动汽车越来越普及，带来重大节能环保效益的同时，充电站桩大规模普及给配电网带来了谐波、负序、无功等问题。随着电动汽车电池技术的日益发展和完善，电动汽车充电站将在城镇中大量涌现，充电站的功能是利用非车载充电机把直流电能传送给电动汽车动力电池，用以补充电池能量。充电机属非线性设备，在运行时将产生谐波，对公网造成危害。因此在电动汽车充电站建设时，应采取抑制和消除谐波、补偿无功的措施。
关于大规模电动汽车充电对电网影响的研究集中在充电站谐波分析和抑制及充电机整流装置。目前，电动汽车接入小区的研究可归结为对住宅配电系统的经济运行的影响及电动汽车与电网互联技术(vehicle to grid，V2G)或电动汽车与智能住宅互联技术(vehicle to house，V2H)、电能质量的影响等三个方面。在配电网经济运行方面，主要研究电动汽车接入对配电系统网损和配电变压器寿命的影响。电动汽车充电对居民住宅小区配电网最主要的影响是谐波污染、电压下降和三相不平衡。电网电压的影响，以负序电流与正序电流的比值来表征配电网节点的三相不平衡程度，结果表明只有在大量电动汽车接入情况下会带来三相不平衡问题，电动汽车充电负荷应在三相之间合理分配。电动汽车充电机对配网电能质量的影响，电动汽车在深夜充电时，将成为造成电压畸变的主要设备，充电产生的谐波可能对变压器的寿命、电缆以及继电保护装置造成影响。随着电动汽车接入民用住宅区及充电技术和电能计量技术的发展，分布式家庭充电的规模将越来越大并对小区配电网造成较大的影响。因此，研究基于优质柔性配电技术的充电站桩电能质量综合治理装置对合理利用现有资源来促进电动汽车的发展更具意义。
交流充电桩是家用电动汽车主要的能源供给设施，利用车载式充电器为动力电池充电。但现在大多数现行标准中明确规定交流充电桩的功能，并没有考虑到车载式充电器的谐波、无功、负序对电网的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种充电站桩电能质量综合治理装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种充电站桩电能质量综合治理装置，包括串联滤波部分和并联有源滤波部分，所述并联有源滤波部分包括主控板、滤波板和散热器，所述主控板分别与串联滤波部分的输入端和输出端、滤波板和散热器连接，所述滤波板分别与串联滤波部分的输出端和散热器连接；
所述主控板从串联滤波部分的输入端采集系统电路、输出端采集系统电压，检测出系统侧的无功、谐波电流分量和基波电流分量，进而控制滤波板输出无功和谐波电流。
所述串联滤波部分为三阶Butterworth低通滤波电路。
所述并联有源滤波部分还包括用于从电网取电的电源模块，该电源模块的输入端与电网连接，输出端与主控板连接。
所述电源模块的输入端与串联滤波部分的输出端连接。
所述滤波板包括软起回路、主继电器和滤波支路，所述滤波支路的一端与散热器连接，另一端分别与软起回路和主继电器，所述软起回路和主继电器还均与串联滤波部分的输出端连接，且所述主继电器与主控板连接。
所述主继电器和滤波支路之间设有电流互感器，该电流互感器与主控板连接。
所述滤波板和散热器之间设有滤波电感。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)主要由并联有源滤波部分和串联滤波部分组成，其中并联滤波部分主要用来补偿充电站桩所产生的无功及低次谐波电流，它以IGBT为主要元件构建电路，通过电压、电流互感器，检测出系统侧的无功、谐波电流分量和基波电流分量，发送命令到IGBT，输出反向无功和谐波电流，实现滤除无功和低次谐波的目的。
2)采用三阶Butterworth，振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，考虑到装置实现的难易程度，并避免与外部其他元件产生谐振。本次设计采用三阶Butterworth低通滤波器。
3)配置了从电网取电的电源模块，无需搭载大体积的储能电池。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为串联滤波部分所采用的三阶Butterworth低通滤波电路图；
图3为Butterworth低通滤波器bode图；
图4为有源钳位三电平电路拓扑图；
图5为空间矢量图；
其中：1、串联滤波部分，2、并联有源滤波部分，3、充电桩，4、电网，21、主控板，22、滤波板，23、散热器，24、电源模块，25、滤波电感，221、软起回路，222、主继电器，223、滤波支路，231、隔热片温度开关，232、IGBT驱动板，233、散热风扇。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种充电站桩电能质量综合治理装置，如图1所示，包括串联滤波部分1和并联有源滤波部分2，并联有源滤波部分2包括主控板21、滤波板22和散热器23，主控板21分别与串联滤波部分的输入端和输出端、滤波板22和散热器23连接，滤波板22分别与串联滤波部分1的输出端和散热器23连接；
主控板21从串联滤波部分的输入端采集系统电路、输出端采集系统电压，检测出系统侧的无功、谐波电流分量和基波电流分量，进而控制滤波板输出无功和谐波电流。
串联滤波部分为三阶Butterworth低通滤波电路。串联滤波部分采用无源滤波技术，通过设计高性能的低通滤波器来实现高次谐波滤除，图2为串联滤波部分所采用的三阶Butterworth低通滤波电路，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。
图3为Butterworth低通滤波器bode图，由图可以看出一阶(n＝1)巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。虽然理论上Butterworth滤波器随着阶数的升高其滤波性能越好，但考虑到装置实现的难易程度，并避免与外部其他元件产生谐振。本次设计采用三阶Butterworth低通滤波器。
并联滤波部分主要用来补偿充电站桩所产生的无功及低次谐波电流，它以IGBT为主要元件构建电路，通过电压、电流互感器，检测出系统侧的无功、谐波电流分量和基波电流分量，发送命令到IGBT，输出反向无功和谐波电流，实现滤除无功和低次谐波的目的。
并联有源滤波部分2还包括用于从电网取电的电源模块24，该电源模块24的输入端与电网连接，输出端与主控板21连接。
电源模块24的输入端与串联滤波部分的输出端连接。
滤波板22包括软起回路221、主继电器222和滤波支路223，滤波支路223的一端与散热器23连接，另一端分别与软起回路221和主继电器222，软起回路221和主继电器222还均与串联滤波部分的输出端连接，且主继电器222与主控板21连接。
主继电器222和滤波支路223之间设有电流互感器CT，该电流互感器CT与主控板21连接。
为了提高有源滤波装置的谐波滤除率并提高滤波次数，人们采用的主要方式为提高IGBT的工作频率和装置的电平数量。由此二极管钳位型的三电平拓扑电路被提出用于有源滤波，三电平有源滤波装置在两电平的基础上，增加了直流侧电平数，与传统的两电平相比，在相同开关频率下的调制目标更加精细，输出等效开关频率倍频，从而提升谐波补偿次数。同时由于直流侧的分压，使得每个器件承受的电压仅为两电平的一半。
然而传统的二极管钳位型三电平拓扑在运行过程中存在功率器件损耗不均匀，部分器件损耗较大、发热严重，导致其芯片结温过高，这在很大程度上限制了有源滤波装置的容量和开关频率的提升。由此本申请采用新型的有源钳位三电平电路拓扑，如图4所示。该电路在原来的三电平基础上用IGBT替代了二极管，这样可以产生冗余的零电压状态。在换流过程中通过对这些冗余零电压状态的合理切换可以调节功率器件的损耗分布，同时冗余零电压状态也可用于电容中点电压的平衡控制，大大改善了装置的补偿精确性。
普通三电平中点钳位电路的每个输出状态(P/O/N)在电流流出与电流流入时分别对应一条电流通路。P状态通过上桥臂两只IGBT流出流入；N状态通过下桥臂两只IGBT流出流入；O状态通过中间IGBT与二极管流出流入。而有源钳位三电平电路将两个二极管变为可控的IGBT，P状态与N状态的电流通路情况不会发生改变，但是O状态由于可控元件的加入使得电流可以通过S2/S5或S3/S6流入流出，所以多出两种O状态的冗余。这两种O状态的冗余也为中点电位控制和各器件损耗平衡提供了调整空间。每一个桥臂的开关状态表如表1所示：
表1
为了使交流端电流为标准正弦，通常采用空间矢量调制的方法。使用有源钳位型的三电平电路的不同开关模式产生的实际D-Q变换电流轨迹接近于圆形。空间矢量调制方法直流电压利用率高，调制出的电流谐波含量低、波动小。三电平空间矢量调制方式包含27种不同的开关状态。对应的空间矢量图如图5所示。
由图5可见，27种不同的输出矢量可以分为大矢量、中矢量、小矢量、零矢量。所有的矢量起点都定位在坐标零点，不同的矢量分别指向坐标系空间的不同位置。除去3各零矢量，一户重合的一对正负小矢量，输出矢量在坐标系上构成一个正六边形，一般将该六边形划分为6个正三角形，每个三角形有可细分为4个正三角形区域。在某个采样周期内，对于落在该正六边形内部的某个SVPWM的参考矢量，可以用该矢量所在区域的小三角形的三个矢量来合成。采用伏秒平衡法由这三个矢量等效平衡出参考矢量。
滤波板22和散热器23之间设有滤波电感25。此外，散热器23包括散热器主体、隔热片温度开关231、IGBT驱动板232和散热风扇233，隔热片温度开关231和IGBT驱动板232的一端均与主控板21连接，另一端与散热器主体连接，散热风扇233与电源模块24连接。

Claims (7)

1.一种充电站桩电能质量综合治理装置，其特征在于，包括串联滤波部分(1)和并联有源滤波部分(2)，所述并联有源滤波部分(2)包括主控板(21)、滤波板(22)和散热器(23)，所述主控板(21)分别与串联滤波部分的输入端和输出端、滤波板(22)和散热器(23)连接，所述滤波板(22)分别与串联滤波部分(1)的输出端和散热器(23)连接；
所述主控板(21)从串联滤波部分的输入端采集系统电路、输出端采集系统电压，检测出系统侧的无功、谐波电流分量和基波电流分量，进而控制滤波板输出无功和谐波电流。
2.根据权利要求1所述的一种充电站桩电能质量综合治理装置，其特征在于，所述串联滤波部分为三阶Butterworth低通滤波电路。
3.根据权利要求1所述的一种充电站桩电能质量综合治理装置，其特征在于，所述并联有源滤波部分(2)还包括用于从电网取电的电源模块(24)，该电源模块(24)的输入端与电网连接，输出端与主控板(21)连接。
4.根据权利要求3所述的一种充电站桩电能质量综合治理装置，其特征在于，所述电源模块(24)的输入端与串联滤波部分的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的一种充电站桩电能质量综合治理装置，其特征在于，所述滤波板(22)包括软起回路(221)、主继电器(222)和滤波支路(223)，所述滤波支路(223)的一端与散热器(23)连接，另一端分别与软起回路(221)和主继电器(222)，所述软起回路(221)和主继电器(222)还均与串联滤波部分的输出端连接，且所述主继电器(222)与主控板(21)连接。
6.根据权利要求5所述的一种充电站桩电能质量综合治理装置，其特征在于，所述主继电器(222)和滤波支路(223)之间设有电流互感器(CT)，该电流互感器(CT)与主控板(21)连接。
7.根据权利要求1所述的一种充电站桩电能质量综合治理装置，其特征在于，所述滤波板(22)和散热器(23)之间设有滤波电感(25)。
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