CN109167360B - 一种电动汽车充电站滤波器及其参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车充电站滤波器及其参数设计方法，通过有源滤波器和无源滤波器有源调谐的滤波方式，并利用遗传算法，对无源滤波器的参数进行了优化设计，通过适应度函数以及约束条件，对不同组合负荷的充电桩，进行了变长度染色体运算，并利用排序选择法进行Pareto的最优解求取，实践表明，设计的无源滤波器能够同时满足滤波、无功补偿和成本低等多个目标要求，具有较好的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及无源滤波器技术领域，具体是一种电动汽车充电站滤波器及其参数设计方法。
背景技术
近年来，由于电动汽车解决环境污染方面的优势和应对能源危机方面的重要作用，再加上电动汽车相比内燃机的性能优势，其自身及能源供给设施都得到了很大的发展。但同时，充电机在工作中会产生大量的谐波注入电网，造成电网污染。尤其是电动汽车充电站中的直流快速充电桩，作为一种采用电力电子技术的大功率充电机，是一种高密度非线性的用电设备，与普通的电网谐波源相比，其谐波的产生受到充电站内充电机运行台数、运行状态、以及充电桩直线谐波相互抑制和线路阻抗等的影响，谐波相对复杂。随着电动汽车数量的和充电设施的不断增加，充电站的谐波问题日益突出。目前国内外对充电站的谐波计算尚处于探索阶段，仍未大规模应用于充电站的建设当中。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种电动汽车充电站滤波器及测量方法，解决了现有的充电桩的谐波问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电动汽车充电站滤波器，所述电动汽车充电站滤波器设置在充电站与电网之间，所述充电站内设置有多台充电机，用于对电动汽车的电池进行充电，所述电动汽车充电站滤波器包括有源滤波器APF及无源滤波器PPF，所述有源滤波器APF的电压端连接一晶振，通过所述晶振输入第一工作电压udc，所述无源滤波器PPF的输入端通过第一电感LAPF与所述有源滤波器APF的输出端连接，所述有源滤波器APF的接地端与所述无源滤波器PPF的接地端相连后接地，所述无源滤波器PPF的电压端通过第二电感Ls连接一恒流源，并通过所述恒流源输入第二工作电压us，所述无源滤波器PPF包括若干单调谐滤波器与二阶高通滤波器并联而构成，所述单调谐滤波器包括串联在一起的调谐电容、调谐电感及调谐电阻，所述二阶高通滤波器包括滤波电容CF1、滤波电感LF1及滤波电阻RF1，所述滤波电感LF1与所述滤波电阻RF1并联后与所述滤波电容CF1串联。
优选的，所述充电站采用分阶段恒流充电方式，充电分为大电流充电和小电流充电两种工作模式。
本发明还提供了一种电动汽车充电站滤波器的参数设计方法，用于确定所述电动汽车充电站滤波器中无源滤波器PPF的电路参数，包括：
确定所述无源滤波器PPF需要处理的n种谐波参数；
确定所述无源滤波器PPF中谐波电流的总畸变率THDi；
确定所述电动汽车充电站滤波器的建设成本F，并通过多目标优化遗传算法得到所述无源滤波器PPF的电路参数。
优选的，确定所述无源滤波器PPF需要处理的谐波参数的步骤包括：
确定充电站内的充电桩的数量N；
通过公式
得到所述无源滤波器PPF需要处理的n种谐波参数。
优选的，采用如下公式计算所述电动汽车充电站滤波器中谐波电流的总畸变率THDi：
其中，I1表示基波电流有效值，In表示n次谐波电流有效值，
优选的，所述电动汽车充电站滤波器的建设成本为：
其中，Ci为无源滤波器PPF中的电容对应的价格；Li为无源滤波器PPF中的电感对应的价格；Ri为无源滤波器PPF中的电阻对应的价格；Wi为每组切换投切装置对应的价格；Smax为所述电动汽车充电站滤波器所需滤波器的总容量，SPPF为无源滤波器能够提供的滤波容量；PrAPF为单位容量的有源滤波器的价格。
(三)有益效果
本发明提供了一种电动汽车充电站滤波器。具备以下有益效果：
有源滤波器和无源滤波器有源调谐的滤波方式，并利用遗传算法，对无源滤波器的参数进行了优化设计，通过适应度函数以及约束条件，对不同组合负荷的充电桩，进行了变长度染色体运算，并利用排序选择法进行Pareto的最优解求取，实践表明，设计的无源滤波器能够同时满足滤波、无功补偿和成本低等多个目标要求，具有较好的综合性能。
附图说明
图1为本发明提供的电动汽车充电站滤波器的第一种结构示意图；
图2为本发明提供的电动汽车充电站滤波器的第二种结构示意图；
图3为本发明提供的电动汽车充电站滤波器的第三种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：
目前充电站通常接入不止一个充电桩，多台充电桩与电网的连接示意图如图1所示。多台充电桩接到母线上，并通常使用无源滤波器PPF结合有源滤波器APF的混合滤波方式处理谐波，然后通过三相变压器接入电网。
当充电站内多台充电机接入电网时，有以下几个主要特点：
(1)多台充电机同时运行时，其谐波不是单纯的累积，而是同次谐波有不同程度的相互抵消。
(2)当充电机充电功率不同时，其对谐波的抵消作用也有区别。
(3)变压器的联结方式影响充电站内谐波的抵消。
(4)电动汽车充电机产生的高次谐波流入电网有放大现象，节点与谐波源的电气距离也对谐波有明显影响。
本发明提供了一种电动汽车充电站滤波器，所述电动汽车充电站滤波器设置在充电站与电网之间，所述充电站内设置有多台充电机，用于对电动汽车的电池进行充电，所述电动汽车充电站滤波器包括有源滤波器APF及无源滤波器PPF，所述有源滤波器APF的电压端连接一晶振，通过所述晶振输入第一工作电压udc，所述无源滤波器PPF的输入端通过第一电感LAPF与所述有源滤波器APF的输出端连接，所述有源滤波器APF的接地端与所述无源滤波器PPF的接地端相连后接地，所述无源滤波器PPF的电压端通过所述第二电感Ls连接一恒流源，并通过所述恒流源输入第二工作电压us，所述无源滤波器PPF包括若干单调谐滤波器与二阶高通滤波器并联而构成，所述单调谐滤波器包括串联在一起的调谐电容、调谐电感及调谐电阻，所述二阶高通滤波器包括滤波电容CF1、滤波电感LF1及滤波电阻RF1，所述滤波电感LF1与所述滤波电阻RF1并联后与所述滤波电容CF1串联。
APF与PPF串联时，APF的接入点电压减小，但系统的无功电流会流经APF，增大APF的输出电流，导致APF容量减小有限；有源调谐结构中，APF接入点电压低，APF输出的谐波电流远小于PPF的谐波电流，APF的容量能够得到大幅度的减小。
电动汽车充电站的负荷主要以充电桩为主，本文讨论的直流充电桩的工作方式通常有恒流-恒压和分阶段恒流等充电模式，因为充电站的谐波与充电电流相关较大，因此，本文中所采用的充电桩采用分阶段恒流充电方式，充电分为大电流充电和小电流充电两种工作模式。
若充电站内有N个充电桩，则根据负载响应的谐波治理需要面对的工作状况可以用公式(1)来描述。
则若要无源滤波器来处理谐波，则共需要n种滤波参数。
根据无源滤波器的设计要求，其优化需考虑三个基本问题：
1、无源滤波器的首要问题即滤波后，注入电网的谐波符合国家标准，且谐波畸变率越小越好。本文所研究的系统为无源滤波器和有源滤波器混合滤波的滤波方式，因此，合理设计无源滤波器参数，可以减少有源滤波器容量。本文以谐波电流含量的总畸变率为衡量标准，则电流谐波总畸变率THDi可用公式(2)表示：
式中：I1表示基波电流有效值，In表示n次谐波电流有效值。
设计中，考虑元件的参数偏差和电网的频率偏移，无源滤波器谐振频率设置需要比谐波源特征谐波频率低10％。
2、无源滤波器提供的无功功率不能过补偿，在此前提下，无功功率越大越好，无源滤波器的无功约束设计可以用公式(3)来表示。
式中：Qi为无源滤波器各个单元提供的无功功率，Qmax为系统所需无功功率的上限。
该系统中，有源滤波器不提供无功补偿功能，无功功率均有无源滤波器提供。
3、优化设计后滤波方案建设成本低。本文所研究系统由无源滤波器和有源滤波器组成，无源滤波器考虑负荷的变化，采用分组投切方式，无源滤波器设计合理能大幅度减少有源滤波器功率，从而降低整个系统功率。本系统的建设成本可以由公式(4)表示。
式中：Ci为无源滤波器电容对应的价格；Li为无源滤波器电感对应的价格；Ri为无源滤波器电阻对应的价格；Wi为每组切换投切装置对应的价格；Smax为系统所需滤波器的总容量，SPPF为无源滤波器能够提供的滤波容量；PrAPF为单位容量有源滤波器的价格。
根据滤波器优化方案，在滤波器设计中需要有三个优化目标在给定区域求解最优值，因此本文采用多目标优化遗传算法求解。
为减少映射误差，反映所求解问题的特定知识，本文采用浮点数编码方法，但是在本文中，无源滤波器的组数取决于负荷的不同组合方式的数量，以及在不同组合方式中，选取最优的无源滤波器组数，因此，染色体长度并非固定不变，所以采用变染色体长度遗传算法求解。
则染色体的编码方式可以表示为：
Xm：(i1，R1，C1，L1)(i2，R2，C2，L2)...(ik，Rk，Ck，Lk)...(in，Rn，Cn，Ln) (5)
式中：ik是描述基因在原常规染色体中的基因座编号，Rk，Ck，Lk为对应无源滤波电路的基因值。
初始种群的形成，按照过剩指定原则，假设负荷有i种排列组合模式，则随机生成M个染色体，染色体长度均为i，作为染色体的初始合集。
根据滤波器设计的优化目标，适应度函数按照公式(5)所示构造。
V-min f(x)＝[f1(x)，f2(x)，f3(x)]T (5)
式中：f1(x)表示谐波含量，令f1(x)＝THD；
f2(x)表示无功补偿容量，令
C为一个较大的无功补偿值，则当
为最大值时，f2(x)为最小值；
f3(x)表示滤波器建设成本，令f2(x)＝F。
本文中的变长度染色体运算中，除了使用常规算法中的选择算子和变异算子外，不再使用交叉算子，而是采用切断算子。由于本文的初始种群采用过剩指定原则，初始种群即为最大长度的基因链，则在运算中，按照规定的概率，在染色体中选择一个或几个基因座切除，从而形成一个新的染色体，切除的基因座舍弃。在运算中，不再结合拼接新的基因体。
由于遗传算法是对整个群体所进行的进化运算操作，它着眼于个体的集合，求解多目标优化问题的Pareto最优解也是集合，因而利用遗传算法求解，还需要找出最优Pareto解。
本文采用排序选择法，在三个适应度函数的求解中，成本和谐波问题的重要性要高于无功补偿，因此，f2(x)在排序中排在最后，而谐波问题由于在设计中存在有源滤波器，所以，其排序在成本之后，所以本文中的排序f2(x)＜f1(x)＜f3(x)。遗传运算中，按照这个顺序进行进化过程中的选择运算，则排在前面的Pareto最优解就能有更高的概率遗传到下一代群体中。当遗传运算结束时，取排在前面的几个Pareto最优个体，以他们的解作为Pareto最优解。
如图3所示，假设某电动汽车充电站内有3台充电机，某时刻下，单台充电机大功率充电运行，另外两台充电机不运行，则该系统5次谐波的含量为20％，7次谐波含量为12.6％，11次谐波含量为8％，13次谐波含量为7％，电流谐波总畸变率为到30.87％。需补偿的无功功率为1.85kVar。无源滤波器方案选用5次谐波、7次谐波和高通滤波器并联的方案。则经过运算后，无源滤波器参数如下表所示：
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种电动汽车充电站滤波器的参数设计方法，其特征在于：所述电动汽车充电站滤波器设置在充电站与电网之间，所述充电站内设置有多台充电机，用于对电动汽车的电池进行充电；所述电动汽车充电站滤波器包括有源滤波器APF及无源滤波器PPF，所述有源滤波器APF的电压端连接一晶振，通过所述晶振输入第一工作电压udc，所述无源滤波器PPF的输入端通过第一电感LAPF与所述有源滤波器APF的输出端连接，所述有源滤波器APF的接地端与所述无源滤波器PPF的接地端相连后接地，所述无源滤波器PPF的电压端通过第二电感Ls连接一恒流源，并通过所述恒流源输入第二工作电压us，所述无源滤波器PPF由若干单调谐滤波器与二阶高通滤波器并联而构成，所述单调谐滤波器包括串联在一起的调谐电容、调谐电感及调谐电阻，所述二阶高通滤波器包括滤波电容CF1、滤波电感LF1及滤波电阻RF1，所述滤波电感LF1与所述滤波电阻RF1并联后与所述滤波电容CF1串联；
用于确定所述电动汽车充电站滤波器中无源滤波器PPF的电路参数，包括：
确定所述无源滤波器PPF需要处理的n种谐波参数；
确定所述无源滤波器PPF中谐波电流的总畸变率THD；
确定所述电动汽车充电站滤波器的建设成本F，并通过多目标优化遗传算法得到所述无源滤波器PPF的电路参数。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站滤波器的参数设计方法，其特征在于，确定所述无源滤波器PPF需要处理的谐波参数的步骤包括：
确定充电站内的充电桩的数量N；
通过公式
得到所述无源滤波器PPF需要处理的n种谐波参数。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车充电站滤波器的参数设计方法，其特征在于，采用如下公式计算所述电动汽车充电站滤波器中谐波电流的总畸变率THDi：
其中，I1表示基波电流有效值，In表示n次谐波电流有效值。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车充电站滤波器的参数设计方法，其特征在于，所述电动汽车充电站滤波器的建设成本为：
其中，Ci为无源滤波器PPF中的电容对应的价格；Li为无源滤波器PPF中的电感对应的价格；Ri为无源滤波器PPF中的电阻对应的价格；Wi为每组切换投切装置对应的价格；Smax为所述电动汽车充电站滤波器所需滤波器的总容量，SPPF为无源滤波器能够提供的滤波容量；PrAPF为单位容量的有源滤波器的价格。
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