CN203423489U - 一种基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器，电动汽车充电站谐波源（31）侧的三相负载电流为I_la、I_lb、I_lc，三相网侧电流I_sa、I_sb、I_sc经谐波电流检测模块、滑模面选择σ(X)(34)和滑模控制策略模块(35)控制APF(33)，通过APF(33)三相相电流i_a、i_b、i_c,对谐波电流补偿，有源滤波器模块为电压型并联有源滤波器；滑模控制模块为本实用新型的控制器，利用电流误差信号作为滑模控制器的滑模面，采用等速指数趋近率方法，对并联电压型有源滤波器主电路变流器的开关元件进行控制，实现充电站谐波电流的补偿。本实用新型具有良好的动态品质，且计算量少，能实时控制，实现充电站谐波电流的补偿。

Description

一种基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种滤波器，具体为一种基于滑模控制、专用于汽车充电站谐波治理的有源滤波器。

背景技术

电动汽车由于其低碳节能等显著的特点，因此成为我国发展低碳经济、促进节能减排的重要产业发展方向。目前电动汽车产业已经成为我国新能源汽车产业的重要组成部分，以电动汽车为核心的产业链条已经凸显。随着电动汽车的推广，逐渐完善充电配套设施成为不可或缺的前提条件。充电机作为充电站的关键设备，是一种由电力电子装置组成的高度非线性负荷；对供电系统产生谐波污染，影响电网电能质量，甚至对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁；因此研究充电站的谐波特性并采用科学有效的治理措施势在必行。

目前，谐波治理措施主要分为三种。第一种是从受到谐波影响的设备或系统出发的受端治理方式；第二种是主动治理方式，从谐波源本身出发，电力系统保护与控制在直流侧减少谐波的产生，主要包括多脉整流、多电平变流、功率因数校正等方法；第三种则是采用外加滤波器的被动治理法，包括无源电力滤波、有源电力滤波。由于无源滤波技术容易与电网阻抗发生串、并联谐振，导致谐波放大和共振，且只能滤除特定次谐波，不能跟随谐波成分的变化；而有源滤波器具有响应速度快，跟踪精度高，能够补偿各次谐波的优点，因此对充电站谐波治理具有很好的适用性。

不同的控制策略在有源滤波器(APF)中得到了应用，如脉冲宽度调制PWM技术、三角载波电流控制、滞环比较控制、空间矢量调制等。而滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）由于具有强鲁棒性，开关频率较低，损耗小等优点，在APF应用中得到了关注。不同的滑模控制设计方法应用于APF。

但是，至今未见到推广应用于充电站谐波抑制的有源滤波器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种考虑充电站谐波特性的汽车充电站有源滤波器。

解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器，包括电动汽车充电站谐波源31、谐波电流检测模块32、有源滤波器模块APF33，以及由滑模面选择σ(X)34和滑模控制策略模块35依次连接构成的滑模控制模块，电动汽车充电站谐波源侧的三相负载电流为I_la、I_lb、I_lc，三相网侧电流I_sa、I_sb、I_sc经谐波电流检测模块、滑模控制模块控制APF33开关元件，通过APF33三相相电流i_a、i_b、i_c,实现对谐波电流的补偿，其特征是：所述的有源滤波器模块为电压型并联有源滤波器，有源滤波器主电路由6个用反并联二极管构成的开关元件Q1，Q2,Q3、Q4、Q5、Q6组成三相电压型桥式逆变电路，逆变电路一端经电感L连接至电网侧、另一端连接直流侧电容C。

滑模控制（以a相为例）如图3所示，其组成和连接关系为：

以谐波电流iah1、APF相电流ia2、直流侧电压Udc3和电网侧电压usa4作为输入；

谐波电流iah1与APF相电流ia2分别输至第一差值模块5，第一差值模块5与正值模块6、负值模块7一起输至符号选择模块8；

直流侧电压Udc3和0.008乘积因子模块09一起输至除法模块10，除法模块10的输出经第一饱和模块11后输出至20倍增益模块12乘以20；

20倍增益模块12与符号选择模块8的输出至第一乘积模块13；

第一饱和模块11的输出经10倍增益模块19后和第一差值模块5的输出一起至第二乘积模块20；

电网侧电压usa4的输出经1/L增益模块14后和谐波电流iah1的输出经微分模块15、第二饱和模块16后的信号一起输至第二差值模块17，第二差值模块17的输出和第一饱和模块的输出一起至第三乘积模块18；

第一至第三乘积模块的输出一起至求和模块21，最后输出Sa22。

原理：

以谐波电流i_ah、APF相电流i_a间的误差信号（e_x）作为滑模面切换函数，再乘以

通过符号选择函数实现滑模动态切换（L为电感值，U_dc为直流侧电容电压，ε为一常数，取20）；取i_ah的一阶微分，并乘以系数再加上（u_sa为a相电网侧电压）以及误差信号与

（k为一常数，取10）的乘积。

以谐波电流i_ah1、APF相电流i_a2、直流侧电压U_dc3、和电网侧电压u_sa4作为控制器输入，其中i_ah与i_a间的误差信号（e_x）作为滑模面切换函数，再乘以

通过符号选择函数实现滑模动态切换（L为电感值，U_dc为直流侧电容电压，ε为一常数，取20）；取i_ah的一阶微分，并乘以系数

再加上

（u_sa为a相电网侧电压）以及误差信号与

（k为一常数，取10）的乘积。

所述的充电站谐波源由若干台充电机并联，充电机由三相不可控桥式整流电路和由电感和电容组成的滤波电路输入到高频DC-DC功率变换电路组成，其中高频DC-DC功率变换电路用非线性电阻模拟。此为现有技术不再赘述。

所述的谐波电流检测模块采用基于H.Akagi的瞬时功率理论推导出来的i_p-i_q法进行谐波电流检测，采样得到一相电网电压，利用锁相环得到该相电压相位，作为电流控制的相位基准；再利用检测得到的三相电流经过Park变换后得到解耦的两相有功电流和无功电流，经过低通滤波后再做Park变换得到三相基波电流，最后将检测电流减去基波电流即为谐波电流。此为现有技术不再赘述。

所述的有源滤波器模块采用电压型并联有源滤波器，主要由桥式逆变电路、直流侧电容C和交流侧电感L构成（如图2所示），通过滑模控制器实现主电路开关元件的控制。

所述的滑模控制模块:设计APF控制器使其无差跟踪指令信号，根据电流误差信号作为滑模面，再根据等速指数趋近率设计控制策略，得到APF开关系数，产生PWM信号驱动开关元件。

有益效果：本实用新型在建立充电站谐波源模型的基础上，分析得到充电站谐波特性，再通过i_p-i_q法进行谐波电流检测，得到谐波电流；然后利用电流误差信号作为滑模控制器的滑模面，采用等速指数趋近率方法得到的滑模控制器，对并联电压型有源滤波器主电路的开关元件进行控制，实现充电站谐波电流的补偿。仿真实验验证了该控制策略的正确性和可行性，等速指数趋近率方法的滑模控制器能削弱抖振现象，具有良好的动态品质，且计算量少，能对充电站有源电力滤波器进行实时控制，实现充电站谐波电流的补偿。

附图说明

图1示出了本实用新型的系统结构框图；

图2示出了APF主电路；

图3示出了等速指数趋近率滑模控制器；

图4示出了充电站侧电流波形图；

图5为充电站侧谐波含量分析图；

图6示出了网侧电流波形和谐波含量分析。

具体实施方式

本实用新型是一种电动汽车充电站谐波治理装置，下面结合附图作进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型的基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器，包括电动汽车充电站谐波源31、谐波电流检测模块32、有源滤波器模块APF33，以及由滑模面选择σ(X)34和滑模控制策略模块35依次连接构成的滑模控制模块，电动汽车充电站谐波源侧的三相负载电流为I_la、I_lb、I_lc，三相网侧电流I_sa、I_sb、I_sc经谐波电流检测模块、滑模控制模块控制APF33开关元件，通过APF33三相相电流i_a、i_b、i_c,实现对谐波电流的补偿，其特征是：所述的有源滤波器模块为电压型并联有源滤波器，有源滤波器主电路由6个用反并联二极管构成的开关元件Q1，Q2,Q3、Q4、Q5、Q6组成三相电压型桥式逆变电路，逆变电路一端经电感L连接至电网侧、另一端连接直流侧电容C。

具体如下：

(1)充电站谐波源模块：电动汽车充电站谐波源由若干台充电机并联，充电机由三相不可控桥式整流电路、电感和电容组成的滤波电路输入到高频DC-DC功率变换电路组成，其中高频DC-DC功率变换电路用非线性电阻模拟。

(2)谐波电流检测模块：采用基于H.Akagi的瞬时功率理论推导出来的i_p-i_q法进行谐波电流检测。采样得到一相电网电压，利用锁相环得到该相电压相位，作为电流控制的相位基准；再利用检测得到的三相电流经过Park变换后得到解耦的两相有功电流和无功电流，经过低通滤波后再做Park变换得到三相基波电流，最后将检测电流减去基波电流即为谐波电流。

(3)有源滤波器模块APF：采用电压型并联有源滤波器，主要由桥式逆变电路、直流侧电容C和交流侧电感L构成（如图2所示），通过滑模控制器实现主电路开关元件的控制。

(4)滑模控制模块:设计APF控制器使其无差跟踪指令信号，根据电流误差信号作为滑模面，再根据等速指数趋近率设计控制策略，得到APF开关系数，产生PWM信号驱动开关元件。

具体的滑模控制（以a相为例）如图3所示，其组成和连接关系为：

以谐波电流iah1、APF相电流ia2、直流侧电压Udc3和电网侧电压usa4作为输入；

谐波电流iah1与APF相电流ia2分别输至第一差值模块5，第一差值模块5与正值模块6、负值模块7一起输至符号选择模块8；

直流侧电压Udc3和0.008乘积因子模块09一起输至除法模块10，除法模块10的输出经第一饱和模块11后输出至20倍增益模块12乘以20；

20倍增益模块12与符号选择模块8的输出至第一乘积模块13；

第一饱和模块11的输出经10倍增益模块19后和第一差值模块5的输出一起至第二乘积模块20；

电网侧电压usa4的输出经1/L增益模块14后和谐波电流iah1的输出经微分模块15、第二饱和模块16后的信号一起输至第二差值模块17，第二差值模块17的输出和第一饱和模块的输出一起至第三乘积模块18；

第一至第三乘积模块的输出一起至求和模块21，最后输出Sa22。

谐波电流检测模块采用基于H.Akagi的瞬时功率理论推导出来的i_p-i_q法进行谐波电流检测，采样得到一相电网电压，利用锁相环得到该相电压相位，作为电流控制的相位基准；再利用检测得到的三相电流经过Park变换后得到解耦的两相有功电流和无功电流，经过低通滤波后再做Park变换得到三相基波电流，最后将检测电流减去基波电流即为谐波电流。

有源滤波器主电路如图2所示，图中i_sa、i_sb、i_sc为三相网侧电流，L_S为线路等效阻抗，i_a、i_b、i_c为APF三相相电流，i_la、i_lb、i_lc为负载侧电流，可得APF的数学模型为：

$L\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sx}}-u_x=u_{\mathrm{sx}}-S_x{U}_{\mathrm{dc}}(x=a,b,c)---\left(1\right)$

其中，S_i为开关系数，ΣS_i=0,S_i与主电路开关元件的工作模式之间的关系如表1所示。

表1开关系数与主电路工作模式关系表

本实用新型的控制策略如图3所示，采用等速指数趋近率方法的滑模控制器。滑模控制的等速指数趋近率表达式为:

$\stackrel{\·}{\mathrm{\σ}}=-\mathrm{k\σ}-\mathrm{\ϵsgn}\left(\mathrm{\σ}\right)\mathrm{\ϵ}>0,k>0---\left(2\right)$

式中

为指数趋近项，其解为σ=σ(0)e^-kt。指数趋近率中，趋近速度从一较大值逐步减小，不仅缩短了趋近的时间，而且使运动点运动到切换面时的速度较小；同时为保证在有限时间内达到切换面，增加一个等速趋近项

使当σ接近于零时，趋近速度不为零，从而保证在有限的时间内到达。

为实现充电站谐波电流的补偿，设计APF控制器使其无差跟踪谐波指令信号i_xh（记为

），所以引入误差：

$e_x=i_x-i_x^{*}(x=a,b,c)---\left(3\right)$

为了让APF补偿电流i_x无差跟踪参考电流

滑模面设计为：

σ=e_x（x=a,b,c)                           (4)

将式(1)、(3)、(4)代入(2)，可求得APF滑模控制策略的开关系数如下：

$S_x=\frac{\mathrm{\ϵL}}{U_{\mathrm{dc}}}\mathrm{sgn}\left(e_x\right)+\frac{\mathrm{kL}}{U_{\mathrm{dc}}}{e}_x+(\frac{u_{\mathrm{sx}}}{U_{\mathrm{dc}}}-\frac{L{\stackrel{\·}{i}}_x^{*}}{U_{\mathrm{dc}}}),(x=a,b,c)---\left(5\right)$

式中，sgn为符号函数：

$\mathrm{sgn}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}-1& x<0\\ 0& x=0\\ 1& x>\end{array}\right.---\left(6\right)$

实现滑动模态切换控制，后半部分则减少变结构控制中的抖动现象，得到更好的动态品质。根据式(5)即得到如图3所示的等速指数趋近率滑模控制器。

本实用新型进行了仿真实验，基于Matlab/Simulink的Power System Blockset建立仿真模型，得到图4和图5，分别为充电站侧电流波形和谐波含量分析、网侧电流波形和谐波含量。仿真系统参数设置为：电源侧为10kV/50Hz，经10kV/380V降压变压器后为充电机供电，线路等效电抗为L_s为0.2mH；根据文献[18]计算取APF电感L为0.8mH，电容C取1800μF，其耐压值大于800V。由图可见充电站负载侧谐波含量高，电流畸变较严重，总谐波含量THD高达39%，其中主要谐波5次、7次、11次、17次分别为35.9%、13.06%、8.69%、4.17%；经过APF补偿后的网侧电流为平滑的正弦波，总谐波含量THD下降到3.26%，其中5次、7次、11次、17次谐波含量分别下降到3.12%、0.92%、0.22%、0.24%。

Claims (3)

1.一种基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器，包括电动汽车充电站谐波源（31）、谐波电流检测模块（32）、有源滤波器模块APF（33），以及由滑模面选择（34）和滑模控制策略模块（35）依次连接构成的滑模控制模块，电动汽车充电站谐波源侧的三相负载电流为I_la、I_lb、I_lc，三相网侧电流I_sa、I_sb、I_sc经谐波电流检测模块、滑模控制模块控制APF（33），通过APF（33）三相相电流i _a 、i _b 、i _c,实现对谐波电流的补偿，其特征是：所述的有源滤波器模块为电压型并联有源滤波器，有源滤波器主电路由6个用反并联二极管构成的开关元件（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6）组成三相电压型桥式逆变电路，逆变电路一端经电感L连接至电网侧、另一端连接直流侧电容C。

2.根据权利要求1所述的基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器，其特征是：所述的滑模控制组成和连接关系为：

以谐波电流iah（1）、APF相电流ia（2）、直流侧电压Udc（3）和电网侧电压usa（4）作为输入；

谐波电流iah（1）与 APF相电流ia（2）分别输至第一差值模块（5），第一差值模块（5）与正值模块（6）、负值模块（7）一起输至符号选择模块（8）；

直流侧电压Udc（3）和0.008乘积因子模块（9）一起输至除法模块（10），除法模块（10）的输出经第一饱和模块（11）后输出至20倍增益模块（12）乘以20；

20倍增益模块（12）与符号选择模块（8）的输出至第一乘积模块（13）；

第一饱和模块（11）的输出经（10）倍增益模块(19)后和第一差值模块(5)的输出一起至第二乘积模块(20)；

电网侧电压usa(4)的输出经1/L增益模块(14)后和谐波电流iah(1)的输出经微分模块(15)、第二饱和模块(16)后的信号一起输至第二差值模块(17)，第二差值模块(17)的输出和第一饱和模块（11）的输出一起至第三乘积模块(18)；

第一至第三乘积模块的输出一起至求和模块(21)，最后输出Sa(22)。

3.根据权利要求1所述的基于滑模控制专用于汽车充电站的有源滤波器，其特征是：所述的充电站谐波源由若干台充电机并联，充电机由三相不可控桥式整流电路和由电感和电容组成的滤波电路输入到高频DC-DC 功率变换电路组成，其中高频DC-DC 功率变换电路用非线性电阻模拟。

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