基于復(fù)合控制的車(chē)載充電機(jī)諧波抑制策略

于會(huì)群, 林豪洋, 王 雷, 沈 昱

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司, 上海 200137)

近些年來(lái),溫室氣體的大量排放所導(dǎo)致的全球氣候變化問(wèn)題引發(fā)了人們的強(qiáng)烈關(guān)注,各國(guó)均在積極尋求低碳解決途徑[1-3]。中國(guó)的交通運(yùn)輸行業(yè)碳排量逐年增加,年平均增長(zhǎng)率為9.05%,尤其是1996年之后,由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,年平均增長(zhǎng)率更是達(dá)到了10.11%[4],因此必須要采取積極的措施來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)作為清潔、綠色、低污染排放的新型交通工具逐漸引起了人們的關(guān)注[5]。目前,電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)主要分為車(chē)載充電機(jī)和地面充電機(jī)兩大類(lèi):車(chē)載充電機(jī)一般體積較小,裝載于電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部,由單相220 V交流電供電,但充電功率較低,一般為8 kW以下;地面充電機(jī)一般體積較大,裝配于專(zhuān)門(mén)的充電站中,由三相交流電供電,其充電功率較高,通常為10～100 kW[6]。

電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)為非線性負(fù)載,工作時(shí)由于大功率開(kāi)關(guān)管的高頻率通斷會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流與高頻噪聲[7],對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和電磁環(huán)境造成嚴(yán)重影響[8]。由于電能計(jì)量裝置是根據(jù)50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波設(shè)計(jì)出來(lái)的,因此諧波也會(huì)影響電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[9]。

目前針對(duì)車(chē)載充電機(jī)諧波抑制的研究還較少。文獻(xiàn)[10]為了減小三相充電機(jī)的體積與質(zhì)量,提出了一種四開(kāi)關(guān)、兩引腳有源濾波器來(lái)濾除三相充電機(jī)的諧波,將三相電路中的第三相與LC濾波相結(jié)合連接于有源濾波電路的負(fù)極,使電流總畸變率控制在3.3%左右。文獻(xiàn)[11]通過(guò)在車(chē)載充電機(jī)前級(jí)采用Boost型有源功率因數(shù)校正電路,搭建了一臺(tái)4 kW的車(chē)載充電機(jī)樣機(jī),其諧波電流低于4.5%,但沒(méi)有涉及其可靠性和安全性的研究。文獻(xiàn)[12]通過(guò)搭建3種不同的充電機(jī)仿真模型,包括三相不可控充電機(jī)、十二脈整流充電機(jī)以及脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)整流充電機(jī),研究了充電站諧波抑制策略,通過(guò)分析得出有源濾波器(Active Power Filter,APF)補(bǔ)償裝置和PWM整流對(duì)于充電站的諧波抑制較為合適。但有源濾波器控制復(fù)雜且需要額外硬件,而PWM整流適用場(chǎng)合廣泛,能夠在不添加任何硬件的情況下,實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

本文首先分析了車(chē)載充電機(jī)結(jié)構(gòu)及單相PWM整流器的基本原理。因?yàn)殡娏鲀?nèi)環(huán)PI控制器的頻域模型只包括常數(shù)模型和階躍信號(hào)模型,所以抑制非線性干擾的效果有限,且無(wú)法做到無(wú)靜差跟蹤高頻信號(hào)。然后根據(jù)內(nèi)模原理,為提高PWM整流器中電流內(nèi)環(huán)對(duì)指令信號(hào)的跟蹤能力,在內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)中引入一個(gè)重復(fù)控制器。最后,通過(guò)搭建單相PWM整流充電機(jī)模型,以驗(yàn)證所提出的復(fù)合控制策略的可行性與正確性。

1 車(chē)載充電機(jī)結(jié)構(gòu)

完整車(chē)載充電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)由整流電路、輸入濾波、DC/DC功率變換器及輸出濾波構(gòu)成。車(chē)載充電機(jī)的電源由單相AC220 V提供,經(jīng)過(guò)不可控整流電路以及輸入濾波至高頻變壓器,由DC/DC變換器輸出直流,最后經(jīng)過(guò)輸出濾波電路為電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充電[13-14]。

圖1 車(chē)載充電機(jī)結(jié)構(gòu)

在研究電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)諧波治理策略時(shí),主要使用等效模型法[15]對(duì)高頻DC/DC變換器及其之后的電路進(jìn)行等效建模,如圖2所示。

圖2 車(chē)載充電機(jī)等效模型

圖2中:e為電網(wǎng)輸入電壓,通常是220 V;Li為輸入濾波電感,Lf為輸出濾波電感;Cf為濾波電容;Rc為等效電阻。采用等效電阻可以大大簡(jiǎn)化電路,等效電阻Rc的大小為

(1)

式中:UB,U0——DC/DC功率變換器兩端電壓和輸出電壓;

I1,I0——DC/DC功率變換器電流和輸出電流;

P1,P0——圖1中高頻變換器的輸入功率和輸出功率;

η——充電機(jī)效率,通常為90%以上。

等效電阻會(huì)隨著充電機(jī)工作時(shí)間的增加而發(fā)生變化。

2 車(chē)載充電機(jī)諧波抑制策略分析

2.1 具有諧波抑制能力的車(chē)載充電機(jī)模型分析

將圖2中4個(gè)不可控二極管用可控功率管代替。具有諧波抑制能力的車(chē)載充電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中,L為輸入濾波電感,C為直流穩(wěn)壓電容,i為交流側(cè)電流,Udc為直流側(cè)電壓。

圖3 具有諧波抑制能力的車(chē)載充電機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)整流器開(kāi)關(guān)函數(shù)SA和SB分別為

(2)

圖3中a和b兩點(diǎn)間的電壓為交流側(cè)電壓uab,其表達(dá)式為

(3)

則可得

uab=(SA-SB)Udc

(4)

進(jìn)一步可得整流電路狀態(tài)方程為

(5)

由式(5)中的數(shù)學(xué)模型可以得出輸入電流i與直流電壓Udc的變化趨勢(shì)。根據(jù)式(5)可以采取適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?duì)i與Udc進(jìn)行控制,從而獲得理想的控制效果。

2.2 PWM整流控制策略設(shè)計(jì)

PWM整流器通常采用雙閉環(huán)控制方式,含有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán),如圖4所示。

整個(gè)系統(tǒng)的控制策略如圖5所示。

圖4 PWM整流控制結(jié)構(gòu)

圖5 復(fù)合控制結(jié)構(gòu)

圖5中,z-N為周期延時(shí)模塊,將系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為10 kHz,那么N=10 kHz/50 Hz=200,即z-200。Q(z)為濾波器,可以有效抑制周期性干擾。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng),Q(z)可以取接近1的一個(gè)常數(shù)。C(z)為補(bǔ)償環(huán)節(jié),其主要功能是對(duì)系統(tǒng)的控制量進(jìn)行校正,進(jìn)而為系統(tǒng)提供幅值與相位的補(bǔ)償。其主要結(jié)構(gòu)有3部分,包括重復(fù)控制器增益kr,相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)zk,重復(fù)控制補(bǔ)償器S(z),即C(z)=krzkS(z)(其中,kr用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定性與響應(yīng)速度之間的關(guān)系,zk用于補(bǔ)償系統(tǒng)在低頻段的滯后現(xiàn)象)。

S(z)環(huán)節(jié)的作用是將不需要的高頻信號(hào)截?cái)?其設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)重復(fù)控制系統(tǒng)的性能。根據(jù)被控對(duì)象的特性,結(jié)合控制器的特點(diǎn),S(z)在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮兩點(diǎn):一是對(duì)被控對(duì)象的中低頻增益進(jìn)行調(diào)節(jié)并對(duì)高頻進(jìn)行有效的衰減;二是提升整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

本文中S(z)由二階濾波器S1(z)與陷波器S2(z)組成,其中二階濾波器S1(z)的參數(shù)設(shè)計(jì)為

(6)

二階濾波器S1(z)的參數(shù)設(shè)計(jì)既要保證中低頻段具有一定的增益,又可以有效減少高頻段的諧波干擾,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

針對(duì)陷波器的設(shè)計(jì),可采用零相移陷波器對(duì)S2(z)進(jìn)行設(shè)計(jì),其一般表達(dá)式為

D(z)=

(7)

本文中,取m=2,a2=1,a1=1,a0=2,則S2(z)的表達(dá)式為

(8)

取kr為0.95,k為2,則補(bǔ)償環(huán)節(jié)為

C(z)=0.95z2S1(z)S2(z)

(9)

根據(jù)圖5,重復(fù)控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(10)

同時(shí),在傳統(tǒng)PI控制時(shí)

(11)

在PI控制與重復(fù)控制相結(jié)合的情況下

(12)

從式(11)和式(12)可以看出,引入重復(fù)控制后,e的增益明顯下降,使得系統(tǒng)對(duì)于電流的跟蹤能力得到顯著提升。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上文分析的車(chē)載充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及PWM整流控制策略,將PWM整流技術(shù)應(yīng)用于車(chē)載充電機(jī)中,以達(dá)到諧波治理的目的。

3.1 車(chē)載充電機(jī)諧波分析

在MATLAB/Simulink仿真軟件中搭建如圖2所示的車(chē)載充電機(jī)等效模型,對(duì)車(chē)載充電機(jī)的諧波進(jìn)行分析。系統(tǒng)相關(guān)的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

當(dāng)車(chē)載充電機(jī)工作時(shí),在沒(méi)有濾波措施的情況下,其電網(wǎng)側(cè)電流波形及其頻譜如圖6所示。由圖6可知,電流波形畸變嚴(yán)重,電流總畸變率達(dá)到54.80%,且諧波階次集中于奇數(shù)項(xiàng),此時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

圖6 車(chē)載充電機(jī)電流波形及頻譜

3.2 復(fù)合控制下車(chē)載充電機(jī)諧波分析

在車(chē)載充電機(jī)的基礎(chǔ)上,將PI控制與重復(fù)控制相結(jié)合,應(yīng)用于諧波治理中。根據(jù)圖5設(shè)計(jì)系統(tǒng)的諧波控制策略,其仿真參數(shù)如表2所示。

表2 PWM整流充電機(jī)仿真參數(shù)

PI控制下單臺(tái)車(chē)載充電機(jī)電流波形及其頻譜如圖7所示。由圖7可以看出,車(chē)載充電機(jī)交流側(cè)電流波形得到明顯改善,電流總畸變率為3.63%。

在PI控制的基礎(chǔ)上加入重復(fù)控制進(jìn)行車(chē)載充電機(jī)諧波抑制,電路參數(shù)以及PI參數(shù)保持不變。同時(shí)為了有較好的波形質(zhì)量,濾波器Q(z)取常數(shù)為0.95。

圖7 PI控制下單臺(tái)車(chē)載充電機(jī)電流波形及其頻譜

在PI控制與重復(fù)控制的共同作用下,車(chē)載充電機(jī)工作時(shí)交流側(cè)電流波形及其頻譜如圖8所示。

圖8 PI控制與重復(fù)控制共同作用下單臺(tái)車(chē)載充電機(jī)電流波形及其頻譜

由圖8可以看出,PWM整流充電機(jī)交流側(cè)電流波形得到了進(jìn)一步改善,電流總畸變率也明顯降低,為2.21%。

3.3 多臺(tái)車(chē)載充電機(jī)諧波分析

當(dāng)多臺(tái)車(chē)載充電機(jī)同時(shí)工作時(shí),由于各臺(tái)車(chē)載充電機(jī)接入的時(shí)間有所不同,就會(huì)造成在同一時(shí)間點(diǎn)的輸出功率也會(huì)不同。這些影響因素會(huì)使各階次諧波電流的幅值與相位角發(fā)生變化,最終出現(xiàn)諧波相互抵消的現(xiàn)象,使得交流側(cè)電流諧波含量減少。

當(dāng)5臺(tái)車(chē)載充電機(jī)同時(shí)工作時(shí),其電網(wǎng)側(cè)電流波形及其頻譜如圖9所示。由圖9可知,發(fā)生諧波相削現(xiàn)象,電流波形畸變有所改善,電流總畸變率下降了26.20%,但諧波階次依舊集中于奇數(shù)項(xiàng)。

當(dāng)5臺(tái)充電機(jī)都采用PWM整流技術(shù),且僅有PI控制時(shí),其電網(wǎng)側(cè)電流波形及其頻譜如圖10所示。由圖10可知,其電流總畸變率為3.19%。

當(dāng)采用PI控制與重復(fù)控制相結(jié)合的復(fù)合控制時(shí),其電網(wǎng)側(cè)電流波形及其頻譜如圖11所示。由圖11可知,其電流總畸變率為1.97%。

圖10 PI控制下5臺(tái)車(chē)載充電機(jī)電流波形及其頻譜

圖11 復(fù)合控制下5臺(tái)車(chē)載充電機(jī)電流波形及其頻譜

4 結(jié) 論

本文分析了車(chē)載充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及PWM整流器工作原理,將PWM整流器應(yīng)用于車(chē)載充電機(jī),針對(duì)PWM整流控制策略,提出了一種基于PI控制加重復(fù)的PWM整流復(fù)合控制策略,通過(guò)理論分析與仿真驗(yàn)證,得到如下結(jié)論:

(1) PWM整流充電機(jī)本身具有較強(qiáng)的諧波抑制能力,當(dāng)多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)工作時(shí),會(huì)出現(xiàn)諧波相互抵消的現(xiàn)象,使得交流側(cè)電流諧波含量減少;

(2) 所提出的PI控制+重復(fù)PWM整流控制策略能夠進(jìn)一步改善車(chē)載充電機(jī)交流側(cè)電流波形以及總畸變率。