電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池雙向充電器無(wú)功治理功能研究

蔡蔚 張超

雙向變流器自身可以做到功率因數(shù)為1，還可根據(jù)需求輸出必要的有功和無(wú)功到交流側(cè)，而電網(wǎng)中有大量波動(dòng)的無(wú)功負(fù)載和非線性負(fù)載，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的供電質(zhì)量下降。文章采用三相橋式PWM雙向變流器作為主電路，進(jìn)行三相橋式雙向變流器的數(shù)學(xué)模型分析，討論了具備無(wú)功治理功能的動(dòng)力電池充電雙向變流器的工作方式，并通過(guò)仿真分析了雙向變流器在能量吸收模式下進(jìn)行無(wú)功治理、僅能量回饋模式以及能量回饋同時(shí)進(jìn)行無(wú)功治理模式的運(yùn)行結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了能量吸收及能量回饋模式下的無(wú)功治理，結(jié)果證明該控制方法可行有效。

雙向充電器;能量回饋;無(wú)功治理

U469.72A461664

0 引言

三相橋式變流器應(yīng)用很廣泛[1-4]，而我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電站研究工作已經(jīng)開(kāi)展多年，面向不同用戶的充電站服務(wù)網(wǎng)絡(luò)還在不斷推進(jìn)中，隨著電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模推廣，動(dòng)力電池充電器將廣泛地布置在城市各個(gè)角落，形成大的充電站，也會(huì)在居民區(qū)形成小的應(yīng)用點(diǎn)。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行常規(guī)充電時(shí)，當(dāng)接入充電樁的汽車(chē)數(shù)量達(dá)到成百上千時(shí)，其涉及的充電變流器和動(dòng)力電池僅僅是等待充電。利用充電變流器充當(dāng)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯恐饕窃陔娋W(wǎng)規(guī)劃和布置策略方面，聯(lián)結(jié)動(dòng)力電池光伏發(fā)電儲(chǔ)能電池等負(fù)載的雙向變流器進(jìn)行無(wú)功治理功能的研究尚屬罕見(jiàn)。本文探索了充電變流器進(jìn)行雙向能量交換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償功能的應(yīng)用，提高供電網(wǎng)絡(luò)的可用性，并大大地降低了系統(tǒng)建設(shè)的成本，提高使用效益。

1 三相橋式雙向變流器模型分析

三相橋式雙向變流器通過(guò)電網(wǎng)側(cè)吸收有功功率用以保持直流電壓，并控制IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以輸出其所需的無(wú)功電流。為了能夠更直觀地充電三相系統(tǒng)有功和無(wú)功分量，三相靜止坐標(biāo)系被轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，變換矩陣Tabc/dq如[4]式（1）所示：

Tabc/dq=23sin（ωt）sin（ωt-2π/3）sin（ωt+2π/3）cos（ωt）cos（ωt-2π/3）cos（ωt+2π/3）（1）

由Tabc/dq變換，在忽略負(fù)載電阻R影響的情況下，在d-q三相橋式雙向變流器的數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)可表示為如式（2）、式（3）所示。其中，id和iq表示三相系統(tǒng)電流的有功和無(wú)功分量。

ddtidiq=-rLω-ω-rLidiq-1Luduq+1Ledeq（2）

Cdc·dudcdt=32sdsq·idiqT（3）

式中：sd、sq——在d-q軸坐標(biāo)的開(kāi)關(guān)系數(shù)分量;

r——電抗的內(nèi)部電阻;

L——電抗器的電感值;

ω——電網(wǎng)基波角頻率;

ed——電網(wǎng)電壓的d軸分量;

eq——電網(wǎng)電壓的q軸分量，取d軸向量為電網(wǎng)電壓時(shí)，eq的值為零。

2 具備無(wú)功治理功能的動(dòng)力電池充電雙向變流器

參考文獻(xiàn)[5]，著眼于現(xiàn)在存在的問(wèn)題提出一種電動(dòng)汽車(chē)充電能量雙向管理并具有無(wú)功治理能力的變流器系統(tǒng)及控制方案。

本文基于此文獻(xiàn)提出針對(duì)目前動(dòng)力電池單向流動(dòng)的功率現(xiàn)狀，減小大量集中充電時(shí)對(duì)于電網(wǎng)的沖擊，利用全橋電路功率可以雙向流動(dòng)的特性，充分發(fā)揮動(dòng)力電池儲(chǔ)能能力，既能實(shí)現(xiàn)能量的回饋，同時(shí)也能對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功進(jìn)行治理，其控制方法如下：

（1）判斷充電雙向變流器的直流側(cè)是否接入有負(fù)載。

（2）如果直流側(cè)接入有負(fù)載，充電雙向變流器通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓參考值的大小來(lái)調(diào)節(jié)雙向變流器的有功功率流動(dòng)方向及大?。?/p>

①直流電壓基準(zhǔn)值與反饋值比較后，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得出有功電流參考值idr。

②通過(guò)雙向變流器交流側(cè)電流通過(guò)abc-dq坐標(biāo)軸變換，得到電流有功分量反饋值id。

③有功電流環(huán)參考值idr與反饋的有功分量id進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)解器后得到PWM調(diào)制參考信號(hào)，然后將PWM調(diào)制參考信號(hào)作為控制信號(hào)對(duì)吸收電網(wǎng)的有功功率進(jìn)行雙閉環(huán)控制。

（3）無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂品椒椋和ㄟ^(guò)檢測(cè)母線上其他負(fù)載電流，abc/d-q坐標(biāo)軸變換求得需要治理的實(shí)時(shí)無(wú)功電流iqr，再將iqr與交流側(cè)電流反饋值無(wú)功分量iq比較，又經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后得出PWM調(diào)制所需的參考信號(hào)uq。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 充電雙向變流器的電流環(huán)控制

有功電流控制回路如圖1所示，KPWM是轉(zhuǎn)換器的增益，idr是有功電流的參考。有功電流環(huán)需要有較快的響應(yīng)速度，系統(tǒng)截止頻率被取為1/5開(kāi)關(guān)頻率，PI控制器的增益設(shè)定為1在交叉頻率，如此能夠得到有功電流環(huán)控制參數(shù)。

為了提高直流電壓控制速度，無(wú)功電流環(huán)系統(tǒng)截止頻率選擇為與有功電流內(nèi)環(huán)控制器的截止頻率一致，但無(wú)功電流環(huán)PI參數(shù)中的比例參數(shù)Kpq為有功電流環(huán)比例參數(shù)Kpd的1/2，則無(wú)功電流環(huán)PI控制參數(shù)可以計(jì)算出來(lái)。

3.2 充電雙向變流器直流電壓控制

直流電壓控制回路[7]可以用如圖2所示。其中，Hi（s）是在當(dāng)前內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)，不考慮電壓反饋延遲，可以得出控制流程圖。

本文把控制電壓環(huán)PI控制器截止頻率選為有功電流控制器的截止頻率，這是無(wú)功電流環(huán)路截止頻率的1/5，即開(kāi)關(guān)頻率的1/25。

3.3 充電雙向變流器有功功率控制

充電雙向變流器根據(jù)電網(wǎng)需要進(jìn)行雙向能量傳遞時(shí)，需要控制輸出電流有功分量的大小和正負(fù)，并且由于有功電流的參考值是通過(guò)直流電壓誤差經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生的，所以通過(guò)調(diào)節(jié)給定的直流電壓參考值大小，可以控制有功電流的大小和正負(fù)，從而控制有功功率流動(dòng)的方向。所以，當(dāng)直流電壓控制參考值大于動(dòng)力電池電壓時(shí)，有功功率從電網(wǎng)側(cè)流向動(dòng)力電池，動(dòng)力電池處于充電狀態(tài);當(dāng)設(shè)置直流電壓控制參考值小于動(dòng)力電池電壓時(shí)，有功功率從動(dòng)力電池流向電網(wǎng)，電池處于放電狀態(tài)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

本文建立了充電雙向變流器的仿真模型。仿真環(huán)境設(shè)置為：交流輸出電壓=220 V，直流電壓參考值=400 V，直流電容=0.470 mF，電容初始電壓=380 V，濾波電感=0.2 mH，電感電阻=0.01 mΩ，開(kāi)關(guān)頻率=19.05 kHz，電網(wǎng)電壓=220 V，動(dòng)力電池采用串聯(lián)電阻R0=0.72 Ω，RC等效電阻R1=0.274 Ω，RC等效電容C1=194 mF，R1與C1并聯(lián)后再與R0及等效直流電壓源串聯(lián)，等效直流電壓源電壓=375 V，另外電網(wǎng)中接入三相晶閘管整流器作為無(wú)功和諧波干擾輸入源。

4.1 工況1

第一種工況：設(shè)置0～0.1 s時(shí)，充電雙向變流器啟動(dòng)，此時(shí)充電變流器給動(dòng)力電池充電，0.1～0.2 s時(shí)雙向變流器啟動(dòng)無(wú)功治理功能。如圖3所示。

從圖4可以看到，雙變流器交流側(cè)電流波形較好，0.1 s時(shí)啟動(dòng)無(wú)功治理功能后電流瞬間有一個(gè)突變，迅速調(diào)整相位后電流畸變較小。

從圖5可以看到，0 s時(shí)雖然雙變流器直流電壓基準(zhǔn)值設(shè)定為400，但由于啟動(dòng)電阻和直流側(cè)的電池作用，直流電壓緩慢上升，到0.1 s時(shí)由于開(kāi)始無(wú)功治理，直流電壓諧波開(kāi)始有所增加。

從圖6可以看到，0.1 s時(shí)系統(tǒng)無(wú)功電流瞬間突變，此時(shí)電網(wǎng)電流包含有無(wú)功諧波成分，無(wú)功電流大小在0附近波動(dòng)。

從圖6還可以看到，0.1 s時(shí)啟動(dòng)無(wú)功治理功能后系統(tǒng)無(wú)功電流下降到很小的數(shù)值。

從圖7可以看到，0 s時(shí)電網(wǎng)電流由于有整流器負(fù)載是有諧波畸變的，0.1 s時(shí)啟動(dòng)無(wú)功治理功能后，電網(wǎng)電流減小，但是諧波電流沒(méi)有減小，從而使電流畸變率升高了。

4.2 工況2

第二種工況：0 s啟動(dòng)雙向變流器，先是吸收電網(wǎng)有功，直流電壓參考值設(shè)置為400 V，給動(dòng)力電池充電;0.1 s轉(zhuǎn)為由動(dòng)力電池給電網(wǎng)回饋電能，直流電壓參考值設(shè)置為360 V。

在圖8中，0.1 s時(shí)啟動(dòng)有功回饋后，雙變流器輸出電流有一個(gè)調(diào)整過(guò)程。

在圖9和圖10中，0 s時(shí)啟動(dòng)充電功能后，直流側(cè)電壓由380 V逐漸上升到400 V，有功電流逐漸上升;0.1 s時(shí)啟動(dòng)能量回饋功能后，直流電壓逐漸由400 V下降到380 V，有功電流也由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。

從圖11可以看到，啟動(dòng)無(wú)功治理功能后，電網(wǎng)電流減小，但是諧波電流沒(méi)有減小，從而使電流畸變率升高，因此在治理無(wú)功的同時(shí)需要治理諧波。

4.3 工況3

第三種工況：0 s啟動(dòng)雙向變流器，先是吸收電網(wǎng)有功，直流電壓參考值設(shè)置為400 V，給動(dòng)力電池充電;0.1 s轉(zhuǎn)為由動(dòng)力電池給電網(wǎng)回饋電能，直流電壓參考值設(shè)置為360 V，0.2 s時(shí)雙向變流器啟動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償功能。圖12展示了在0.1 s開(kāi)始能量回饋、0.2 s進(jìn)行電網(wǎng)無(wú)功治理時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要是雙向變流器的交流側(cè)電流ia、直流側(cè)電壓Vdc、電網(wǎng)公共接入點(diǎn)電流ISA、電網(wǎng)無(wú)功基波分量Isq1、雙向變流器有功電流分量id。

從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，僅充電時(shí)，雙向變流器從電網(wǎng)吸取電能，有功電流為正，由于有整流器負(fù)載所以電網(wǎng)公共點(diǎn)電流是畸變的，在雙向變流器在吸收電網(wǎng)能量時(shí)，電網(wǎng)電流較大;當(dāng)0.1 s轉(zhuǎn)為能量回饋時(shí)，由于動(dòng)力電池提供了一部分其他負(fù)載所需要的能量，電網(wǎng)電流有功電流減小，諧波畸變?cè)黾?當(dāng)0.2 s雙向變流器工作在能量回饋+無(wú)功治理模式下時(shí)，ISA進(jìn)一步減小，此時(shí)諧波含量高，這是由于諧波沒(méi)有被濾除而有功和無(wú)功電流都減小后造成的。

5 結(jié)語(yǔ)

從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用改變直流電壓基準(zhǔn)值使其低于電池電壓的方式可以改變雙向變流器能量流動(dòng)的方向，并且雙向變流器無(wú)論是進(jìn)行充電或者是能量回饋都可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，該控制方法是可行的。但是從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看到，僅進(jìn)行能量回饋或者在進(jìn)行能量回饋同時(shí)進(jìn)行無(wú)功治理，會(huì)使電網(wǎng)公共點(diǎn)基波電流減小，從而使電流的畸變率增加，所以在進(jìn)行能量回饋或者進(jìn)行能量回饋同時(shí)進(jìn)行無(wú)功治理時(shí)應(yīng)考慮對(duì)諧波進(jìn)行一定的抑制，避免諧波含量超標(biāo)。

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