利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩.pdf
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高电压技术第卷第期年月日，利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩张允，陆佳政，李波（湖南省电力试验研究院，长沙）摘要：
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。
国家电网公司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对电网的影响。
为此，针对目前交流充电桩无法抑制车载式充电器电流谐波的不足，提出将有源电力滤波技术应用到交流充电桩的设计中，构成功能更加完善的新型交流充电桩。
在所搭建的实验样机上，针对两种负载特性的车载式充电器，采用传统控制与重复控制相结合的复合控制方法，新型交流充电桩有效地抑制了车载式充电器谐波。
实验证明，采用有源电力滤波技术的交流充电桩在提高了电网侧电能质量的同时，还可以减少谐波对电能计量与计费系统的影响，保证充电通信系统的稳定性。
关键词：
并联型有源电力滤波器；控制；重复控制；复合控制器；电动汽车；交流充电桩中图分类号：
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文章编号：
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；引言目前，环境污染和能源紧缺问题日益严峻，传统燃油汽车因能源消耗大，对环境污染严重，越来越引起人们的关注和担忧，因此世界各国都在积极实施节能减排战略。
而电动汽车作为其中的一项重要组成部分，在近些年得到了飞速的发展。
电动汽车是将全部或部分的电力作为驱动系统的动力来源，相对传统燃油汽车而言，电动汽车在环保、清洁、节能等方面具有明显优势。
电动汽车将成为当代汽车发展的主要方向，是世纪最有潜力的交通工具。
电动汽车的能源供给装置对于电动汽车产业而言是不可缺少的重要设备，主要包括直流充电机和交流充电桩两种形式。
直流充电机功率较大（左右），充电时间短，由于体积较大，一般安装在专门的电动汽车充电站内。
而交流充电桩直接提供交流市电，利用车载式充电器为动力电池充电，一般功率较小（左右），充电时间较长，因体积小、占地少，可广泛地布置在城市的各个角落。
电动汽车直流充电机（包括车载式充电器）实际上是采用电力电子技术的开关电源，在实际使用过程中不可避免地产生谐波和无功电流影响电网的电能质量。
从目前充电站建设情况看，对于大功率的直流充电机所产生的谐波和无功干扰，充电站内配置有专门的谐波治理与无功补偿装置。
而对于普通小功率的车载式充电器，出于质量、体积和成本的考虑，一般不会针对自身的谐波问题进行治理。
而对于电网而言，随着交流充电桩的广泛使用，车载充电器将是一个个谐波源影响电网的电能质量和稳定性；而且由于谐波的存在必将影响充电桩计量计费系统的准确性和通信系统的稳定性。
从交流充电桩现行标准和实际的技术水平看，现有的充电桩具备完善的计量计费措施、完善的通信能力、强大的监控能力和简单的供电功能，都没有考虑对车载充电器进行有效的谐波治理。
因此，本文提出将有源电力滤波（，）技术应用于交流充电桩，对基于单相并联型有源滤波技术的新型单相交流充电桩进行了研制。
功能单相交流充电桩电路拓扑及单相模型构建功能单相交流充电桩拓扑结构分析具备功能的单相交流充电桩电路结构是在现有交流充电桩的内部输出电源线上并联单相电路。
计量系统、通信系统、控制系统的电源取自电路支路的前级，可避免车载式充电器谐波的干扰。
单相电路工作正常与否，并不影响充电桩的正常供电功能。
其一次电路拓扑和二次控制功能如图所示。
主电路由开关管组成的全桥电路、交流侧电感和直流侧电容构成，与高频脉宽调制（，）变换器一致。
其中的、构成直流母线缓冲电路，用于抑制开关管的过电压。
为缓冲电阻；为缓冲二极管；为缓冲电容；为电网输入控制开关；为充电桩输出控制开关；为投切控制开关。
图中代表电网电压；为电网电流；为充电桩的输出电流，即车载式充电器的输入电流；为的输出电流，即补偿给车载式充电器的谐波和无功电流；为充电桩的输出电压。
电压霍尔元件和电流霍尔元件，对系统的电压、电流进行实时检测；控制电路实时采集电压和电流信号，供计量计费与通信系统使用，并按照控制算法进行运算并输出驱动脉冲。
保护和驱动隔离电路能够光电隔离一次电路和二次电路。
的数学模型按照图中所定义的电压和电流方向，根据基尔霍夫电压定理，对于交流侧电路，可以得到。
（）式中，为交流侧电压；代表电感内阻与桥臂死区压降的等效阻抗；而为受控交流侧电压；为直流侧电压；为开关函数。
为了便于数字控制系统的设计，在开关周期内，对式（）做周期平均处理，由于系统的开关频率与工频相比足够高，的平均值可用其瞬时值来代替，的周期平均值和其瞬时值一致，并忽略的影响，得到的周期平均模型为（）（）（）（）（）（）（）（）。
（）用谐波电流指令取代式（）中输出电流（），便可以计算得到时刻变换器的输出电压指令值（），以实现的数字化控制。
在本文单相系统中采用单极倍频调制方式，在同样的开关频率条件下，输出电压脉冲为倍的开关频率，图所示为该调制方式下的输出波形，为三角载波信号，为标准调制正弦信号。
开关函数的表达式为，（、）开关管导通；，（、）（、）开关管导通；，（、）开关管导通烅烄烆。
（）图功能单相交流充电桩电路结构图单极倍频正弦脉宽调制的输出波形的控制系统本文采用滞后一拍的控制策略和电压外环电流内环的控制方式，电流内环的误差经过控制器后生成控制信号（），因一拍延迟而使得输出信号张允，陆佳政，李波利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩（），它与电网电压共同作用于交流电感两端，使得电感电流可控，因此，受控对象离散域的传递函数表达式为（）（）（）。
（）式（）中的（）表示对连续系统函数进行离散变换，为系统频域分析中的复频率。
由于采样保持、滞后一拍等因素，采用传统的控制算法将影响系统的稳定性。
图为有、无滞后一拍的条件下，变换器受控制对象经过控制器后的闭环传递函数图分析。
图中的（）是滞后一拍系统的幅相频特性，（）是无滞后一拍系统幅相频特性；纵坐标表示幅频特性，表示相频特性，横坐标表示电流内环误差信号频率。
若采用增大控制器的比例参数来拓宽系统的带宽，将会造成（）系统趋于临界稳定，甚至破坏系统的稳定性；而从相频特性分析，在中频段，系统的相移严重，这将会影响到系统的跟踪高次谐波的性能。
交流充电桩的负载特性主要是车载充电器内部的不控整流电路，属于非线性负载，包括少量的无功电流和大量的谐波电流。
因此，的电流指令往往是由工频及其倍频信号叠加而成的信号。
从图中可以看到，在系统稳定的前提下，随着频率的增高，系统的幅频特性逐渐有所衰减，将影响谐波补偿的大小；而系统的相频特性衰减较大，将影响谐波补偿的相位准确性。
因此，传统控制器难以满足的应用要求，必须采用更加有效的方法加以弥补。
基于重复控制理论的复合控制系统设计重复控制原理重复控制的基本思想是：
在系统稳定的前提条件下，为了实现良好的跟踪能力（即稳态误差趋于零），那么必须满足在其开环传递函数中包含有外部信号的数学模型，并构成闭环控制系统。
由于的电流指令是由基频及其倍频的诸多交流正弦信号叠加而成。
因此，按照内模原理，在控制模型中构建出描述这些谐波信号的数学模型，并以工频周期作为这些信号的重复周期，得到能应用于数字控制系统的重复信号发生器的表达式为（）。
（）式中，为每个基频周期的采样次数，等于调制波周期除以载波周期。
由于延迟一拍的影响以及补偿谐波电流图有、无滞后一拍的电流内环控制波特图的准确性，前文分析传统控制器将产生一定的谐波补偿跟踪误差，而且积分控制系数对于减小跟踪误差的效果不是很明显，而且对系统的稳定性产生不利的影响。
因此，在原有控制器的基础上，只采用比例控制器，通过并联重复控制器构成复合控制器来提高谐波电流跟踪能力。
图所示为基于比例和重复控制器的复合控制电流环闭环控制框图；为比例控制器的表达式；虚线框内的就是重复控制器，包含了重复信号发生器、重复控制增益环节以及补偿环节（），（）是用于消弱积分的效果，增加系统的稳定裕度，一般取接近的一个常数；表示谐波电流指令；为比例控制输出的谐波电流；为重复控制输出的谐波电流。
联立后得到电流闭环的传递函数为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）。
（）根据式（）整理出系统的特征方程为（）（）（）（）（）（）（）。
（）从式（）中可以看到系统的特征方程是由两部分多项式构成的；其中，（）表示的是原有比例控制系统的特征方程，代表着原有系统的稳定性判据；（）则是代表加入重复控制器部分的稳定性判据。
要使得整个系统稳定，那么（）和（）的特征根都必须在单位圆内。
在加入重复控制器之间，应用比例控制器的系统是稳定的，因此复合控制系统稳定关键在于的特征根是否在单位圆内，判据表达式为高电压技术，（）图基于重复控制器的电流环复合控制框图（）（）（）（）。
（）式中，；将式（）表示成为矢量形式，可以得到复合控制稳定判据的几何矢量图。
在图中，系统的稳定要求矢量的模小于。
当（）时，单位圆的圆心经固定在（，）点，单位圆的左侧圆弧将与虚轴在原点相切，单位圆包含的区域仅限于、象限的部分区域；在中低频段，由于补偿器的作用，可以认为矢量近似于零增益、零相移；但在高频段，由于建模的误差，补偿的效果无法保证，若在某个频率处，矢量的相角接近，即使其幅值再小，矢量的末端已停留在单位圆上，系统临界稳定。
因此，设置（）为小于的常数，单位圆的整体左移，使得矢量即使在中高频段的相角超过，矢量的末端也可以调整在单位圆内，保证系统的稳定。
所以，（）的加入使系统的稳定区域涵盖了复平面的个象限，即使在中高频段因建模误差造成严重的相位误差，也能够保证系统的稳定性，系统的鲁棒性得到加强。
复合控制器的设计根据式（），将复合控制下的电流环传递函数进行整理后可以得到（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）。
（）从整理后的电流环传递函数中可以看出有两个传函，分别是：
（）（）（）；（）（）（）（）（）（）（）（）（）。
（）图复合控制稳定条件的几何矢量判断式中，（）是比例控制器作用于系统中的电流闭环传递函数；而（）是重复控制器作用时的电流闭环传递函数。
于是，联立式（）（）可得在复合控制器作用下，系统的输出电流与电流指令之间的关系式为（）（）（）。
（）比例控制器能够快速地响应系统的误差，进而产生调节作用；而重复控制器则是在延迟一个基波周期，待系统趋于稳定的情况下，开始逐渐地产生调节作用，最终消除系统的稳态误差。
在中频段，系统（）能够实现零增益、零相移的输出特性，对稳态误差进行无差地跟踪，并叠加在原有输出的基础上，使系统最终实现无静差跟踪。
因此，从式（）中可以看到，重复控制器的等效控制对象的表达式为（）（）（）。
（）为实现（）在中频段的零增益、零相移特性，对校正环节（）中的超前、滞后补偿环节（）进行设计。
该环节的典型传递函数形式为（）（）。
（）零点设计为等效受控对象的极点，以降低系统的阶数；补偿后的系统在低、中频段要满足零增益的特性，所以当时，补偿后的系统满足下面的关系式（）（）（）（）（）。
（）的取值影响校正后系统的带宽，的取值用于修正系统的增益特性，本文设计的系统能够在之间具有零增益特性。
因对输出波形质量要求较高，将（）取为常数。
而且对系统的相频特性进行补偿，用张允，陆佳政，李波利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩超前拍来补偿数字控制的一拍延迟以及控制对象的相位滞后，即选择（）为。
因此，根据式（）可以推导出重复控制器增益的取值范围为。
（）图所示为采用了构建的复合控制后，电流内环的传递函数波特图，对比单纯的控制器，系统在以内的基频及其倍频处的相移和增益衰减要更小，能够满足跟踪车载充电器谐波的应用需求。
实验验证按照图搭建单相功能的交流充电桩电路进行实验验证。
表为单相并联型的电路结构参数，不控整流接和不控整流接模拟车载式充电机前级整流环节，如图所示，进行谐波补偿试验。
表系统电路参数电网电压有效值电网频率输出电感直流母线电容直流母线电压设定开关频率图谐波源直流侧电感为、电阻为，直流侧电容为。
图是采用对不控整流接负载的补偿电流波形。
图是负载电流经快速傅里叶变换（，）频谱，图是电网电流的频谱；可以看出电网电流的总谐波畸变率（，）从降至，图和图中的横坐标表示谐波次数，纵坐标表示谐波电流幅值占基波电流的百分比。
图是对不控整流接负载的补偿电流波形，图是负载电流频谱，图是电网电流的频谱；从图中可以看出电网电流的从降至。
讨论前文从理论上推导了单相有源滤波复合控制器的构建和稳定判据，从样机实验上验证了谐波抑制的可行性，但谐波抑制的效果是取决于谐波电流指令的准确性和快速性。
谐波电流指令来自于对车载充电器输入电流的谐波成分的提取，应用于单相系统的主要的方法基波分量法、分析法、自适应检测法和小波理论检测法等。
因自适应检测法计算量较小，便于数字系统实现，其动态检图加入复合控制的系统电流环波特图图单相、不控整流负载图复合控制器对型负载的补偿波形测性能能够满足充电实际要求，所以本文采用自适应谐波检测方法，统一补偿充电器的除基波以外的所有谐波成分。
如果采用分析法可以准确提取出各次谐波成分，可以做到对指定次谐波的准确补偿。
本文实验中谐波电流成分与电压外环控制器的输出一起作为电流内环的给定，在实验中的现象是主电路直流母线侧的直流电压稳定，交流侧输高电压技术，（）图负载电流的分析图电网电流分析图复合控制器对型负载的补偿波形出补偿车载充电器的谐波电流。
如果电流内环的给定中包含有车载充电器的无功分量，那么也可补偿充电器的无功电流。
这对于电网来说，整套充电装置是个阻性设备。
结论）本文对具备功能的新型交流充电桩的拓扑结构进行了分析，对其中的单相建立了状态周期平均模型，实现了的数字化控制。
）对控制系统中的电流内环的控制性能进行分图负载电流的分析图电网电流分析析，设计了比例控制与重复控制相结合的复合控制系统，并推导出系统稳定判据表达式和几何矢量判断方法。
）通过样机实验表明，采用功能的交流充电桩补偿车载充电器谐波的方法可行。
通过频域中系统波特图的对比分析，复合控制系统增加了系统响应带宽，提高系统的鲁棒性，因此复合控制方法可以较好地补偿车载充电器谐波，使电网侧电流的谐波含量降至以内，满足国家标准要求。
）车载充电器的谐波得以有效的抑制，这将有利于提高整套充电系统的效率，减少系统损耗，保证电能计量与计费的准确性，保障充电桩通信系统的稳定性，使电动汽车充电装置更加满足坚强智能电网的要求，更好地促进电动汽车产业的发展。
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