充電樁網側諧波補償分析

巫付專，朱菁，陳鵬，紀志剛，翟睿

(中原工學院 電子信息學院，鄭州 451191)

0 引 言

與傳統燃料汽車相比，新能源電動汽車具有環保、清潔和節能等特點，已成為當代汽車發展的主要方向[1]。能源供給裝置是電動汽車推廣的關鍵，而這些設備含有以整流裝置為主的非線性設備，對供電網造成諧波污染[2]。因此在充電樁建設過程中，應考慮加入濾除諧波的相應裝置，這對電動汽車發展有重要意義。文獻[3]對充電樁以及有源濾波器(APF)進行了諧波特性分析，設計了比例控制與重復控制相結合的復合控制系統，取得較好的效果，但增加了額外的濾波裝置，控制策略運算復雜。文獻[4]中通過增大充電樁濾波電感來降低諧波含量，但增加了充電樁的體積、損耗及成本。文獻[5]對傳統無源濾波器進行改造，主要由基波諧振電路、基波磁通補償電路和無源濾波器相結合，實現電網電流波形正弦化。但在負荷較大時，電流畸變率超過國家標準，為了提高濾波效果，電感取值過大。濾波器結構復雜化，增加了體積與成本。

針對充電樁引起諧波電流電能質量問題，本文將一種基于三次諧波補償的APFC(Active Power Factor Correction)電路應用在充電樁，該電路結構簡單可靠，通過調節注入諧波幅值與相位大小，能夠減小低次與部分高次諧波分量，有效去除諧波污染，進一步提高電路功率因數。最后利用Matlab/Simulink仿真軟件并搭建實驗平臺，對其進行驗證。

1 單相充電樁電路拓撲

1.1單相充電樁電路拓撲

本文設計電動汽車充電樁采用的拓撲結構如圖1所示。充電樁主要由整流電路、濾波電路、逆變電路、以及后級電路中的變壓器、高頻DC-DC功率變換電路、輸出濾波電路組成。前級為平均電流控制模式的APFC電路，實現網側輸入電流的正弦化，提高功率因數[6]，可以得到310 V左右的平穩直流電壓，經全橋逆變電路進入后級電路。后級電路中高頻變壓器實現電壓隔離，全橋整流電路將變壓器副邊高頻脈沖電壓變為直流電壓，最后經過雙向半橋變換電路實現對輸出電壓的快速調節，使輸出電壓可以在290 V左右。前級電路決定了系統穩定性與計費準確性，充電樁中的諧波治理情況也與其有直接關系。

圖1 電動汽車充電機原理

1.2 前級APFC電路的模型

Boost APFC結構如圖2所示，主要由一個全橋整流器，實現AC/DC變換；濾波電容C之前是一個Boost電路，實現升壓的電路變換。從整體回路來看，由一個雙閉環結構組成。在具體工作時，通過PWM生成控制開關管VT的信號，且開關VT1與開關VT2信號相反，其中兩個開關管都選取MOSFET，不僅提高轉換效率，減小電感、電容元件體積[7]，而且使整流后的電流跟隨整流后電壓的波形，提高功率因數，減小了諧波電流。

圖2 APFC的工作原理圖

忽略網側電壓畸變，網側電壓有效值假設為U，網側基波電流有效值設為I1，這時有功功率為[8]：

P=UI1cosγ

(1)

式中γ=α-β是電壓與電流的相位差。

視在功率為：

S=UI

(2)

式中I為含有諧波的總電流有效值。

那么，功率因數為：

(3)

式中，含有諧波的總電流有效值和基波電流有效值之比與THD值呈正比，那么，當基波電流不發生相移，整流后電流波形不發生畸變時，達到功率因數為1[9]。所以對于不可控整流減小諧波畸變率是提高功率因數的關鍵。

2 控制系統與諧波分析

2.1 平均電流控制

針對APFC電路，目前控制方式主要有三種：峰值電流控制、滯環電流控制和平均電流控制[10]。峰值電流控制為防止諧波振蕩，需要在比較器輸入端增加斜率補償函數[11]；滯環電流控制過程中其頻率不固定，對濾波器設計和開關器件選取帶來一定困難；平均電流控制與滯環電流控制相比，其開關頻率固定，便于控制，與峰值電流控制相比，其電流紋波較小。考慮以上原因，平均電流控制法在實際中應用較多。

APFC電路裝置在平均電流控制策略下，iL與is*的誤差跟隨占空比的改變而改變，從而引起低次諧波電流，輸入電流仍有較大失真。

2.2 諧波分析

設交流側輸入電壓為：

uin(t)=Umsinωt

(4)

式中Um為交流側輸入電壓幅值；ω為角頻率。

那么，整流后的電壓為：

ud(t)=Um|sinωt|

(5)

電感電流連續時，占空比D為:

(6)

式中U0為APFC電路中負載電壓。由式(6)繪出輸入電壓不同時，占空比波動曲線如圖3所示，在同一個周期內，輸入電壓越大，占空比變化范圍越大。

圖3 輸入電壓不同的占空比

而在一個開關周期內，電感電流紋波峰峰值為：

(7)

在每個周期內，根據電感電流伏秒平衡原則得：

udDTs=(U0-ud)DRTs

(8)

式中DR為電感電流減少到零時刻的占空比；U0為輸出電壓。

那么：

(9)

在一個開關周期內，由式(7)與式(9)知，電感電流平均值為：

(10)

式(10)表示，此時電感電流平均值已不是正弦波形，發生了畸變。

那么，輸入電流：

(11)

式中Im為交流側輸入電流幅值。

對式(11)標幺后得：

(12)

由式(12)知，輸入電流波形與輸入電壓、輸出電壓有關。根據式(12)繪出輸入輸出比值不同時，輸入電流波形，如圖4所示。

圖4 半個周期內輸入電流波形

由圖4知，輸入電壓與輸出電壓比越小，即D越大，此時電感電流上升階段，輸入電流波形越接近正弦。當電感電流下降階段，輸入電壓與輸出電壓比越小，下降越快，電感電流平均值越接近于0。

輸入電壓、輸出電壓比不同時輸入電流FFT分析如圖5所示。Um/U0越大，輸入電流中以低次諧波為主，諧波含量越大。為了有效降低輸入電流諧波畸變率，后級電路中變壓器變比大小應合理選取。

圖5 諧波補償前輸入電流FFT分析

經三角波比較后得出的占空比D在0～1范圍內變化，控制開關管的導通與關斷。在輸入電壓固定，開關頻率不變時，由式(9)與式(10)知，iL與is*的誤差隨著D的改變而改變。使得電感電流波形與正常正弦波相比存在下凹，發生電流畸變。

對iin進行傅里葉分解得[12]：

(13)

式(13)中，

將式(12)代入式(13)，經計算輸入電流的各次諧波中余弦成分和偶次諧波分量都為0。

其中輸入電流可表示為：

(14)

電流總諧波畸變為：

(15)

式中Inm為第n次諧波電流幅值；I1m為基波電流幅值。

取Um/U0=1，n=3時，算得當輸入電流THD最小時，I3m≈0.17I1m。

3三次諧波補償的APFC電路

根據上述分析，整流橋所造成的諧波污染問題，經過APFC電路后輸入電流仍有低次諧波的存在，以三次諧波為主。為進一步降低輸入電流的諧波含量，優化功率因數。文中采用一種三次諧波補償策略，在網側處加入一個三次諧波信號與整流輸出端電壓信號疊加，共同作為電流內環的輸入指令信號。

通過對補償電流大小合理的控制，可使濾波后iL為正弦波且與電源電壓同相位，獲得最佳諧波補償效果，以最大限度的減小電流畸變。由上述知，為進一步提高功率因數需在指令電流中加入三次諧波幅值為0.17I1mA的電流。

4 仿真驗證

4.1 仿真電路及結果分析

根據圖1搭建MATLAB/Simulink 仿真平臺模型。前級APFC電路中仿真參數分別如下：輸入電壓Uinm=310 V，輸入頻率fin=50 Hz，輸出電壓U0=310 V，輸出功率P0=1 000 W，輸入電感L=3 mH，輸出電容C=2 200 μF，開關頻率fs=12.8 kHz，電流環PI參數：kip=0.02，kii=0.1，電壓環PI參數：kup=150，kui=600，后級電路仿真參數分別如下中：輸入電壓Uin1=310 V，輸入頻率fin1=50 Hz，輸出電壓U=290 V，輸入電感L=3 mH，輸出電容C=500 μF。

圖6為未加APFC時輸入側電流，此時輸入電流呈峰值較高的脈沖信號，因只有當輸入電壓大于輸出電容電壓時，才會有電流。

圖6 未加入APFC時輸入電流

根據圖7與圖8知，在三次諧波補償前，輸入電流波形基本正弦化，但電流波形存在低次諧波。在補償后，iin畸變得到最大限制，仿真模型中，諧波補償電流取0. 2 A，相位取-100。三次諧波補償能夠有效降低電流畸變，使輸入電流更加接近正弦波，根據其頻譜知，加入三次諧波補償后總諧波失真THD由3.28%降到2.02%。其中，3次諧波幅值由304.5 mA降到2.48 mA，5次以上諧波電流幅值可忽略不計，低次諧波得到有效抑制。

圖7 諧波補償前后輸入電流波形

由圖9可以看出，三次諧波補償后，此時輸入電壓與輸入電流波形相似且相位一致，功率因數由0.98提高到0.998，達到了進一步諧波補償目的。

圖8 諧波補償前后輸入電流的FFT分析

圖9 網側輸入電壓、輸入電流波形

4.2 試驗驗證及結果分析

根據上述數據與分析搭建了樣機實驗電路，控制器為TMS320F28335；檢測電路采用電流霍爾，開關器件選用智能模塊FSAM30SH60A，控制器與開關器件之間加入6N137光隔電路。

受到實際實驗臺硬件原因的限制，實驗環境、波形與仿真結果有一定出入，頻域跟蹤效果如圖10所示，三次諧波未補償時輸入電流THD=5.67%，其中三次諧波含量較大。

圖10 三次諧波未補償時輸入電壓/電流波形

在實際試驗中，考慮相位對電流跟蹤效果影響。分別給出相位取00、-50、50，如圖11所示。隨著注入三次諧波幅值與相位的改變，電流大小不變，跟隨效果改變，相應THD值也受到影響。

圖11 相位不同時輸入電壓/電流波形

由分析知，調節信號中三次諧波補償幅值與相位能夠改善輸入電流波形，三次諧波補償后總諧波失真THD由5.67%降到2.62%。實現了有效減小諧波含量，使得功率因數進一步提高。

5 結束語

電動汽車充電樁含有大量非線性裝置，輸入電流會含有大量諧波不僅污染電網，對充電設備的壽命也會造成威脅。傳統的平均電流控制策略會使網側電流含有低次諧波分量。基于充電樁中諧波產生機理，對其產生進行諧波分析，在APFC補償的基礎上，提出了一種三次諧波補償策略，三次諧波補償使得電感電流脈動減少，增大了其平均值。在充電樁中，加入APFC補償并注入三次諧波，通過調節三次諧波相位與幅值大小能夠對充電站所產生的諧波進行治理。通過仿真與實驗平臺，驗證了所述控制方法的正確性。