電動汽車動力電池雙向充電器無功治理功能研究

蔡蔚 張超

雙向變流器自身可以做到功率因數為1，還可根據需求輸出必要的有功和無功到交流側，而電網中有大量波動的無功負載和非線性負載，這會導致電網的供電質量下降。文章采用三相橋式PWM雙向變流器作為主電路，進行三相橋式雙向變流器的數學模型分析，討論了具備無功治理功能的動力電池充電雙向變流器的工作方式，并通過仿真分析了雙向變流器在能量吸收模式下進行無功治理、僅能量回饋模式以及能量回饋同時進行無功治理模式的運行結果，實現了能量吸收及能量回饋模式下的無功治理，結果證明該控制方法可行有效。

雙向充電器;能量回饋;無功治理

U469.72A461664

0 引言

三相橋式變流器應用很廣泛[1-4]，而我國電動汽車充電站研究工作已經開展多年，面向不同用戶的充電站服務網絡還在不斷推進中，隨著電動汽車的大規模推廣，動力電池充電器將廣泛地布置在城市各個角落，形成大的充電站，也會在居民區形成小的應用點。當電動汽車進行常規充電時，當接入充電樁的汽車數量達到成百上千時，其涉及的充電變流器和動力電池僅僅是等待充電。利用充電變流器充當配電網動態無功補償的研究主要是在電網規劃和布置策略方面，聯結動力電池光伏發電儲能電池等負載的雙向變流器進行無功治理功能的研究尚屬罕見。本文探索了充電變流器進行雙向能量交換的同時實現對電網無功補償功能的應用，提高供電網絡的可用性，并大大地降低了系統建設的成本，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電網側吸收有功功率用以保持直流電壓，并控制IGBT的開關狀態，可以輸出其所需的無功電流。為了能夠更直觀地充電三相系統有功和無功分量，三相靜止坐標系被轉換到d-q旋轉坐標系，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，在忽略負載電阻R影響的情況下，在d-q三相橋式雙向變流器的數學模型的坐標可表示為如式（2）、式（3）所示。其中，id和iq表示三相系統電流的有功和無功分量。

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

Cdc·dudcdt=32sdsq·idiqT（3）

式中：sd、sq——在d-q軸坐標的開關系數分量;

r——電抗的內部電阻;

L——電抗器的電感值;

ω——電網基波角頻率;

ed——電網電壓的d軸分量;

eq——電網電壓的q軸分量，取d軸向量為電網電壓時，eq的值為零。

2 具備無功治理功能的動力電池充電雙向變流器

參考文獻[5]，著眼于現在存在的問題提出一種電動汽車充電能量雙向管理并具有無功治理能力的變流器系統及控制方案。

本文基于此文獻提出針對目前動力電池單向流動的功率現狀，減小大量集中充電時對于電網的沖擊，利用全橋電路功率可以雙向流動的特性，充分發揮動力電池儲能能力，既能實現能量的回饋，同時也能對電網的無功進行治理，其控制方法如下：

（1）判斷充電雙向變流器的直流側是否接入有負載。

（2）如果直流側接入有負載，充電雙向變流器通過調節直流電壓參考值的大小來調節雙向變流器的有功功率流動方向及大小：

①直流電壓基準值與反饋值比較后，經過PI調節器得出有功電流參考值idr。

②通過雙向變流器交流側電流通過abc-dq坐標軸變換，得到電流有功分量反饋值id。

③有功電流環參考值idr與反饋的有功分量id進行比較，經過PI調解器后得到PWM調制參考信號，然后將PWM調制參考信號作為控制信號對吸收電網的有功功率進行雙閉環控制。

（3）無功補償的控制方法為：通過檢測母線上其他負載電流，abc/d-q坐標軸變換求得需要治理的實時無功電流iqr，再將iqr與交流側電流反饋值無功分量iq比較，又經過PI調節器后得出PWM調制所需的參考信號uq。

3 控制系統設計

3.1 充電雙向變流器的電流環控制

有功電流控制回路如圖1所示，KPWM是轉換器的增益，idr是有功電流的參考。有功電流環需要有較快的響應速度，系統截止頻率被取為1/5開關頻率，PI控制器的增益設定為1在交叉頻率，如此能夠得到有功電流環控制參數。

為了提高直流電壓控制速度，無功電流環系統截止頻率選擇為與有功電流內環控制器的截止頻率一致，但無功電流環PI參數中的比例參數Kpq為有功電流環比例參數Kpd的1/2，則無功電流環PI控制參數可以計算出來。

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）是在當前內環傳遞函數，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，這是無功電流環路截止頻率的1/5，即開關頻率的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電網需要進行雙向能量傳遞時，需要控制輸出電流有功分量的大小和正負，并且由于有功電流的參考值是通過直流電壓誤差經PI控制器調節產生的，所以通過調節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，從而控制有功功率流動的方向。所以，當直流電壓控制參考值大于動力電池電壓時，有功功率從電網側流向動力電池，動力電池處于充電狀態;當設置直流電壓控制參考值小于動力電池電壓時，有功功率從動力電池流向電網，電池處于放電狀態。

4 仿真實驗分析

本文建立了充電雙向變流器的仿真模型。仿真環境設置為：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，開關頻率=19.05 kHz，電網電壓=220 V，動力電池采用串聯電阻R0=0.72 Ω，RC等效電阻R1=0.274 Ω，RC等效電容C1=194 mF，R1與C1并聯后再與R0及等效直流電壓源串聯，等效直流電壓源電壓=375 V，另外電網中接入三相晶閘管整流器作為無功和諧波干擾輸入源。

4.1 工況1

第一種工況：設置0～0.1 s時，充電雙向變流器啟動，此時充電變流器給動力電池充電，0.1～0.2 s時雙向變流器啟動無功治理功能。如圖3所示。

從圖4可以看到，雙變流器交流側電流波形較好，0.1 s時啟動無功治理功能后電流瞬間有一個突變，迅速調整相位后電流畸變較小。

從圖5可以看到，0 s時雖然雙變流器直流電壓基準值設定為400，但由于啟動電阻和直流側的電池作用，直流電壓緩慢上升，到0.1 s時由于開始無功治理，直流電壓諧波開始有所增加。

從圖6可以看到，0.1 s時系統無功電流瞬間突變，此時電網電流包含有無功諧波成分，無功電流大小在0附近波動。

從圖6還可以看到，0.1 s時啟動無功治理功能后系統無功電流下降到很小的數值。

從圖7可以看到，0 s時電網電流由于有整流器負載是有諧波畸變的，0.1 s時啟動無功治理功能后，電網電流減小，但是諧波電流沒有減小，從而使電流畸變率升高了。

4.2 工況2

第二種工況：0 s啟動雙向變流器，先是吸收電網有功，直流電壓參考值設置為400 V，給動力電池充電;0.1 s轉為由動力電池給電網回饋電能，直流電壓參考值設置為360 V。

在圖8中，0.1 s時啟動有功回饋后，雙變流器輸出電流有一個調整過程。

在圖9和圖10中，0 s時啟動充電功能后，直流側電壓由380 V逐漸上升到400 V，有功電流逐漸上升;0.1 s時啟動能量回饋功能后，直流電壓逐漸由400 V下降到380 V，有功電流也由正值轉變為負值。

從圖11可以看到，啟動無功治理功能后，電網電流減小，但是諧波電流沒有減小，從而使電流畸變率升高，因此在治理無功的同時需要治理諧波。

4.3 工況3

第三種工況：0 s啟動雙向變流器，先是吸收電網有功，直流電壓參考值設置為400 V，給動力電池充電;0.1 s轉為由動力電池給電網回饋電能，直流電壓參考值設置為360 V，0.2 s時雙向變流器啟動無功補償功能。圖12展示了在0.1 s開始能量回饋、0.2 s進行電網無功治理時的實驗結果，主要是雙向變流器的交流側電流ia、直流側電壓Vdc、電網公共接入點電流ISA、電網無功基波分量Isq1、雙向變流器有功電流分量id。

從仿真實驗結果可以看到，僅充電時，雙向變流器從電網吸取電能，有功電流為正，由于有整流器負載所以電網公共點電流是畸變的，在雙向變流器在吸收電網能量時，電網電流較大;當0.1 s轉為能量回饋時，由于動力電池提供了一部分其他負載所需要的能量，電網電流有功電流減小，諧波畸變增加;當0.2 s雙向變流器工作在能量回饋+無功治理模式下時，ISA進一步減小，此時諧波含量高，這是由于諧波沒有被濾除而有功和無功電流都減小后造成的。

5 結語

從仿真實驗結果可以看出，采用改變直流電壓基準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的方向，并且雙向變流器無論是進行充電或者是能量回饋都可以進行無功補償，該控制方法是可行的。但是從仿真實驗結果也可以看到，僅進行能量回饋或者在進行能量回饋同時進行無功治理，會使電網公共點基波電流減小，從而使電流的畸變率增加，所以在進行能量回饋或者進行能量回饋同時進行無功治理時應考慮對諧波進行一定的抑制，避免諧波含量超標。

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