基于兩電平變流器的多功能充電樁控制方法研究

摘 要：提出一種基于兩電平變流器的多功能充電樁控制方法。采用PWM可控前端整流技術，讓充電樁具備基礎充電功能、反向電網無功補償功能以及當電網停電或不具備供電能力時的逆變發電功能，實現充電樁的四象限運行。相比傳統充電樁，其優點在于不會向電網注入諧波，無功補償時可提高電網局部功率因數以及可充當應急三相電源變換器。通過仿真驗證了多功能充電樁控制方法的可行性和正確性。

關鍵詞：充電樁；兩電平；四象限；無功補償；應急電源

中圖分類號：TM461" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0018-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.004

0" " 引言

隨著我國電動汽車的發展，國內的電動汽車充電樁安裝數量越來越多，需求量呈直線上升趨勢[1-2]。未來小區和樓宇設計按照國家相關規定也必須配置充電樁裝置[3]，因此充電樁的需求和應用前景十分廣闊。電動汽車充電主要分為交流充電和直流充電兩種形式。直流充電樁作為常用充電樁，不需要電動車自帶AD/DC或DC/DC功能即可直接充電，應用十分廣泛。但目前的充電樁只具備充電功能，基本是專門為電動汽車充電量身打造的[4-5]。

工業和民用小區常常存在一些非線性負載及一些大感性負載，會導致電網無功缺口，使得功率因數降低，造成電網供電質量下降，同時也降低了電網的電能輸送效率。包括很多充電樁在內，由于采用不可控整流橋等變流設備，也會產生一定的諧波污染[6]。為了解決這個問題，需要就地對負荷進行無功補償，比如安裝APF、SVC、SVG等無功補償裝置來提高功率因數，抑制諧波污染。

充電樁本質上是基于電力電子技術的變流裝置，數量龐大的充電樁，如果僅僅用于充電，很可能造成資源浪費，如能賦予充電樁更多的功能則可大大提高設備的利用率和應用價值。基于此，提出了一種基于兩電平變流器的多功能充電樁，其同時具備充電、無功補償以及利用用戶電池逆變發電功能，能實現充電樁的四象限運行。

1" " 充電樁的系統構成

多功能充電樁的系統構成如圖1所示。

1.1" " 主要功能單元介紹

圖1中，三相電網接口，用于充電樁接入電網；電抗器單元，用于輸出濾波作用；功率單元，作為全控整流和逆變橋；支撐電容，除了濾波作用之外，一般取容值較大，作為直流儲能單元；雙向DC/DC，實現直流母線和電動車充電電壓的轉換匹配；充電接口，實現與充電目標設備的對接、設備連接狀態檢測和電壓檢測匹配功能；控制器單元，負責充電控制、無功發出指令運算和逆變發電控制。

1.2" " 充電接口

圖1所示的系統構成中充電接口又細分為三個小部分，分別是：電壓傳感器LEM、接觸器開關單元和設備連接狀態檢測單元。其中電壓傳感器實現對充電目標設備的直流電壓測量；接觸器開關實現閉合投入充電設備；設備連接狀態檢測，用于檢測目標設備是否已經連接充電樁。

1.3" " 傳感器和支撐電容

圖1中的電流傳感器，具體作用是測量必要的三相電流iA、iB和iC；電網和支撐電容的電壓傳感器LEM，作用是測量三相電網電壓eA、eB和eC以及支撐電容的直流電壓Udc。

2" " 充電樁的多功能說明

多功能充電樁的功能主要歸納為四項，分別為：

1）可以實現對目標設備充電功能；

2）功率單元采用PWM可控前端整流技術，可以動態調整支撐電容的電壓值，且不會向電網注入諧波；

3）通過給定無功指令，讓充電樁在給設備充電的同時，向電網注入一定的感性或容性無功，實現無功補償功能，以提高電網用電功率因數；

4）當電網停電或不具備供電能力時，通過電動汽車等設備接入充電樁，實現逆變發電功能。

3" " 充電樁的控制方法

3.1" " 功率模塊控制原理

多功能充電樁的核心模塊為功率單元，其控制原理框圖如圖2所示。

圖2中iq為發出無功功率電流給定，無功功率補償量的測量和估計主要依靠較成熟的基于旋轉坐標分離法實現。如果所測量和估計的補償量給定為三相坐標系下的數值，則需要通過坐標變換轉化為旋轉坐標系下補償量。圖2中，id是充電樁有功充電電流指令或發電電流指令，由充電或逆變瞬時功率需求決定。Udc為支撐電容電壓值，與給定電壓值Udc*作為PI控制器的輸入，只在充電和無功補償時加入控制器運算；在充電樁作為逆變發電狀態時，支撐電容的電壓由雙向DC/DC控制，此時Udc的PI環節脫離控制器不參與運算。

無功指令、有功指令和支撐電容電壓控制指令綜合后，通過坐標反變換得到三相靜止坐標系下的控制量，并作為功率單元控制內環的輸入量，即內環電流給定。內環電流給定和測量反饋的實測三相電流取差值進入PI控制器。PI控制器的輸出和三相電壓做差并取反后，再次進行3/2坐標變換，得到SVPWM參考電壓指令，并最終輸出控制脈沖。

四象限的能量流動方向完全是依靠id、iq的給定值正負符號決定的。假設電流參考方向中從電網逆變器流向逆變器為正方向，則id為正代表充電模式，id為負代表發電模式；iq為正代表輸出感性無功，iq為負代表輸出容性無功。

3.2" " 控制選擇模式流程圖

控制選擇模式流程圖如圖3所示。

模式流程的目的是確定充電樁在充電、無功補償、發電功能之間的切換條件。充電樁的工作狀態主要可以概括為以下4種：充電、充電+無功補償、無功補償、發電。具體的判斷條件和狀態跳轉如圖3所示。

4" " 充電樁四象限工況驗證

以Maltab軟件為工具，對多功能充電樁的空載整流、充電、充電+感性無功補償、充電+容性無功補償和發電工況進行了模擬仿真，無功給定、有功給定、功率因數以及對應電壓/電流波形如圖4所示。

仿真中，空載狀態：i_d、i_q給定為0 A，支撐電容電壓為U_dc=720 V；充電狀態：U_dc=720 V，充電有功電流i_d=14 A，無功給定為i_q=0 A，從圖4中可以看出，此時電流和電網電壓同相位；充電+感性無功補償狀態：U_dc=720 V，i_d=14 A，i_q=14 A，此時電流落后電網電壓相位；充電+容性無功補償狀態：U_dc=720 V，i_d=14 A，i_q=-14 A，電流超前電網電壓相位；發電狀態：U_dc=720 V，由雙向DC/DC控制，i_d=-14 A，i_q=0 A，電流和電網電壓相位相反。從三相電壓和電流波形可以看出，所設計的多功能充電樁出色地完成了充電、充電+補償、發電等多象限運行，波形正弦度好，相位關系清晰，很好地驗證了多功能充電樁的多功能特性。

5" " 結束語

本文提出了一種基于兩電平變流器的多功能充電樁控制方法，通過整流器有源前端PWM控制技術，實現充電樁的多功能運行。該多功能充電樁主要功能包括基本充電功能、向電網注入感性或容性電流的無功補償功能、應急電源功能，其優點在于：不會向電網注入諧波，無功補償時可提高電網局部功率因數，可充當應急三相電源變換器。通過仿真驗證了多功能充電樁的可行性和正確性。

[參考文獻]

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收稿日期：2023-03-19

作者簡介：王珂（1985—），男，江蘇人，講師，研究方向：電力電子與電力傳動。