论文部分内容阅读
双向变流器自身可以做到功率因数为1，还可根据需求输出必要的有功和无功到交流侧，而电网中有大量波动的无功负载和非线性负载，这会导致电网的供电质量下降。文章采用三相桥式PWM双向变流器作为主电路，进行三相桥式双向变流器的数学模型分析，讨论了具备无功治理功能的动力电池充电双向变流器的工作方式，并通过仿真分析了双向变流器在能量吸收模式下进行无功治理、仅能量回馈模式以及能量回馈同时进行无功治理模式的运行结果，实现了能量吸收及能量回馈模式下的无功治理，结果证明该控制方法可行有效。
双向充电器;能量回馈;无功治理
U469.72A461664
0 引言
三相桥式变流器应用很广泛[1-4]，而我国电动汽车充电站研究工作已经开展多年，面向不同用户的充电站服务网络还在不断推进中，随着电动汽车的大规模推广，动力电池充电器将广泛地布置在城市各个角落，形成大的充电站，也会在居民区形成小的应用点。当电动汽车进行常规充电时，当接入充电桩的汽车数量达到成百上千时，其涉及的充电变流器和动力电池仅仅是等待充电。利用充电变流器充当配电网动态无功补偿的研究主要是在电网规划和布置策略方面，联结动力电池光伏发电储能电池等负载的双向变流器进行无功治理功能的研究尚属罕见。本文探索了充电变流器进行双向能量交换的同时实现对电网无功补偿功能的应用，提高供电网络的可用性，并大大地降低了系统建设的成本，提高使用效益。
1 三相桥式双向变流器模型分析
三相桥式双向变流器通过电网侧吸收有功功率用以保持直流电压，并控制IGBT的开关状态，可以输出其所需的无功电流。为了能够更直观地充电三相系统有功和无功分量，三相静止坐标系被转换到d-q旋转坐标系，变换矩阵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变换，在忽略负载电阻R影响的情况下，在d-q三相桥式双向变流器的数学模型的坐标可表示为如式（2）、式（3）所示。其中，id和iq表示三相系统电流的有功和无功分量。
ddtidiq=-rLω-ω-rLidiq-1Luduq+1Ledeq（2）
Cdc·dudcdt=32sdsq·idiqT（3）
式中：sd、sq——在d-q軸坐标的开关系数分量;
r——电抗的内部电阻;
L——电抗器的电感值;
ω——电网基波角频率;
ed——电网电压的d轴分量;
eq——电网电压的q轴分量，取d轴向量为电网电压时，eq的值为零。
2 具备无功治理功能的动力电池充电双向变流器
参考文献[5]，着眼于现在存在的问题提出一种电动汽车充电能量双向管理并具有无功治理能力的变流器系统及控制方案。
本文基于此文献提出针对目前动力电池单向流动的功率现状，减小大量集中充电时对于电网的冲击，利用全桥电路功率可以双向流动的特性，充分发挥动力电池储能能力，既能实现能量的回馈，同时也能对电网的无功进行治理，其控制方法如下：
（1）判断充电双向变流器的直流侧是否接入有负载。
（2）如果直流侧接入有负载，充电双向变流器通过调节直流电压参考值的大小来调节双向变流器的有功功率流动方向及大小：
①直流电压基准值与反馈值比较后，经过PI调节器得出有功电流参考值idr。
②通过双向变流器交流侧电流通过abc-dq坐标轴变换，得到电流有功分量反馈值id。
③有功电流环参考值idr与反馈的有功分量id进行比较，经过PI调解器后得到PWM调制参考信号，然后将PWM调制参考信号作为控制信号对吸收电网的有功功率进行双闭环控制。
（3）无功补偿的控制方法为：通过检测母线上其他负载电流，abc/d-q坐标轴变换求得需要治理的实时无功电流iqr，再将iqr与交流侧电流反馈值无功分量iq比较，又经过PI调节器后得出PWM调制所需的参考信号uq。
3 控制系统设计
3.1 充电双向变流器的电流环控制
有功电流控制回路如图1所示，KPWM是转换器的增益，idr是有功电流的参考。有功电流环需要有较快的响应速度，系统截止频率被取为1/5开关频率，PI控制器的增益设定为1在交叉频率，如此能够得到有功电流环控制参数。
为了提高直流电压控制速度，无功电流环系统截止频率选择为与有功电流内环控制器的截止频率一致，但无功电流环PI参数中的比例参数Kpq为有功电流环比例参数Kpd的1/2，则无功电流环PI控制参数可以计算出来。
3.2 充电双向变流器直流电压控制
直流电压控制回路[7]可以用如图2所示。其中，Hi（s）是在当前内环传递函数，不考虑电压反馈延迟，可以得出控制流程图。
本文把控制电压环PI控制器截止频率选为有功电流控制器的截止频率，这是无功电流环路截止频率的1/5，即开关频率的1/25。
3.3 充电双向变流器有功功率控制
充电双向变流器根据电网需要进行双向能量传递时，需要控制输出电流有功分量的大小和正负，并且由于有功电流的参考值是通过直流电压误差经PI控制器调节产生的，所以通过调节给定的直流电压参考值大小，可以控制有功电流的大小和正负，从而控制有功功率流动的方向。所以，当直流电压控制参考值大于动力电池电压时，有功功率从电网侧流向动力电池，动力电池处于充电状态;当设置直流电压控制参考值小于动力电池电压时，有功功率从动力电池流向电网，电池处于放电状态。 4 仿真实验分析
本文建立了充电双向变流器的仿真模型。仿真环境设置为：交流输出电压=220 V，直流电压参考值=400 V，直流电容=0.470 mF，电容初始电压=380 V，滤波电感=0.2 mH，电感电阻=0.01 mΩ，开关频率=19.05 kHz，电网电压=220 V，動力电池采用串联电阻R0=0.72 Ω，RC等效电阻R1=0.274 Ω，RC等效电容C1=194 mF，R1与C1并联后再与R0及等效直流电压源串联，等效直流电压源电压=375 V，另外电网中接入三相晶闸管整流器作为无功和谐波干扰输入源。
4.1 工况1
第一种工况：设置0～0.1 s时，充电双向变流器启动，此时充电变流器给动力电池充电，0.1～0.2 s时双向变流器启动无功治理功能。如图3所示。
从图4可以看到，双变流器交流侧电流波形较好，0.1 s时启动无功治理功能后电流瞬间有一个突变，迅速调整相位后电流畸变较小。
从图5可以看到，0 s时虽然双变流器直流电压基准值设定为400，但由于启动电阻和直流侧的电池作用，直流电压缓慢上升，到0.1 s时由于开始无功治理，直流电压谐波开始有所增加。
从图6可以看到，0.1 s时系统无功电流瞬间突变，此时电网电流包含有无功谐波成分，无功电流大小在0附近波动。
从图6还可以看到，0.1 s时启动无功治理功能后系统无功电流下降到很小的数值。
从图7可以看到，0 s时电网电流由于有整流器负载是有谐波畸变的，0.1 s时启动无功治理功能后，电网电流减小，但是谐波电流没有减小，从而使电流畸变率升高了。
4.2 工况2
第二种工况：0 s启动双向变流器，先是吸收电网有功，直流电压参考值设置为400 V，给动力电池充电;0.1 s转为由动力电池给电网回馈电能，直流电压参考值设置为360 V。
在图8中，0.1 s时启动有功回馈后，双变流器输出电流有一个调整过程。
在图9和图10中，0 s时启动充电功能后，直流侧电压由380 V逐渐上升到400 V，有功电流逐渐上升;0.1 s时启动能量回馈功能后，直流电压逐渐由400 V下降到380 V，有功电流也由正值转变为负值。
从图11可以看到，启动无功治理功能后，电网电流减小，但是谐波电流没有减小，从而使电流畸变率升高，因此在治理无功的同时需要治理谐波。
4.3 工况3
第三种工况：0 s启动双向变流器，先是吸收电网有功，直流电压参考值设置为400 V，给动力电池充电;0.1 s转为由动力电池给电网回馈电能，直流电压参考值设置为360 V，0.2 s时双向变流器启动无功补偿功能。图12展示了在0.1 s开始能量回馈、0.2 s进行电网无功治理时的实验结果，主要是双向变流器的交流侧电流ia、直流侧电压Vdc、电网公共接入点电流ISA、电网无功基波分量Isq1、双向变流器有功电流分量id。
从仿真实验结果可以看到，仅充电时，双向变流器从电网吸取电能，有功电流为正，由于有整流器负载所以电网公共点电流是畸变的，在双向变流器在吸收电网能量时，电网电流较大;当0.1 s转为能量回馈时，由于动力电池提供了一部分其他负载所需要的能量，电网电流有功电流减小，谐波畸变增加;当0.2 s双向变流器工作在能量回馈+无功治理模式下时，ISA进一步减小，此时谐波含量高，这是由于谐波没有被滤除而有功和无功电流都减小后造成的。
5 结语
从仿真实验结果可以看出，采用改变直流电压基准值使其低于电池电压的方式可以改变双向变流器能量流动的方向，并且双向变流器无论是进行充电或者是能量回馈都可以进行无功补偿，该控制方法是可行的。但是从仿真实验结果也可以看到，仅进行能量回馈或者在进行能量回馈同时进行无功治理，会使电网公共点基波电流减小，从而使电流的畸变率增加，所以在进行能量回馈或者进行能量回馈同时进行无功治理时应考虑对谐波进行一定的抑制，避免谐波含量超标。
[1]Shosuke Mori.Development of a large static var generator using selfcommutated inverters for improving power system stability[J].IEEE trans on power systems，1993，8：371-377.
[2]Yubin Wang.Modeling and Controller design of distribution static synchronous compensator[C].IEEE International Conference on Power System Technology，2006.
[3]M.Tavakoli Bina.Average circuit model for anglecontrolled STATCOM[J].IEEE Proc.Electr.Power Appl.，2005，152：653-659.
[4]Furuhashi，T.A study on the theory of instantaneous reactive power[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，1990，37（1）：86-90.
[5]蔡 蔚.具备主动补偿能力的PWM整流器及其控制方法[P].中国：CN106877333B.2017-03-27.
[6]蔡 蔚.兼顾电能质量治理的PWM整流器及其控制方法[P].中国：CN106887846B.2017-04-19.
[7]Wei Cai.Independent DC Capacitance Parallel Multiple Module SVG Based on CPSSPWM[C].IECON Proc.，2012.
双向充电器;能量回馈;无功治理
U469.72A461664
0 引言
三相桥式变流器应用很广泛[1-4]，而我国电动汽车充电站研究工作已经开展多年，面向不同用户的充电站服务网络还在不断推进中，随着电动汽车的大规模推广，动力电池充电器将广泛地布置在城市各个角落，形成大的充电站，也会在居民区形成小的应用点。当电动汽车进行常规充电时，当接入充电桩的汽车数量达到成百上千时，其涉及的充电变流器和动力电池仅仅是等待充电。利用充电变流器充当配电网动态无功补偿的研究主要是在电网规划和布置策略方面，联结动力电池光伏发电储能电池等负载的双向变流器进行无功治理功能的研究尚属罕见。本文探索了充电变流器进行双向能量交换的同时实现对电网无功补偿功能的应用，提高供电网络的可用性，并大大地降低了系统建设的成本，提高使用效益。
1 三相桥式双向变流器模型分析
三相桥式双向变流器通过电网侧吸收有功功率用以保持直流电压，并控制IGBT的开关状态，可以输出其所需的无功电流。为了能够更直观地充电三相系统有功和无功分量，三相静止坐标系被转换到d-q旋转坐标系，变换矩阵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变换，在忽略负载电阻R影响的情况下，在d-q三相桥式双向变流器的数学模型的坐标可表示为如式（2）、式（3）所示。其中，id和iq表示三相系统电流的有功和无功分量。
ddtidiq=-rLω-ω-rLidiq-1Luduq+1Ledeq（2）
Cdc·dudcdt=32sdsq·idiqT（3）
式中：sd、sq——在d-q軸坐标的开关系数分量;
r——电抗的内部电阻;
L——电抗器的电感值;
ω——电网基波角频率;
ed——电网电压的d轴分量;
eq——电网电压的q轴分量，取d轴向量为电网电压时，eq的值为零。
2 具备无功治理功能的动力电池充电双向变流器
参考文献[5]，着眼于现在存在的问题提出一种电动汽车充电能量双向管理并具有无功治理能力的变流器系统及控制方案。
本文基于此文献提出针对目前动力电池单向流动的功率现状，减小大量集中充电时对于电网的冲击，利用全桥电路功率可以双向流动的特性，充分发挥动力电池储能能力，既能实现能量的回馈，同时也能对电网的无功进行治理，其控制方法如下：
（1）判断充电双向变流器的直流侧是否接入有负载。
（2）如果直流侧接入有负载，充电双向变流器通过调节直流电压参考值的大小来调节双向变流器的有功功率流动方向及大小：
①直流电压基准值与反馈值比较后，经过PI调节器得出有功电流参考值idr。
②通过双向变流器交流侧电流通过abc-dq坐标轴变换，得到电流有功分量反馈值id。
③有功电流环参考值idr与反馈的有功分量id进行比较，经过PI调解器后得到PWM调制参考信号，然后将PWM调制参考信号作为控制信号对吸收电网的有功功率进行双闭环控制。
（3）无功补偿的控制方法为：通过检测母线上其他负载电流，abc/d-q坐标轴变换求得需要治理的实时无功电流iqr，再将iqr与交流侧电流反馈值无功分量iq比较，又经过PI调节器后得出PWM调制所需的参考信号uq。
3 控制系统设计
3.1 充电双向变流器的电流环控制
有功电流控制回路如图1所示，KPWM是转换器的增益，idr是有功电流的参考。有功电流环需要有较快的响应速度，系统截止频率被取为1/5开关频率，PI控制器的增益设定为1在交叉频率，如此能够得到有功电流环控制参数。
为了提高直流电压控制速度，无功电流环系统截止频率选择为与有功电流内环控制器的截止频率一致，但无功电流环PI参数中的比例参数Kpq为有功电流环比例参数Kpd的1/2，则无功电流环PI控制参数可以计算出来。
3.2 充电双向变流器直流电压控制
直流电压控制回路[7]可以用如图2所示。其中，Hi（s）是在当前内环传递函数，不考虑电压反馈延迟，可以得出控制流程图。
本文把控制电压环PI控制器截止频率选为有功电流控制器的截止频率，这是无功电流环路截止频率的1/5，即开关频率的1/25。
3.3 充电双向变流器有功功率控制
充电双向变流器根据电网需要进行双向能量传递时，需要控制输出电流有功分量的大小和正负，并且由于有功电流的参考值是通过直流电压误差经PI控制器调节产生的，所以通过调节给定的直流电压参考值大小，可以控制有功电流的大小和正负，从而控制有功功率流动的方向。所以，当直流电压控制参考值大于动力电池电压时，有功功率从电网侧流向动力电池，动力电池处于充电状态;当设置直流电压控制参考值小于动力电池电压时，有功功率从动力电池流向电网，电池处于放电状态。 4 仿真实验分析
本文建立了充电双向变流器的仿真模型。仿真环境设置为：交流输出电压=220 V，直流电压参考值=400 V，直流电容=0.470 mF，电容初始电压=380 V，滤波电感=0.2 mH，电感电阻=0.01 mΩ，开关频率=19.05 kHz，电网电压=220 V，動力电池采用串联电阻R0=0.72 Ω，RC等效电阻R1=0.274 Ω，RC等效电容C1=194 mF，R1与C1并联后再与R0及等效直流电压源串联，等效直流电压源电压=375 V，另外电网中接入三相晶闸管整流器作为无功和谐波干扰输入源。
4.1 工况1
第一种工况：设置0～0.1 s时，充电双向变流器启动，此时充电变流器给动力电池充电，0.1～0.2 s时双向变流器启动无功治理功能。如图3所示。
从图4可以看到，双变流器交流侧电流波形较好，0.1 s时启动无功治理功能后电流瞬间有一个突变，迅速调整相位后电流畸变较小。
从图5可以看到，0 s时虽然双变流器直流电压基准值设定为400，但由于启动电阻和直流侧的电池作用，直流电压缓慢上升，到0.1 s时由于开始无功治理，直流电压谐波开始有所增加。
从图6可以看到，0.1 s时系统无功电流瞬间突变，此时电网电流包含有无功谐波成分，无功电流大小在0附近波动。
从图6还可以看到，0.1 s时启动无功治理功能后系统无功电流下降到很小的数值。
从图7可以看到，0 s时电网电流由于有整流器负载是有谐波畸变的，0.1 s时启动无功治理功能后，电网电流减小，但是谐波电流没有减小，从而使电流畸变率升高了。
4.2 工况2
第二种工况：0 s启动双向变流器，先是吸收电网有功，直流电压参考值设置为400 V，给动力电池充电;0.1 s转为由动力电池给电网回馈电能，直流电压参考值设置为360 V。
在图8中，0.1 s时启动有功回馈后，双变流器输出电流有一个调整过程。
在图9和图10中，0 s时启动充电功能后，直流侧电压由380 V逐渐上升到400 V，有功电流逐渐上升;0.1 s时启动能量回馈功能后，直流电压逐渐由400 V下降到380 V，有功电流也由正值转变为负值。
从图11可以看到，启动无功治理功能后，电网电流减小，但是谐波电流没有减小，从而使电流畸变率升高，因此在治理无功的同时需要治理谐波。
4.3 工况3
第三种工况：0 s启动双向变流器，先是吸收电网有功，直流电压参考值设置为400 V，给动力电池充电;0.1 s转为由动力电池给电网回馈电能，直流电压参考值设置为360 V，0.2 s时双向变流器启动无功补偿功能。图12展示了在0.1 s开始能量回馈、0.2 s进行电网无功治理时的实验结果，主要是双向变流器的交流侧电流ia、直流侧电压Vdc、电网公共接入点电流ISA、电网无功基波分量Isq1、双向变流器有功电流分量id。
从仿真实验结果可以看到，仅充电时，双向变流器从电网吸取电能，有功电流为正，由于有整流器负载所以电网公共点电流是畸变的，在双向变流器在吸收电网能量时，电网电流较大;当0.1 s转为能量回馈时，由于动力电池提供了一部分其他负载所需要的能量，电网电流有功电流减小，谐波畸变增加;当0.2 s双向变流器工作在能量回馈+无功治理模式下时，ISA进一步减小，此时谐波含量高，这是由于谐波没有被滤除而有功和无功电流都减小后造成的。
5 结语
从仿真实验结果可以看出，采用改变直流电压基准值使其低于电池电压的方式可以改变双向变流器能量流动的方向，并且双向变流器无论是进行充电或者是能量回馈都可以进行无功补偿，该控制方法是可行的。但是从仿真实验结果也可以看到，仅进行能量回馈或者在进行能量回馈同时进行无功治理，会使电网公共点基波电流减小，从而使电流的畸变率增加，所以在进行能量回馈或者进行能量回馈同时进行无功治理时应考虑对谐波进行一定的抑制，避免谐波含量超标。
[1]Shosuke Mori.Development of a large static var generator using selfcommutated inverters for improving power system stability[J].IEEE trans on power systems，1993，8：371-377.
[2]Yubin Wang.Modeling and Controller design of distribution static synchronous compensator[C].IEEE International Conference on Power System Technology，2006.
[3]M.Tavakoli Bina.Average circuit model for anglecontrolled STATCOM[J].IEEE Proc.Electr.Power Appl.，2005，152：653-659.
[4]Furuhashi，T.A study on the theory of instantaneous reactive power[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，1990，37（1）：86-90.
[5]蔡 蔚.具备主动补偿能力的PWM整流器及其控制方法[P].中国：CN106877333B.2017-03-27.
[6]蔡 蔚.兼顾电能质量治理的PWM整流器及其控制方法[P].中国：CN106887846B.2017-04-19.
[7]Wei Cai.Independent DC Capacitance Parallel Multiple Module SVG Based on CPSSPWM[C].IECON Proc.，2012.