汽車充電樁(V2G)并網(wǎng)直流分量的抑制措施

程凌國，楊 志

汽車充電樁(V2G)并網(wǎng)直流分量的抑制措施

程凌國，楊 志

(萬邦數(shù)字能源股份有限公司南京研究院，江蘇 南京 210004)

簡述了汽車充電樁的并網(wǎng)發(fā)電(V2G)運行模式及三相逆變器產(chǎn)生直流分量的原因。并在此基礎(chǔ)上引入諧振控制器(PR)，改進了三相逆變器雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，從而抑制直流分量的生成。給出了樣機測試結(jié)果，證明了方案的有效性。

V2G；三相逆變器；直流分量；諧振控制器；抑制；充電樁；雙環(huán)控制

0 引言

化石燃料推動了工業(yè)的發(fā)展，但也給環(huán)境造成了嚴重污染，比如飽受詬病的汽車尾氣排放問題。隨著人類環(huán)保意識的提升加之石油能源的日漸枯竭，動力能源的變革是大勢所趨。

電動汽車具有零排放、效能高等優(yōu)點，使其成為節(jié)能、減排的有效途徑。充電樁[1-2]作為電動汽車的基礎(chǔ)設(shè)施，類似于加油站的加油機，作用愈發(fā)重要。

燃油車通過加油機補充燃料，電動汽車通過充電樁將電能儲存在電池中，這一功能正在朝著快速、大容量的方向發(fā)展。與此同時，隨著電動汽車的數(shù)量急劇增加，車載電池存儲的電能越來越巨大，如果可以利用，必將成為電網(wǎng)的又一能源補充。為此，充電樁作為連接汽車電池與電網(wǎng)的橋梁，放電功能(V2G)也被逐漸重視，相關(guān)的標(biāo)準也在逐步推進。

充電樁的功率模塊是實現(xiàn)能量雙向流動的主要部件，充電時從電網(wǎng)獲取能量，放電時則將電池能量送入電網(wǎng)，如圖1所示。充電樁是能量雙向流動的轉(zhuǎn)換樞紐。

圖1 充電樁充放電示意圖

而大容量的充電樁和電網(wǎng)對接一般是三相逆變器模塊，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三相逆變器示意圖

其中Udc為直流母線電壓；Va，Vb，Vc為逆變器輸出電壓；Iga，Igb，Igc為三相電感電流；Vga，Vgb，Vgc為三相電網(wǎng)電壓；L為濾波電感，C為濾波電容，K1為并網(wǎng)繼電器。

三相并網(wǎng)逆變器在dq坐標(biāo)系下的控制方程為

目前逆變器為了減小體積控制成本，前端一般不配置隔離變壓器，這就給直流分量提供了入網(wǎng)條件，而直流分量進入電網(wǎng)會有一系列危害，比如使變壓器波形畸變、電機轉(zhuǎn)矩波動等，因此如何抑制進入電網(wǎng)的直流分量，成為了并網(wǎng)逆變器必須解決的問題之一。

本文在研究了直流分量的產(chǎn)生原因及常用的控制方案后，提出了一種抑制直流分量的方法，并在樣機上測試，驗證了方法的有效性。

1 直流分量的產(chǎn)生

理論上三相逆變器參考值中不含直流偏置，但實際中因為采樣調(diào)理電路的零點漂移，數(shù)字控制環(huán)路的截斷誤差等[3]，導(dǎo)致三相逆變器輸出包含直流分量。如圖3所示。T1周期內(nèi)波形上下對稱，T2周期內(nèi)正半波附帶了直流偏置，波形正負半波不對稱，產(chǎn)生了直流分量。

圖3 直流偏置示意圖

三相逆變器常在dq坐標(biāo)系下采用雙環(huán)控制策略，如圖4所示。而當(dāng)三相電流(圖2中所示Iga，Igb，Igc)中含有直流偏置Idc時，使用公式(2)(3)(4)三相瞬時信號轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系，交流分量變?yōu)橹绷髁縄gd、Igq，直流偏置變成工頻的交流量Idc_d、Idc_q。

因此，傳統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)路(圖4)對采樣造成的直流偏置調(diào)節(jié)能力較弱[5]，不足以抑制出現(xiàn)的直流分量。有論文指出可以對直流分量單獨控制，其思路為先濾取直流量，然后增加PI環(huán)路疊加到原雙環(huán)結(jié)構(gòu)上。為了獲取直流偏置，一般采用低通濾波器或帶通濾波器[8]，但得到的直流偏置在相位和幅值上都會有所減小。也有學(xué)者指出利用滑動平均法獲取直流分量，但在頻率波動時容易出現(xiàn)直流分量振蕩問題[7]，需要特殊方法處理。

圖4 傳統(tǒng)的雙環(huán)控制示意圖

2 比例諧振控制器

理想的比例諧振控制器(PR)傳遞函數(shù)：

從其波特圖(圖5)可以看出，在特定頻率上有較高的增益，可以實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。

電網(wǎng)頻率有一定的波動范圍，為了獲取抑制在dq坐標(biāo)系下的直流分量，增加控制器帶寬，設(shè)計了準PR控制器，傳遞函數(shù)如下。

其中，Kp為比例增益，Kr為諧振頻率的增益，wc為控制器的帶寬，w0為諧振角頻率，此處為電網(wǎng)工頻對應(yīng)的角頻率。波特圖如圖6。

圖6 準PR控制器波特圖

在此基礎(chǔ)上，利用諧振控制器的特性，穩(wěn)態(tài)時直接獲取直流分量，改進設(shè)計了新的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

3 新型抑制直流分量的方案

3.1 改進的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)

本文提出的抑制交流電流中直流分量的策略如下：

(1) 不使用硬件采樣或瞬時值濾波得到直流分量，而是從dq坐標(biāo)系下利用PR控制的特性抑制直流分量的產(chǎn)生。

(2) 將PI+PR的電流環(huán)優(yōu)化為PIR的控制器。PIR的傳遞函數(shù)為：

其中，ki為積分系數(shù)，波特圖如圖8所示，可見在dq坐標(biāo)系下提高了對工頻的直流分量增益。

圖8 PIR控制器波特圖

(3) 對PR控制器輸出限幅處理，提高安全性。

3.2 實驗結(jié)果

按照上述分析設(shè)計了控制器，實驗在一臺充電樁10 kW逆變器模塊上進行，母線電壓700 V，輸出電壓380 V/50 Hz。12位A/D轉(zhuǎn)換器，開關(guān)頻率50 kHz。

圖9為未加入直流分量抑制，采用傳統(tǒng)雙環(huán)控制時測試隨功率增大的直流分量情況?？梢婋S著功率的增大，注入電網(wǎng)的直流電流越來越大。

圖10為加入諧振控制器后的直流分量測試情況，可見隨著功率的增大，直流電流有所增加，但都在40 mA以下，之所以無法降為0，主要受AD轉(zhuǎn)換器的精度影響。

圖9 傳統(tǒng)雙環(huán)控制下的直流分量

圖10 改進后雙環(huán)控制下的直流分量

4 結(jié)語

(1) 充電樁通過三相并網(wǎng)逆變器可以實現(xiàn)電動汽車通過向電網(wǎng)反送電能。

(2)?通過加入諧振控制器，可以提高逆變器雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)的直流分量抑制性能。

實驗結(jié)果表明，該方法對直流分量的抑制效果較好，可以滿足工程需要。

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Strategy for suppressing DC component in grid-connected vehicle charging pile

CHENG Lingguo, YANG Zhi

(Wanbang Digital Energy Co., Ltd. Nanjing Research Institute, Nanjing 210004, China)

This paper briefly describes the vehicle-to-grid (V2G) operation mode of vehicle charging piles and the causes of DC component of three-phase inverter. On this basis, the resonant controller is added to improve the voltage and current dual-loop structure of three-phase inverter, so as to suppress the generation of DC component. The effectiveness of the scheme is proved by the successful application on the prototype.

vehicle-to-grid; three-phase inverter; DC component; resonant controller; suppressing; vehicle charging pile; dual-loop control

2020-09-11

程凌國(1985—)，男，工程師，萬邦數(shù)字能源股份有限公司。E-mail: yc1820@126.com