静止无功发生器在电动汽车充电站中的应用研究

研究与开发

静止无功发生器在电动汽车

充电站中的应用研究

刘 森 刘 丹２ 杨国清 郭晓蕊

（１．西安理工大学，西安 ７１００４８；２．安徽江淮汽车股份有限公司，合肥２３０６０１）

摘要 电动汽车（ＥＶ）充电机为非线性负荷，它的接入对电力系统的电能质量会造成一定

影响，有必要对由其构成的充电站采取一定的措施。本文给出了电动汽车充电机和静止无功发

生器（ＳＶＧ）的数学模型，并在ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ上搭建了含ＳＶＧ的汽车充电站仿真模

型。然后通过一个算例来验证ＳＶＧ对电网具有无功补偿和抑制电压波动的作用。结果表明充电

机工作于充电过程时，ＳＶＧ可以对无功进行有效的补偿，对电网的功率因素、电压波动具有有

效的治理作用。

关键词：电动汽车充电机；充电站；静止无功发生器（ＳＶＧ）；无功补偿；功率因数补偿

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｔｉｃ

Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｈａｒｇｅｒｓ

Ｌｉｕ Ｓｅｎ｜Ｌｉｕ Ｄａｎ２ Ｙａｎｇ Ｇｕｏｑｉｎｇｌ Ｇｕｏ Ｘｉａｏｒｕｉｌ

（１．Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４８；

２．Ａｎｈｕｉ Ｊｉａｎｇｈｕａｉ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈｅｆｅｉ ２３０６０１）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＥＶ）ｃｈａｒｇｅｒｓ ａｒｅ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅｙ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ

ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏ ｉｔ’Ｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｔａｋｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｄｅａｌ

ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｈａｒｇｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｖａｒ

ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＳＶＧ）．ａｎｄ ｂｕｉｌｄｓ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＳＶＧ ｉｎ ｔｈｅ

ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｔ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＳＶＧ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ

ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ＳＶＧ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ

ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｇｏｖｅｒｎ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ

ｃｈａｒｇｅｒｓ ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｈａｒｇｅｒ；ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ；ＳＶＧ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；

ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ

随着我国经济的快速发展，以及居民对生活质

来补充电能。而采用电力电子技术的纯电动汽车充

电机是一种高度非线性的用电设备，它的大规模使

用，不可避免的会给电网造成污染。比如多台充电

机同时工作时，产生的谐波、功率因数和无功功率

问题，会对电网及其他用电设备产生巨大影响。因 因此，面对着如此形势，大力发展节能、环保的新

此，研究如何解决因汽车充电站接入，而引起的电

网谐波增大、无功功率损耗增加等电能质量问题，

成为了汽车充电站建设面临的重要问题 Ｊ。

本文运用ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ仿真软件搭建了汽车充

电站的仿真模型，对汽车充电站接入供电网时，对

量要求的提高。社会上汽车保有量呈急剧增加趋势，

相关部门预计，到２０１１年底将达到７５００万辆的规

模。而汽车产业的发展必然对能源问题提出挑战。

能源汽车就成为了汽车＿＿Ｌ 业可持续发展的一个重要

方向。而完全使用二次能源一电能的纯电动汽车，

因其优越的节能和环保性能，在未来的汽车市场中，

将拥有着广阔的发展空问。

以电能作为动力的电动汽车，需要通过充电机

５２ Ｉ电 技７ｌｔ ２ｏ１１年第１０期

电网的谐波和无功功率产生的影响进行了分析，并

且对静止无功发生器（ＳＶＧ）运用在汽车充电站中

对电网无功功率的补偿作用进行了仿真研究。

ｌ充电机的建模

电动汽车充电机［ 】主要有以下３种类 ］：①由

工频变压器、不控整流和斩波器组成；②由工频变

压器、三相不控整流和高频变压器隔离ＤＣ／ＤＣ变换

器组成；③由三相ＰＷＭ整流和高频变压器隔离 给出了ＳＶＧ的简化等值电路，其中，Ｒ代表逆变电

ＤＣ／ＤＣ变换器组成。目前电动汽车充电机采用的是 路和链接电抗的有功损耗，ＶＳＣ是一个三相的电压

大功率高频充电机，其结构框图如图１所示，它是 源逆变器：Ｌ代表ＳＶＧ的连接电抗器。

由三相桥式不可控整流电路对输入三相交流电进行

整流，滤波后为高频ＤＣ／ＤＣ功率变换电路提供直流

输入，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，

为纯电动汽车的动力蓄电池充电。

＂ 甜

旃

图１ 高频充电机的结构框图

由于蓄电池的充电过程所需时间很长，则在一

一 ～

个至几个工频周期内，都可以认为充电机的输出电

流和输出电压是恒定的直流，即相当于高频功率变

换电路工作于恒功率状态。动力蓄电池的充电过程

是一个非线性的过程，用一个非线性电阻＆来近似

模拟高频功率变换电路的等效输入阻抗。则电动汽

车的等效模型如图２所示。

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｜

Ｕｂ

赂

流

桥

Ｊ

图２充电机等效模型

其中的非线性电阻Ｒ 可以近似表示为式（１）：

： ： ：

（１）

尸。

式中，ＵＢ为充电机输出侧电压； 为充电机的充电

效率；Ｊ，．为功率变换电路的输入电流（Ａ）。

根据实际记录的充电池充电过程的数据，式（２）

给出了充电机输出功率的拟合曲线。

｛ ０ｏ４８ ５＜ ．￣ 。

研究与开发

式中：ｆ为时『白Ｊ，单位为分钟；尸０ 为最大输出功

率，单位为ｋＷ。

２ ＳＶＧ的数学建模与工作原理

２．１ ＳＶＧ的数学模型

ＳＶＧ作为动态无功补偿设备，由于采用了先进

的电力电子开关元件，从而可以快速调节交流电网

的无功，具有反应快速和调节平滑的特性Ｌ３ Ｊ。图３

图３ ＳＶＧ等值电路原理图

根据ＳＶＧ的等值电路，可以列出ＳＶＧ装置的ａｂｅ

三相动态方程。

哮￣Ｕｓａ－Ｕｉａ－Ｒｉａ

哮＝ ｂ－Ｕｉｂ－Ｒｆｈ （３）

警＝ －Ｕｉｏ－Ｒｆｃ

利用经典派克变换将式（３）中的ａｂｃ￣Ｈ电流

进行ｄｑ变换，可得到ＳＶＧ的数学模型。

柑 Ｒ，Ｊ Ｒ ４４２６，Ｊ２ ．

ｌ Ｖｓｓ

２

（４）

…ＣＯＳＯ 一 ——Ｓｌｓｉ ｎｏ ０ Ｕ

一

２Ｃ ２Ｃ

式中， 为ｄｑ坐标下ＳＶＧ输出的有功电流；ｉｑ为ｄｑ坐

标一ＦＳＶＧ输出的无功电流：【，ｄ 为ＳＶＧ直流侧电压；

为ＳＶＧ交流侧电压；Ｗ为ｄｑ坐标系的旋转角频率，

与三相系统电压角频率相同； 为逆变器调制比；

为ＳＶＧ输出电压和电网电压之间的相角差。

稳态时，由于即

ｄＵｄ。

ｄｉ

ｄｉ

一—

ｎ

ｄｆ ｄｆ—ｄｆ一

则由公式（４）可得稳态时，ＳＶＧ的输出电流及

电流侧电容电压表达式分别为

２０１１年第ｌＯ－￣Ｊ电暑目ｌ技贰Ｉ ５３

研究与开发

ｆｄ＝Ｖ

￣ｓｉｎ２

Ｒ

２ （５）

ｒ，一

ｃｏｓ（ ＋ ）

Ｋ２ｃｏｓ

舯’…ｒｃｔａｎ（ ］一

２．２ ＳＶＧ的工作原理

ＳＶＧ的电流摔制包括无功补偿电流和有功电

流的控制【６ Ｊ，无功补偿电流控制用于产生所需的无

功补偿电流，有功电流控制用于补偿有功损耗。ＳＶＧ

的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组

成，外环摔制器主要通过一定的检测方法产生无功

补偿电流的参考值，内环控制器主要产生同步的驱

动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之

间建立一种线性的关系。

其中ＳＶＧ的控制结构图如图４所示。ｓｖＧ将所需

补偿的无功电流参考值与ＳＶＧ吸收的无功电流值进

行实时比较，得到前面公式（４）中，ＳＶＧ输出电压 无功功率、功率因数、电压波动产生明显的影响。

与系统同步信号问的微小相位差 。通过比例微分控

制这一微小的相位差，就可以来调节输出的无功电

流。同时ＳＶＧ将变换器直流侧的电容电压的参考值

与ＳＶＧ直流侧实测的电容电压进行实时比较，得到

直流侧电压的差值，同样通过比例积分控制变换器

的调制比，就可以来调节输出的有功电流。而控制

结构中的内环控制是通过滞环比较方式来产生同步

的ＰＷＭ驱动信号，驱动ＶＳＣ中的功率开关器件，发

出所需补偿电流。

图４ ｄｑ轴下的ＳＶＧ控制结构图

下面我们通过一个算例，来对静止无功发生器

在纯电动汽车充电站中的应用，进行进一步的研究。

３ 算例分析

本文在本文的算例仿真系统中，充电站通过

１０／０．４ｋＶ变压器连接到１０ｋＶ的配电母线上；配置的

充电机功率与台数分别为：为大型车配置３５ｋＷ充电

机３台，为中型车配置４０ｋＷ充电机３台，为小型车配

Ｉ

５４ ｌ电｜｜｛技７ｆｔ ２０１ １年第１０期

置１ ５ｋＷ充电机５台；根据负荷的容量以及变压器容

量选择原则选择变压器容量为４００ｋＷ，采用Ｄｙｎｌ１

接线方式。仿真模型结构图如图５所示，模拟充电站

对负荷进行连续充电的全过程，持续时间为４．５ｈ（时

间间隔为０．１ｈ）。

图５充电站仿真模型

３．１ 未投入ＳＶＧ

充电机在充电时，输出功率的曲线特性，已由

公式（２）给出。另外由于充电站中含有大量的电力

电子元件，则在给电动汽车充电的时候会对电网的

在未采用ＳＶＧ无功补偿装置时有充电站接入的配电

网变化情况如图６、图７所示。

图７未投入ＳＶＧ时１０ｋ￣侧电网情况

研究与开发

蓄电池的充电过程是一个非线性的过程，由图６

可以看出充电机充电时０．４ｋＶ｛￣０的电压、有功功率、无

功功率、相角在４．５ｈ内都有波动，且在刚投入时与２．７ｈ 压来充当有源电力滤波器时才可以对谐波起到很好的

ＳＶＧ同样作为一种电力电子应用装置，也是一种新的

谐波源，只有通过改变控制算法，以及直流侧电容电

抑制作用。由图１０可以看出，加装ＳＶＧ无功补偿装

时都有突变的情况出现。由图７可以看出充电站接入

电网的公共接入点ＰＣＣ处功率因素、有功功率、充电

置后，由于ｓＶＧ产生的谐波与充电机产生的谐波之问

站电流、无功功率在４．５ｈ的充电过程中的变化情况，

由于无功需求，整个充电站功率因数最低时达Ｎｏ．８。

３．２投入ＳＶＧ

为解决点动汽车充电站接入电网对电能质量的

影响，针对充电站对无功的需求，在０．４ｋＶ供电母线

上并联容量为０．４ＭＶａｒ的ＳＶＧ。

加装ＳＶＧ无功补偿装置后，由图８可以看出，

０．４ｋＶ｛￣０的电压基本达到稳定，且其无功功率得到有

效改善。由图９可以看出，１０ｋｖ侧的功率因素也接

近于１保持在０．９９周围。

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图８投入ＳＶＧ后０．４ｋＶ侧

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图９投入ＳＶＧ后１０ｋＶ侧

由仿真结果可以得出：通过投入合适容量的

ＳＶＧ无功补偿装置，可以对由充电站接入而引起电

网电压、无功的变化起到良好的抑制作用，提高充

电站整体的功率因数。

３．３谐波分析

为解决从前面关于充电机和ＳＶＧ的叙述中我们可

知，由于充电站中含有大量的电力电子元件，则在给

电动汽车充电的时候会有大量的谐波涌入电网；而

存在相互抵消现象，反而对充电站总谐波有所抑制。

图ｌＯ投入ＳＶＧ前后谐波对比

４ 结论

本文充电站中由于蓄电池的充电特性，在蓄电

池刚接入充电机和充电接近尾声时都将会出现功率

突变的情况，此时对电网的影响也是最大的。ＳＶＧ

无功补偿装置作为一种新型的电力电子装置，最大

的优点是它的无功补偿不受电网电压波动的影响，

且对接入侧无功和电压变化情况反映迅速。从本文

的仿真分析可以看出，充电站加载ＳＶＧ后，充电站

电压和无功的突变都得到了有效抑制。

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作者简介

刘 森（１９８８．），男，山两省长治市人，硕士研究生，研究方向为

厂站装置与系统自动化及电力系统的测量与控制。

２０１ １年第１０期电蠹墨ｌ技术『５５