基于改进型d-q变换算法的电动汽车充电站的电能质量综合治理研究

【摘要】 随着全球环境污染的加剧、石油资源的日益枯竭,电动汽车因以电代油,具有零排放、无污染、低噪声等优点,越来越受到各国政府和汽车企业的重视,成为实现本国的可持续发展一个重要手段,近几年发展十分迅速。因此,电动汽车一些关键技术逐步成为目前研究的热点。针对电动汽车充电站工作过程中引起的电能质量问题,搭建了电动汽车充电站的仿真模型,并在该模型的基础上分别对单台和多台电动汽车充电机投运后引起的谐波和无功问题进行了研究。总结出了单台和多台电动汽车充电机运行过程中谐波和无功的特点,为下面电能质量的治理打下坚实的基础。对有源电力滤波器进行了分类,对各自的特点进行了分析。在考虑电动汽车充电站并网运行过程中谐波和无功的特点的前提下,利用一种注入式混合型有源电力滤波器来治理电能质量。在滤波过程中,有源电力滤波器既不承受基波电压也不承受基波电流,从而减小了有源电力滤波器的容量,降低了治理成本,并兼具有源电力滤波器和无源电力滤波器的优点,既能治理谐波也能补偿无功。分析了混合型有源电力滤波器的结构和工作原理,针对电动汽车充电站谐波的特点对无源部分进行了设计。在混合型有源电力滤波器控制过程中,针对现阶段电网谐波和无功检测方法中普遍存在的时延、检测精度低等不足,利用一种改进型d-q变换的算法来检测谐波和无功。该方法对三相电流与电压进行d-q变换后,再对相应的分量进行分离,最终实现对谐波与无功电流的检测,具有检测速度快、精度高、能够检测出n次谐波电流的优点。利用改进型规则采样法进行PWM调制,与传统规则采样法相比,实时性好,进一步提高了调制精度。并进行仿真将传统控制方法与改进型控制方法作比较,仿真结果验证了改进型控制方法的有效性和先进性。重点介绍了系统参数的设计方法。利用Matlab/Simulink模块搭建系统仿真模型进行仿真,并且搭建了系统的实验样机进行实验。仿真结果和用电能质量分析仪采集到的实验数据表明：投入注入式混合型有源电力滤波器后,电动汽车充电站的谐波电流总畸变率大大降低,无功得到补偿,功率因数得到提高,从而验证了该方法的有效性和实用性。对本文的工作进行了总结,对下一步展开的工作和研究方向做出了展望。 

第1章绪论

1.1课题的研究背景与意义
由于存在行驶里程有限、蓄电池使用寿命短、价格昂贵等缺点，电动汽车在我国的普及度还不是很高⑷。但随着人们环保意识的提高，石油资源的日益枯竭及其价格的不断升高，技术的不断进步，国家政策的大力支持，电动汽车价格的不断降低，在不久的将来电动汽车必将成为主流，发展潜力不可小颇。由此可以得出结论：电动汽车是未来汽车行业发展的方向，应该全力发展，并对电动汽车的相关关键技术展开研究。

1.2电动汽车的发展状况
汽车发达国家由于受到石油资源和环境污染的巨大压力，率先进行了“非石油能源零污染汽车”的研究，电动汽车则处于在该研究领域的前沿。美国总统奥巴马为进一步推动电动汽车及充电站的发展而推出了加速电动汽车的制造与部署计划。美国能源部牵头实施了计划，通过免费为电动汽车的用户建设家用充电桩来推广电动汽车的使用。日本从1971年，由工业科学技术协会承担了电动汽车的研究任务。这一项目为期6年，由政府、研究部门和私人企业共同承担，投入资金达57亿日元。此外，欧洲国家也纷纷推出自己的电动汽车发展计划。在这些政策的刺激下，各大车企也纷纷推出了自己的电动汽车车型，其中包括三菱、日产叶子、道奇、宝马、奔驰、福特福克斯电动版、特斯拉、丰田等。电动汽车车型的丰富及价格的不断降低，进一步提高了电动汽车的销量。
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第2章电动汽车充电站的结构及充电方式

2.1电动汽车充电站的结构
电动汽车充电站结构图如图2.1充电站采用10kV供电,釆用dy11接法。每个充电站有40台充电机，并含有计量装置、电能质量治理装置。


2.2电动汽车充电机的种类及特点
目前，电动汽车充电方式主要有充电模式和更换电池模式，这种充电方式的一个共同特点是利用专用插座从电网获得电能。充电模式可分为普通充电和快速充电。普通充电又叫慢速充电，该充电方式采用恒压、恒流的传统充电方式对电动车进行充电，以相当低的充电电流为蓄电池充电，充电时间要持续个多小时，相应的充电器的工作和安装成本相对比较低。电动汽车家用充电设施（车载充电机）和小型充电站多采用这种充电方式。车载充电机是纯电动轿车的一种最基本的充电设备。电机作为标准配置固定在车上或放在后备箱里。由于只需将车载充电器的插头插到停车场或家中的电源插座上即可进行充电，因此充电过程一般由客户自己独立完成。这种充电方式对电网没有特殊要求，只要能够满足照明要求的供电质量就能够使用。由于在家中充电通常是晚上或者是在电低谷期，有利于电能的有效利用，因此电力部门一般会给予电动汽车用户一些优惠，例如电低谷期充电打折。快速充电是以的高充电电流在短时间内为蓄电池充电。快速充电也可称为迅速充电或应急充电，其目的是在短时间内给电动汽车充满电，充电时间应该与燃油车的加油时间接近。大型充电站（机）多采用这种充电方式。

第3章电动汽车充电站电能质量分析.............11
3.1电动汽车充电站谐波和无功的分析....................11
3.2仿真结论...................14
第4章电动汽车充电站电能质量治理....................15
4.1电能质量治理方法的分类...............................15
4.2谐波抑制和无功补偿方法分析................15
第5章系统的参数设计仿真及实验.......................32
5.1系统的参数设计......................32
5.2仿真结果及其分析.............34

第5章系统的参数设计仿真及实验

5.1系统的参数设计
在HAPF装置中，采用的控制方案，控制为谐波电压源，不承担基波电压，基波电压由无源滤波器承担，因此在很大程度上降低了有源电力滤波器的容量。装置逆变器的容量知可用下式确定：有源逆变器输出电压中不但含有所需要的补偿电压外，而且还含有因功率器件开断所引起的高频毛刺。若将有源逆变器输出电压直接加于注入支路，必将给电网带来新的高频污染。因此，必须增加输出滤波器来滤除逆变器引起的高频毛刺。由于逆变器输出的电压频谱主要为低频有效谐波频率和高频开关毛刺频率，为了避免将这两种信号过度放大，而导致电路元件过压、过流，一般使输出滤波器中电感和电容的谐振频率满足其中代表逆变器输出补偿谐波的最大频率，代表载波频率。

5.2仿真结果及其分析
为了进一步验证该方法的实用性，本文搭建了实验样机，元件参数与仿真参数相同。如图的硬件系统由分别负责谐波分析、波输出、系统对外通讯等模块构成。有源电力滤波器的三相桥式逆变器采用了智能功率模块。智能功率模块是集门极驱动和短路、过流、欠压、过热等保护功能于一体的功率器件，其结构紧凑、性能稳定、工作可靠，能大大地缩短产品的幵发和调试周期。但工作在较高的开关频率,如会在关断和开通的时候产生强烈的电磁干扰，轻则导致系统上下位机通信失败，重则导致模块烧毁。引起过电流的主要因素是母线电感和缓冲电路及其元件内部的杂散电感，而且电感越大，过电压越大。因而，电路要求母线电感和缓冲电路及其元件内部的杂散电感愈小愈好。控制系统是的核心，决定了的主要性能和指标。
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总结与展望

本文通过搭建电动汽车充电站的模型，得出了单台和多台电动汽车充电机工作时的谐波和无功功率的特点，改进了混合型的控制策略，解决了电动汽车充电站谐波抑制和无功补偿问题，相关研究工作总结如下：分析了电动汽车充电站工作过程中对电网造成的电能质量问题：应用仿真软件，搭建了电动汽车充电站的仿真模型，分别对单台和多台电动汽车充电机工作时的谐波和无功特点进行了详尽的分析，为下面电动汽车充电站电能质量的治理打下了坚实的基础。介绍了几种传统电能质量的治理方法，针对传统方法的缺点，提出用一种注入式来治理电能质量，对的结构和工作原理进行了分析，分析结果表明了注入式的经济性和优越性。介绍了几种传统的谐波和无功电流的检测方法和传统规则采样法，针对传统方法的缺点，提出用改进型算法和改进型规则采样法进行控制，并利用软件进行仿真，仿真结果验证了所采用方法的正确性和优越性。为了验证所采用方法的正确性和实用性搭建了仿真模型和实验样机，仿真结果和用电能质量分析仪采集到的投入前后的对比数据显示了该方法的优越性和实用性。
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