基于有源滤波的单相交流充电桩谐波治理研究_施浩杰.pdf

第 卷第期年月电力电子技术，基于有源滤波的单相交流充电桩谐波治理研究施浩杰王英健，庄永、袁光明（山东理工大学，机械工程学 院，山东淄博；中国华电集团华电章丘发电有限公司，山东济南）摘要：目前交流充电桩应用广泛，随着充电桩日益增多，其产生的谐波污染也越来越严重。针对单相交流充电桩谐 波治理问题，将有 源 滤波技 术应用到 交流充电桩中。根据充电桩 特 性采用单相 并联有源滤波器（）。对基于瞬 时无功 功 率理论的单相 谐 波检 测法进行探宄，并结合最小均 方（）与 最小四阶矩（）自适应算法提出一种新型定步长自适应 低通滤波器用于提高谐 波检测性能。控制环节采用 结合重复控制的内外环复合控制策略完成稳压控制、谐波追踪及补偿。基于仿真分 析低通滤波环节输出的波形并搭载样机实验，结果验证该 算法可提升谐 波 检测 性 能。建立单相系统仿 真并通过快速傅里叶 变换（）分析系统谐波 补偿 能力，结果证明单相可有 效治理谐波，使总谐波失真（）降至以下。关键词：有源滤波器；谐 波治理；自适应算法；复 合控制中 图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，？，（）？，（）（）？，？，（）？（）：；：（）；（）引言新能源汽车作为新兴 交通工具近年来得到迅速发展，其配套充电装置主要分 为直流及交流充电粧两种。交流慢充方式采单相电源通过基金项目：国家自然科学基金（）；山东省高等学校青创科技支持计划（）定稿日期：作者 简介：施 浩杰（），男，硕 士研究 生，研究方向 为悬移式充电桩系统设计及有源滤波。车载 充电机为蓄电池充电，虽充电功率较低，但以其低成本，占用空间少等优势得 到广泛应用。交流充电过程中由于充电机内部包含晶 闸管等非线性器件会成为谐 波源，产生的谐波污染会造成 交流电畸变并 降低电力系统稳定 性文献进行了相 关研宄，但均存在不足。针对谐波治理问题采用单相进行谐波治理，并结合自适应算法提出一种定步长自适应滤波器改进检测中低通滤波环节，进行仿真分析并搭载样机实验。所提谐波检测 法基于有源 滤波的单相交流充电桩谐波治理研究基于瞬时无功 功 率理论的谐波 检测 法 作为三相 系 统检测算 法 不可直接用于单 相系统因此采取一种三相 构 造法，其过程如下：设单相电压（，带 有 谐 波的 周期性非正弦电流表示为：（）（）！（）（）设有功基波电流（？），谐波电流奴（人（咖，可得基波无功电流“（，则构造相电流：（）（）随后 将反相 并延时（可得：（）（）（）（？（）可得构造三相电流，。，并可对其进行坐标 变换。基于以上构造结果对单相检测法进行探究。电流经坐标变换可得基波有 功电流幅值与基波无功电流幅值，经截止频率低于基波频率的低通滤波器（）可得其直流分量与，再乘以基波正余弦？便可得出瞬 时基波有功电流 及瞬时基波无功电流？，由此可得系统谐波与无功电流。基波同频信 号与实际基波相位差为，正余弦信号分别为（？），（？！）将其 与负载电流相乘经增益及低通滤波环节可得（）（）妒及（，）（），与基波正余弦相乘后相加可得：（）（）（）？（）？（）（）（即为 基波电流匕，根据负载计 算可得谐波电流。该谐波检测法性 能 受低通滤 波环节影响，常用巴特沃斯型结构滤波器无法兼顾滤波精度与收敛速度，而自适应滤波器计算过程简单，具备更 好的稳定性及自适应性。自适应算法中算法稳态性能较差但具有良好收敛速度，算法在步长固定时同样存在稳态 性能 与 收敛速度间的矛盾？。基于两种自适应算法提出一种新型 定步长自适应滤波器，设其性能函数为：（？）（？）？（？）（）式中：？为占比系数，决定滤波器选用或算法，若？，为算法，若？则相反。可设？，心，？为平稳参数，与无关，可得：？（）采用梯度 估计更新权值，可得：（）式中：为步 长。将式（），（）代入式（）可得权值更新公式：（）？：？（）？采用遗忘因子与 归一化法进行更新：二？（）？（）？，？（？，（）式中：，为遗忘 参数，是取值为的常数，表示历史控制信号对实 时状态影响。式（）（）即构成 定 步 长自适应算法。历史误差信号与 实时信 号？自相关估计结 果可调节占比系数，降低系统信噪比。其输入信号发生变化时，误差增大，？，系统采用算法；若进入稳 态，则接近最佳值系统转换为算法。可知该 算法能够根据原始信 号调整占比系数选用适应算法。考虑到算法稳定性，通常 限制？在取值。若接近，表示自适应算法具备良好动态收敛性能，若接近则兼顾稳态性能与收敛速度，这里取，。单相复合控制策略重 复控制原理为实现单相谐 波补 偿功 能需要控制 系统具备良好稳定 性与动态追踪性能。采取控制结合重复控制的双闭环复合控制策略完 成谐波电流追踪与 补偿。单相需追 踪与基波同频或 整 数倍的信号，只需将同频域模型加入控制器中即可实现信号的无 静态差别追踪。复杂 谐波中每一频 率都设置对应内模在工程层面上难以实现，故引入重复 控制解 决此问题。重复 控制器内核为：（）（）（）（）（）针对单相系统，将 其转 化为频 域形式，（），？，则：士：。（）？丨可准确提取直流 分量，负载电流突变迅速且过渡过程小于一个电源周期。基波电流具有良好正弦度，与传统巴特沃斯 滤波器相比兼顾了良好的稳定性与响应速度。单相系统复合控制系统仿真根据图所示整体 算法流程，进行 单相系统仿 真，部分参数如 下：电 网 电压有效 值为，滤波电容（，直流侧电容心，滤波电感，电网侧电感，调制方 式 采用，并于设置负载突变。动 态性能，巴特沃斯滤 波器调节时间约，其稳态波形较为平滑但动态调节 过程中有超调现象出现，定步长自适应滤波器调节时间约，响应更加 灵敏。自适应输出巨特沃縞出（）直流分量（）基波 电流图输出波形为更好地验证自适应滤波器对于谐波检测性能的提升效果，利用 开 发 板及半 实物仿真平台搭载样机实验。其中仿 真平台通过网线与上位机连接，可接收数 据 并 编译上述 模型，下位机负责模型运行并执行与外部 示波器等硬件实现交互。搭建了样机，谐波 检测 实验原理见图，其中，自适应 算法等 均通 过平台内置软件实现，外接示波器记录电流波形。为便于对比将两种滤波器实验输出波形各放到一张图中，分别为负载电流、基波电流心，心变换 所 得，、定步长自适应滤波器输出直流 分量、谐波。如图，所 示。（格）（格）（）定步 长自适应滤 波器（）巴特沃斯滤波器图仿真波形 实验证明结合的定步 长自适应可知，内模系 统中全部 频次补偿电流 都 具 有无穷大 增益。滤波系统工作原理及复合控制策 略传统控制器因其积分环 节对直流信号有无穷大 增益可实现对阶跃信 号的无静态误差追踪，但对于高频次 信号无法产生较大增益。针对内环电流控制，其控制器需对谐波具有无限大 增益才能实现准确追踪，结合 重复控制理论可改善控制器的动态响应能力，适用于单相。单相复合控制 过程如图所示。？电网电压！前馈：丨谐 流控制 器，电流 采 样电流内环厂！乘法器电压采样：电压外 环人 环控制器电压外环直流侧给定电压砀图单 相整体 复 合 控 制 框图 为电网电压乂为电网电流，为输出的补 偿电流。系统通过电流检测电路 对负载电流进行检测，从而提取其中的谐波，得到输出电流的调制指令。通过控制电路输出信号使逆变器产生相应补 偿电流。在图所示控制过程中，直流 侧电流指 令与谐波电流指 令相加即为 总电流指令。电流内环控制器通过调节其与反 馈电流的差值得出电压控制量与电压前馈量相加即得总电压。总电压通 过空间矢 量 脉宽调制（）后输出调制信 号，即可完成直流侧稳压并 产生补偿电流。谐波检测仿真及样机实验基于环境 对谐波检测环节进行 仿真。以单相 不可控式整流桥 式电路带阻感负载作为谐波源，产生的谐波总量可由基于 瞬时无功功率法得到。检测过 程中低通滤 波环节 分别采用巴特沃斯滤波器与新型 定步 长自适应滤波器，仿真参 数设置如 下：电压有效 值仏为，负载电阻？，丨（，负载电感，负载突变电阻？，负载突变电感。取截止频率，定步长自适应 滤 波器取参数，对其分离出的直流 分量与单相电流分量即相基波电流心进行对比分析，其输出波形如图，所示。可知，时直流分量与基波电流同时产生突变，其反映了第 卷第期电力 电子技术，年月（荽基于有源滤波的单相交流充电桩谐波治理研究（）复合控制各电流（）复合控制补偿后 电流分析图电流波 形及其分 析 复 合 控 制补偿后电 网 电流波 形为正弦曲线，有效消除了电流毛刺，有效改善了控制的局 限性。补偿后电流频 谱分析显示）己降至，符合国家标准，解决了由谐波污染造成的电流 畸 变问题。结论对单相交流充电桩 谐波检测及控制环节进行了研究，在其谐 波检测 环节引入新型定 步长自适应滤 波器以提高谐波 检测性能，并 在其谐 波 补 偿（）负载电流分析（）丨控制补 偿后电流分析图电流分 析 谐 波 检测后进 行的控制补偿过程 采用重复控制加双闭环复合控制 策 略，为验证其谐波补 偿性能的提升效果，与单独传统控制电流补偿效 果进 行对比分 析。通过分 析验证系统谐波治理能 力。传统控制 时 各电流仿真 波形见图。、图电流仿真 波 形 图为负载电流分 析，借助中对电流波形进行频 谱 分析，经控制后降至，结果如图所 示。滤波 效果显著但高次谐波跟踪能力较弱，未达到的国家标 准，接下来对复合控制过程 进 行仿 真，各电流波 形如图所示，其 分析结果如图 所示。环节采取复合控制算法。通过仿真分 析及样机实验得到以下结论：提出了一种混合自适应 滤波算法，可根据误 差 变化 调 整及算法在系统权值中占比，合理兼顾了各自算法的优点。改进后；法在保证谐 波检测精度的同时响应速度快了，提升了谐波检测性能；采用与重复 控制 结合的双闭环复合控制方式完成 谐波补偿，对比分析补偿结果。电网电流波形曲线 更 加圆滑，且系统在负载突变第个周期有明显跟踪，在 第个周期进入稳态。补偿后电 网 电流谐波含量降 至以下，符合国家 标准。以上结果表明系统具有良好动态响应能 力以及更好的谐波补偿能力。参考文献霍现旭，项添春，李树鹏，等一种 电动 汽车充电系统单 相整流有源滤 波方 法电气传动，（）：张允，陆 佳政，李波利用有 源滤波功能的新 型电动汽车 交流充电桩高电压技术，（）：吴建章，梅飞，陈畅，等基于经验小波 变换的电力系 统谐 波 检测方法电 力系统保护与控制，（）：彭江伟单 相 并 联 型非期望 谐波电流抑制策略 研究武汉：华中科 技大 学，周文 杰基于互联网光 伏充电粧研宄与设计南宁：广 西大学，陆康，刁倩有源滤波器在 不同网络中的应用分析电力系统 保护与控制，（）：，？，：？，？，（）：柳思宇电动 汽车充电桩有源功 率因数校正与控 制系统设计哈尔滨：哈 尔滨理工大学，邵振国，许昊 钼，肖颂勇，等新能源电 网 中 的谐波问题电力 系统保护与控制，（）：陈兆岭有源电力滤波器谐波电流检测与跟踪控制研宂镇江：江苏大学，？：？，（）：，：、力、二？：、？