介绍一种基于两电平变流器的多功能充电桩控制方法

引言

随着我国电动汽车的发展，国内的电动汽车充电桩安装数量越来越多，需求量呈直线上升趋势[1-2]。未来小区和楼宇设计按照国家相关规定也必须配置充电桩装置[3]，因此充电桩的需求和应用前景十分广阔。电动汽车充电主要分为交流充电和直流充电两种形式。直流充电桩作为常用充电桩，不需要电动车自带AD/DC或DC/DC功能即可直接充电，应用十分广泛。但目前的充电桩只具备充电功能，基本是专门为电动汽车充电量身打造的[4-5]。

工业和民用小区常常存在一些非线性负载及一些大感性负载，会导致电网无功缺口，使得功率因数降低，造成电网供电质量下降，同时也降低了电网的电能输送效率。包括很多充电桩在内，由于采用不可控整流桥等变流设备，也会产生一定的谐波污染[6]。为了解决这个问题，需要就地对负荷进行无功补偿，比如安装APF、SVC、SVG等无功补偿装置来提高功率因数，抑制谐波污染。

充电桩本质上是基于电力电子技术的变流装置，数量庞大的充电桩，如果仅仅用于充电，很可能造成资源浪费，如能赋予充电桩更多的功能则可大大提高设备的利用率和应用价值。基于此，提出了一种基于两电平变流器的多功能充电桩，其同时具备充电、无功补偿以及利用用户电池逆变发电功能，能实现充电桩的四象限运行。

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充电桩的系统构成

多功能充电桩的系统构成如图1所示。

1.1  主要功能单元介绍

图1中，三相电网接口，用于充电桩接入电网；电抗器单元，用于输出滤波作用；功率单元，作为全控整流和逆变桥；支撑电容，除了滤波作用之外，一般取容值较大，作为直流储能单元；双向DC/DC，实现直流母线和电动车充电电压的转换匹配；充电接口，实现与充电目标设备的对接、设备连接状态检测和电压检测匹配功能；控制器单元，负责充电控制、无功发出指令运算和逆变发电控制。

1.2  充电接口

图1所示的系统构成中充电接口又细分为三个小部分，分别是：电压传感器LEM、接触器开关单元和设备连接状态检测单元。其中电压传感器实现对充电目标设备的直流电压测量；接触器开关实现闭合投入充电设备；设备连接状态检测，用于检测目标设备是否已经连接充电桩。

1.3  传感器和支撑电容

图1中的电流传感器，具体作用是测量必要的三相电流iA、iB和iC；电网和支撑电容的电压传感器LEM，作用是测量三相电网电压eA、eB和eC以及支撑电容的直流电压Udc。

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充电桩的多功能说明

多功能充电桩的功能主要归纳为四项，分别为：

1）可以实现对目标设备充电功能；

2）功率单元采用PWM可控前端整流技术，可以动态调整支撑电容的电压值，且不会向电网注入谐波；

3）通过给定无功指令，让充电桩在给设备充电的同时，向电网注入一定的感性或容性无功，实现无功补偿功能，以提高电网用电功率因数；

4）当电网停电或不具备供电能力时，通过电动汽车等设备接入充电桩，实现逆变发电功能。

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充电桩的控制方法

3.1  功率模块控制原理

多功能充电桩的核心模块为功率单元，其控制原理框图如图2所示。

图2中iq为发出无功功率电流给定，无功功率补偿量的测量和估计主要依靠较成熟的基于旋转坐标分离法实现。如果所测量和估计的补偿量给定为三相坐标系下的数值，则需要通过坐标变换转化为旋转坐标系下补偿量。图2中，id是充电桩有功充电电流指令或发电电流指令，由充电或逆变瞬时功率需求决定。Udc为支撑电容电压值，与给定电压值Udc*作为PI控制器的输入，只在充电和无功补偿时加入控制器运算；在充电桩作为逆变发电状态时，支撑电容的电压由双向DC/DC控制，此时Udc的PI环节脱离控制器不参与运算。

无功指令、有功指令和支撑电容电压控制指令综合后，通过坐标反变换得到三相静止坐标系下的控制量，并作为功率单元控制内环的输入量，即内环电流给定。内环电流给定和测量反馈的实测三相电流取差值进入PI控制器。PI控制器的输出和三相电压做差并取反后，再次进行3/2坐标变换，得到SVPWM参考电压指令，并最终输出控制脉冲。

四象限的能量流动方向完全是依靠id、iq的给定值正负符号决定的。假设电流参考方向中从电网逆变器流向逆变器为正方向，则id为正代表充电模式，id为负代表发电模式；iq为正代表输出感性无功，iq为负代表输出容性无功。

3.2  控制选择模式流程图

控制选择模式流程图如图3所示。

模式流程的目的是确定充电桩在充电、无功补偿、发电功能之间的切换条件。充电桩的工作状态主要可以概括为以下4种：充电、充电+无功补偿、无功补偿、发电。具体的判断条件和状态跳转如图3所示。

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充电桩四象限工况验证

以Maltab软件为工具，对多功能充电桩的空载整流、充电、充电+感性无功补偿、充电+容性无功补偿和发电工况进行了模拟仿真，无功给定、有功给定、功率因数以及对应电压/电流波形如图4所示。

仿真中，空载状态：id、iq给定为0 A，支撑电容电压为Udc=720 V；充电状态：Udc=720 V，充电有功电流id=14 A，无功给定为iq=0 A，从图4中可以看出，此时电流和电网电压同相位；充电+感性无功补偿状态：Udc=720 V，id=14 A，iq=14 A，此时电流落后电网电压相位；充电+容性无功补偿状态：Udc=720 V，id=14 A，iq=-14 A，电流超前电网电压相位；发电状态：Udc=720 V，由双向DC/DC控制，id=-14 A，iq=0 A，电流和电网电压相位相反。从三相电压和电流波形可以看出，所设计的多功能充电桩出色地完成了充电、充电+补偿、发电等多象限运行，波形正弦度好，相位关系清晰，很好地验证了多功能充电桩的多功能特性。

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结束语

本文提出了一种基于两电平变流器的多功能充电桩控制方法，通过整流器有源前端PWM控制技术，实现充电桩的多功能运行。该多功能充电桩主要功能包括基本充电功能、向电网注入感性或容性电流的无功补偿功能、应急电源功能，其优点在于：不会向电网注入谐波，无功补偿时可提高电网局部功率因数，可充当应急三相电源变换器。通过仿真验证了多功能充电桩的可行性和正确性。  

审核编辑：刘清