电动汽车充电站谐波解析模型及放大效应研究

摘要

本论文受国家自然科学基金（51277184）项目资助。
　　电动汽车以其环保节能的优点，成为目前缓解环境污染和能源危机的有效途径之一。然而，随着电动汽车的推广应用，非线性大功率充电机接入电网规模逐渐增加，将对电网产生不容忽视的谐波影响，尤其以早前投运充电站中三相不控整流充电机最为严重。充电机交流侧电流谐波分量经系统阻抗传递后，会引起电网电压波动和电能损耗，影响变压器使用寿命，并对其他计量和监测设备产生危害。为补偿充电机的电流谐波，电动汽车充电站通常会配置有源滤波器（ActivePowerFilter，APF）。并联APF通过在线检测充电站谐波电流分量并注入反向电流，以抑制充电站公共连接点注入电网的电流谐波，但可能会使流过集电母线的充电电流谐波出现放大效应，导致并联APF过载或谐波不能完全补偿等问题。因此，深入研究电动汽车充电机的谐波解析计算方法，以及充电站放大效应具有重要意义。论文主要内容如下：
　　①针对采用无源功率因数校正的三相不控整流充电机，分析其在充电电流连续和断续模式的工作原理，根据充电过程中电压和电流平衡方程，推导充电机的频域谐波耦合导纳矩阵，并由充电等效电路得到不同模式下的谐波导纳矩阵参数，由此建立电动汽车充电机频域谐波解析模型。该模型将充电机时域非线性特征变换成频域线性导纳矩阵，以表征其各次谐波电流与机端各次谐波电压的耦合关系。最后，通过仿真和实验分析验证了该模型的正确性。
　　②根据不同工况下电动汽车三相充电机导通过程的电路约束，通过交流侧电压电流实测波形记录和特征数据提取，推导充电机等效电路滤波电感、电容和电阻参数的解析式，提出基于实测的三相不控整流充电机参数估算方法；将相同型号机组等值，结合充电机频域谐波模型推导，建立电动汽车三相不控整流充电站谐波解析模型。利用仿真、实验和现场测试对充电机参数估计方法和充电站谐波解析模型进行验证，并分析充电机谐波电流特性的参数灵敏度。
　　③考虑充电机交流侧电压与电流各次谐波分量之间的耦合关系，定义电动汽车充电站总谐波电流放大系数，提出一种充电站集电母线电流谐波放大程度的量化方法，该方法实现了电流谐波放大效应的解析计算且具有较高精度。在此基础上，利用仿真和计算分析谐波放大系数随充电机台数、有源滤波补偿率及相位差等因素的变化规律，为有源滤波器容量配置与控制设计提供依据。
　　④基于电动汽车充电站谐波放大效应的研究，结合三相不控整流充电机谐波解析模型，通过交流电压电流实际运行波形的测试记录，推导并联APF过载系数解析式用于修正APF容量。利用某电动客车充换电站测试结果验证了所提方法的可行性。

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目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作

2 电动汽车三相不控整流充电机频域谐波建模

2.1 引言

2.2 电动汽车充电机整流电路及工作模式

2.3 电动汽车充电机频域谐波解析模型

2.4 仿真和实验分析

2.5 小结

3 电动汽车三相不控整流充电站谐波实测建模

3.1 引言

3.2 电动汽车充电机等效电路参数估算

3.3 电动汽车充电站频域谐波解析建模

3.4 实验验证

3.5 现场测试

3.6 小结

4 电动汽车充电站谐波放大效应与并联APF容量修正

4.1 引言

4.2 电动汽车充电站谐波放大效应

4.3 电动汽车充电站谐波放大效应的量化计算

4.4 电动汽车充电站谐波放大效应影响因素及变化规律

4.5 计及谐波放大的充电站并联APF容量修正

4.6 小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间取得的专利

C. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目