利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩

利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩

陈必京

广州南方电力集团科技发展有限公司510245

摘要：电动汽车的主要供电设施是交流充电桩，在我国，在设计交流充电桩时，没有充分考虑交流充电桩的谐波对各类电路的影响。基于此，本文通过对新型电动汽车交流充电桩的工作原理和APF控制系统的介绍，论述了利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统的设计。

关键词：有源滤波功能；新型电动汽车；交流充电桩

前言：在我国，随着科学技术的不断发展，新能源的应用越来越广泛。目前世界各国相关部门都在积极的制定减排计划，对汽车尾气进行减排是其中的重要组成部分。在这种情况下，电动汽车得以快速发展，电动汽车改变传统燃油驱动系统，以电力作为电动汽车的动力源头，在节能、环保中做出了非常大的贡献，逐渐成为汽车行业发展的主要方向。

1新型电动汽车交流充电桩的工作原理和APF控制系统

1.1新型电动汽车交流充电桩的工作原理

在新型电动汽车交流充电桩工作时，交流电首先要经过采样和EMI电路；其次经过对整个交流电不控制的全桥，通过校正APFC功率因数、高频率变压器，对全桥进行逆变、整流，使交流电变成直流电；最后经过LC滤波，一次滤波后，为电动汽车交流充电桩提供了频率比较高的功率变换器，这个变换器能够通过直直变换的方法将直流输出。二次滤波之后为电动汽车的电池进行充电。电动汽车的交流充电桩所采用的充电模式是常规的充电模式。充电桩的液晶显示屏幕为交互界面提供了触屏功能，在对电动汽车进行充电时可以选用自行选择所需的功能，如限定时间功能、限定电量功能、限定金额功能。利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩在3-4个小时内就能将蓄电池充满。由于交流充电桩的成本并不是很高，所以大部分充电桩都放置在停车场内，非常适合慢充动力电池。

1.2APF控制系统

APF的控制系统对电动汽车交流充电桩的控制主要体现在两方面，其一是慢一拍的控制，其二是控制电压的外环，电流的内环。在电流经过时，APF会对电流内环进行测量，如果出现误差，电流在经过复合控制器之后，会自动生成控制信号α（k），由于是慢一拍的控制，所以输出信号为α（k+1）。交流充电桩的的主要特点是充电器内部电路整流是不受控制的，且是非线性负载，同时，还包括非常多的谐波电流和一小部分的无功电流。APF的控制系统会随着频率的改变而受到影响。

2利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统的设计

2.1重复控制理论作为设计基础

重复控制理论的中心理念为在系统处于极度稳定时，系统处于理想状态下，即稳定状态的误差无限趋近于零，因此，必须要对有源滤波功能建立数学模型，从而构建一个控制系统，且这个系统必须是闭环的。由于具备有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩中所应用的有源滤波器的电流指令是由基础频率和倍增频率等非常多的交流信号相互叠加构成的。根据重复控制理论，构建出相应的数学模型，这些谐波信号的重复周期是工频周期，以此可以得出系统中信号发生器的表达式：

R（x）=1/1-x-N

其中式中的N为每个基础频率周期的采样次数。由于APF控制系统所采用的是滞后一拍的控制方式，所以控制器在对电流进行控制过程中，会使谐波补偿出现一定的跟踪误差，导致控制系统在处理电流与电压之间的关系时的效果不是很明显。

2.2有源滤波器的数学模型的构建

根据重复控制理论，可以得出关于有源滤波器交流侧电路的计算公式：

α=αs-L×disb/dt-risb

α=nUdc

式中的α（k）有源滤波器交流侧电压；r为等效阻抗；Udc为有源滤波器的直流侧电压；n为开关函数。为了方便具有有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统的设计，对谐波信号的重复周期作均权处理，由于有源滤波器的工频比开关频率低很多，所以可以用瞬时值代替αs的平均值，当α的瞬时值与周期的均值相等时，r的影响忽略不计。可以的到有源滤波器的数学模型：

α=αs-1/T×（L×disb/dt-risb）dt

有源滤波器的应用能够使电动汽车交流充电桩在对电动汽车进行充电时的电流和电压进行滤波处理，可以使交流充电桩在充电时不受充电器谐波的干扰。有源滤波器的是否正常运行，对于电动汽车交流充电桩的是否正常充电没有影响。具有有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩电路的一次拓扑和二次拓扑能够同时实现有源滤波器的开关自动控制。

2.3复合控制器的设计

根据构建的有源滤波器数学模型来看，利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统中的电流指令与其输出的电流之间的关系密不可分。比例控制器对于利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统存在的电流和电压误差能够很快的进行反馈。在对复合控制器设计的过程中，需要用到交流充电桩中重复控制器对控制对象的等效表达式：

W（z）=G（z）/1+kpG（z）

式中的kp的取值范围为0<kp<1。

在设计有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统时，由于对有源滤波器输出波形的质量要求非常高，同时对系统中每个相位的谐波信号进行相应的补偿。因此，在有源滤波器的数字控制要相较于控制对象的落后一个相位。这样有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统就能够对电动汽车所产生的谐波信号进行有效的控制。

结论：综上所述，新型电动汽车交流充电桩的应用在一定程度上改善了电动汽车电池蓄力充电的问题。经过上文分析可得，重复控制理论是有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩复合系统的设计基础；有源滤波器的数学模型的构建，能够实现良好的跟踪能力；复合控制器的设计，能够对电动汽车所产生的谐波信号进行有效的控制。因此，电动汽车交流充电桩中利用有源滤波功能是非常有意义的。

参考文献：

[1]王素娥，王科磊，郝鹏飞.具有有源滤波功能的UPS电源设计[J].电子技术应用，2017，43（09）：154-158.

[2]杨金涛，曹军威，张华赢，乐健.具有串联有源滤波功能的中压动态电压恢复器设计[J].电测与仪表，2016，53（09）：105-111.