一种电动汽车充电站的无功补偿装置的制作方法

本发明涉及供配电领域，涉及电动汽车充电站系统，具体涉及一种电动汽车充电站的无功补偿装置。

技术背景

现在电动汽车充电站，例如公交汽车充电站，都安装很多充电桩，每个充电桩都接到380V配电网上，三相电流经过充电桩内部的三相不控整流桥整流，滤波后的直流电压经过高频DC-DC变换，输出所设定的直流电压，经过滤波给电动汽车的蓄电池充电。

现在的充电桩都可以受控工作在不同的时段和不同的充电电流，而且在这些工况下充电时其对电网的功率因数都是很高的，功率因数接近1。但是一旦停止充电，充电桩内部的电容对电网呈容性，功率因数接近0-，某充电站的无功功率变化如图1所示。在图1中曲线2的底部表示全部充电桩空载时的容性无功功率，曲线1的底部表示部分充电桩空载时的容性无功功率。 一般充电桩在一天中充电的时间较少，不充电的时间较长。因此充电站可能导致月功率因数不达标。

目前，解决电动汽车充电站的无功问题的手段都没有针对它的特点：充电时它的功率因数为1，不充电时他的功率因数为0-，且一天中不充电的时间较长。现行的方案都是普通工况下的无功补偿方案，典型的技术有两种：技术方案1，一种延长充电站无功补偿电容寿命的电路，申请号：20162117859.7，它在充点站接入不同容量的电容，接的越多，容性无功容量越大， 显然不适用于现在的充电站工况。技术方案2 一种用于单纯电动公交充电站的直流供电系统及其充电站 申请号：201410249223.1，其补偿方案采用SVG,SVG作为可调电容时，其电流波形好，运行稳定。 但如图1所示，充电站需要补偿感性无功，需要SVG作为可调电抗来补偿感性无功功率，这时其输出电流波形很差，会产生很大的谐波电流，而且运行不稳定。这就导致SVG可靠性差，SVG的价格也高。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种适用于电动汽车充电站的无功补偿装置，它能够提高电动汽车充电站的功率因数，使充电站的月功率因数达标。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 目前技术水平的充电桩充电时，不管充电电流系数多大，其功率因数都接近1，不需要进行补偿。一个充电站有多个充电桩并联运行，如图2； 在不充电时，充电桩对电网呈容性，空载功率因数为0-（cos超前），当一个充电站全部或多个充电桩空载时，这容性的无功功率是比较大的，会使月功率因数降低。 针对容性无功引起的功率因数的绝对值<1且超前，本发明采用可调电抗进行补偿。可调电抗器的电流波形很好，运行稳定，价格比SCG也低得多。

本发明的第一种补偿方案，采用带抽头的可调电抗器进行补偿，如图2所示。它由单元I, III, IV, V组成。当充电桩充电时它的近似等于1，它的功率因数不需要补偿。而当充电桩不充电时，它处于空载状态，它的近似等于0-，故可用一个电容器来等效它。单元III包含m个处于空载状态的充电桩(m≤300), 每个处于空载状态的充电桩用一个电容器来等效，这m个电容器并联在一起标纪为24。 单元I包含带有n个抽头的可调电抗器21(n≤50)。单元V包含电压互感器22，电流互感器23。可调电抗器21与代表充电桩空载的的电容器24并联后，与电流互感器23串联，再接入电网AX， 电压互感器22与电源AX并联。

单元IV包含功率因数控制器，它根据由单元I输入的电压信号u，电流信号i，检测出AX端的功率因数，当的绝对值<1.0, 且超前时，它就发出指令，依次闭合开关K1，K2，K3，……, 直到的绝对值等于1.0（或设定值）。但闭合开关Kj （j=1，2，……20）时，其他开关要提前3-5秒断开。

图2是单相带抽头的可调电抗器补偿方案，用三组可以构成三相带抽头的可调电抗器补偿方案。

本发明的第二种补偿方案，采用多级可调电抗器进行补偿，如图3所示。它由单元I, III, IV,V组成。单元III包含m个处于空载状态的充电桩(m≤300), 每个处于空载状态的充电桩用一个电容器来等效，这m个电容器并联在一起标纪为34。当充电桩充电时它的近似等于1，它的功率因数不需要补偿。单元I包含n个电抗器(n≤50)组成的多级可调电抗器31。单元V包含电压互感器32，电流互感器33。多级可调电抗器31与代表充电桩空载的的电容器34并联后，与电流互感器33串联，再接入电网AX， 电压互感器32与电源AX并联。此n个电抗器的容量分配比例规律可以为：1，2，4，8，……。例如有三组电抗器，其容量比为1，2，4，则它们可以组合成 1，2，3，4，5，6，7 等7种电抗容量组合，其容量间隔相等。

单元IV包含功率因数控制器，它根据由单元I输入的电压信号u，电流信号i，检测出AX端的值，当的绝对值<1.0, 且超前时，它就发出指令，依次投入电抗容量1，2，3，4，5，6，7。 例如要投入电抗容量5，就要闭合开关1和4，断开开关2，的绝对值就等于1.0（或设定值）。

图3是单相多级可调电抗器补偿方案，用三组可以构成三相多级可调电抗器补偿方案。

本发明的第三种补偿方案，采用多级可调电抗器+小容量连续可调电抗器进行补偿，如图4所示。它由单元I, II, III, IV，V 组成。单元III包含m个处于空载状态的充电桩(m≤300), 每个处于空载状态的充电桩用一个电容器来等效，这m个电容器并联在一起标纪为44。当充电桩充电时它的值近似等于1，它的功率因数不需要补偿。 单元I包含n个电抗器(m≤50)组成的多级可调电抗器41。单元V包含电压互感器42，电流互感器43。单元II包含一个小容量的连续可调的电抗器45，其容量与单元I中的电抗器的容量间隔相等。多级可调电抗器41与小容量的连续可调的电抗器45并联，再与代表充电桩空载的电容器44并联在一起，然后与电流互感器43串联，再接入电网AX， 电压互感器42与电源AX并联。此n个电抗器的容量分配比例规律可以为：1，2，4，8，……。

例如有三组电抗器，其容量比为1，2，4，则它们可以组合成 容量为1，2，3，4，5，6，7 等7级可调电抗器，其容量间隔相等。单元II中的45是一个小容量的连续可调的电抗器，其容量与单元I中的电抗器的容量间隔相等。这种电抗器在技术上已经成熟，见专利：基于磁通补偿的可调电抗器系统 00114356。单元II中的小容量的连续可调的电抗器的电流波形很好，运行稳定，将它与单元I中的电抗器组并联，就将组与组的容量跳变（例如容量2，3）连续起来。这2种电抗器并联后再与代表充电桩空载的电容器44并联，然后与电流互感43器串联，再接入电网AX。

例如有三组电抗器，其容量比为1，2，4，则它们可以组合成容量为 1，2，3，4，5，6，7 等7级可调电抗器，假设总的电抗器容量为70kVar，则容量间隔为10kVar，可调电抗器45的容量就定为10kVar。单元IV包含功率因数控制器，它根据由单元I输入的电压信号u，电流信号i，检测出AX端的，当的绝对值<1.0, 且超前时，它就发出指令，依次投入电抗容量1，2，3，4，5，6，7。

若要投入补偿的电抗容量为54Kvar时，就要先闭合开关1和4，其他开关要断开，这样就投入了50kVar，而这时功率因数控制器就会发出指令，小容量的连续可调电抗器45就会自动调节到4kVar，总共投入54 KVar，的绝对值就等于1.0.

图4是单相分级可调电抗器+小容量连续可调电抗器，用三组可以构成三相分级可调电抗器+小容量连续可调电抗器。

附图说明

图1：传统充电站的无功功率变化图；

图2：第一种补偿方案，采用带抽头的可调电抗器进行补偿；

图3：第二种补偿方案，采用分级可调电抗器器进行补偿；

图4：第三种补偿方案，采用分级可调电抗器+小容量连续可调电抗器进行补偿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

设某充电站设置120kW的直流充电桩20台，每台需要补偿的无功量为1.8 kVar ，则需要补偿的总无功容量为20*1.8kVar=36 kVar。采用第一种补偿方案，如图2，m=20. 单元III包含20个处于空载状态的充电桩, 每个处于空载状态的充电桩用一个电容器来等效，这20个电容器并联在一起。在图2中，n=6, 即单元I包含带有6个抽头的可调电抗器, 容量分别为6，12，18，24，30，36 kVar。另外根据图2设置电压互感器，电流互感器。可调电抗器与代表充电桩的电容器并联后，与电流互感器串联，再接入电网AX， 电压互感器与电源AX并联。

单元IV包含功率因数控制器，它根据由单元I输入的电压信号u，电流信号i，检测AX端的，当的绝对值<1.0, 且超前时，它就发出指令，依次闭合开关K1，K2，K3，K4，K5，K6 ，当K6闭合时的绝对值接近1.0。但当K6闭合时时，其他开关要提前3-5秒断开。这时功率因数就被补偿到1. 当有10台充电桩充电时，还有10台充电桩处于空载状态，需要补偿的无功功率为18 kVar ，这时功率因数控制器选择K3 闭合，其他的开关提前断开。这时功率因数也被补偿到1。

实施例2

设某充电站设置120kW的直流充电桩40台，每台需要补偿的无功量为1.8 kVar ，则需要补偿的总无功容量为40*1.8kVar=72 kVar。

采用第三种补偿方案，采用多级可调电抗器+小容量连续可调电抗器进行补偿，如图4所示，m=40, 当40台充电桩全部处于空载时，每个处于空载状态的充电桩用一个电容器来等效，这40个电容器并联在一起。在图4中，n=4. 单元I包含4个电抗器，此4个电抗器的容量分配比例规律为：1，2，4，8。则它们可以组合成 1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15 等共组成的15级可调电抗器，其容量间隔相等，均为4.8 kVar。另外根据图4设置电压互感器，电流互感器。在单元II中连续可调的电抗器容量变化范围为0-4.5 kVar，它的电流波形很好，运行稳定，将它与单元I中的电抗器组并联，就将组与组的容量跳变（例如容量48，52.8）连续起来。这2种电抗器并联后再与电容器并联，然后电流互感器串联联，再接入电网AX。电压互感器与电源AX并联。

单元IV包含功率因数控制器，它根据由单元I输入的电压信号u，电流信号i，检测出AX端的 ，当的绝对值<1.0, 且超前时，它就发出指令，依次投入电抗容量1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15。

若要投入补偿的电抗容量为70kVar时，就要先闭合开关2，4，8，开关1要断开，这样就投入了67.2kVar，而这时功率因数控制器就会发出指令，可调电抗器就会自动调节到2.8kVar，总共投入70 kVar，的绝对值就被补偿到1.0。