CN111835007A - 充电装置以及充电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种充电装置以及充电控制方法，该装置包括：变压器、充电器、能量调节器以及控制器；变压器的原边绕组与配电网相连，配电网为充电装置提供第一输入功率；变压器的副边绕组分别与充电器的交流侧和能量调节器的交流侧连接；充电器的交流侧所需的功率为第二输入功率；控制器与能量调节器连接，通过控制能量调节器的交流侧电流，以补偿第二输入功率与第一输入功率之间的功率差额。本充电装置在尽可能降低硬件成本和空间成本的基础上，同时保证入网质量，降低公共电网负荷，确保大功率充电设备的稳定、高效运作。

Description

充电装置以及充电控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种充电装置以及充电控制方法。
背景技术
随着环境问题突出，全球多国纷纷指定制定支持电动车(Electrical Vehicles，简称：EV)发展的政策，配套的电动汽车充电***也不断得到完善。无论是直 流充电***或交流充电***，其输入侧均接入电网，出于电网质量的考虑，充 电***输入侧需保证较高的功率因数和较小的谐波含量。针对大功率快速充电 的应用，常采用直流充电***。
图1为现有技术中一种充电***的结构示意图。如图1所示，充电***包 括变压器、多个功率模块以及功率分配单元(Power Distribution Unit，简称：PDU)， 每个功率模块前级设有功率因数校正环节(Power Factor Correct，简称PFC)。 每个功率模块中加入单独的功率因数校正环节可以保证充电***工作在不同负 荷下都有较好的功率因数和较小的谐波，但会带来成本、体积和重量的增长， 同时功率因数校正环节将影响整体充电效率。图2为图1所示充电***中功率 模块的电路图，其设有PFC环节，电路控制复杂，需要全控器件，成本高。
图3为现有技术中另一种充电***的结构示意图。如图3所示，充电*** 包括变压器、充电模块以及有源滤波器。有源滤波器与充电模块并联，用于对 ***入网电流进行谐波补偿。图4为图3所示充电***中充电模块的电路图， 如图4所示，其未设置PFC环节。加入有源滤波器提升功率因数，减小谐波， 适用于多台并联的大功率***，可以有效的降低单个充电模块的成本和体积， 提高充电***的功率密度。但是针对并联台数较少的小功率充电***，额外的 有源滤波模块将增加充电***整体的体积和成本。
还有一种现有解决方案，在充电***中增加储能单元，但该方案中储能单 元仅提供有功功率为电网分担负荷，并没有对整个充电***进行功率因数校正 以及谐波补偿的功能。且充电***为分布式结构，每一个充电电路都必须增加 一路输入侧的检测电路，增加硬件成本。
为解决现有方案的局限性，本案提出一种充储一体的解决方案，在尽可能 降低硬件成本和空间成本的基础上，实现充电***进行大功率输出，同时保证 入网质量，降低公共电网负荷，确保大功率充电设备的稳定、高效运作。
发明内容
本发明提供一种充电装置以及充电控制方法，在尽可能降低硬件成本和空 间成本的基础上，实现充电***进行大功率输出，同时保证入网质量，降低公 共电网负荷，确保大功率充电设备的稳定、高效运作。
第一方面，本发明提供一种充电装置，包括：变压器、充电器以及能量调 节器；变压器的原边绕组与配电网相连，配电网为充电装置提供第一输入功率； 变压器的副边绕组分别与充电器的交流侧和能量调节器的交流侧连接；充电器 的交流侧所需的功率为第二输入功率；通过控制能量调节器的交流侧电流，以 补偿第二输入功率与第一输入功率之间的功率差额。
可选地，功率差额包含谐波分量和无功分量。
可选地，充电装置还包括控制器，控制器包括：采样单元，分别采集能量 调节器的交流侧电流和变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；指令生 成单元，提取充电总电流中的谐波电流和无功电流，谐波电流取反作为谐波补 偿指令，无功电流取反作为无功补偿指令，谐波补充指令与无功补偿指令叠加 生成补偿指令；电流控制单元，根据补偿指令控制能量调节器的交流侧电流， 使其跟踪补偿指令，以实现谐波分量补偿和无功分量补偿。
可选地，能量调节器的直流侧与储能元件连接，且功率差额包含有功分量、 谐波分量和无功分量。
可选地，充电装置还包括控制器，控制器包括：采样单元，分别采集能量 调节器的交流侧电流和变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；能量管 理单元，获取配电网的容量、充电器的充电功率以及储能元件的荷电状态，并 根据配电网的容量、充电功率以及荷电状态得到有功功率调节指令，并计算得 到有功电流指令；指令生成单元，提取充电总电流中的谐波电流和无功电流， 谐波电流取反作为谐波补偿指令，无功电流取反作为无功补偿指令，谐波补充 指令、无功补偿指令及有功电流指令叠加生成补偿指令；电流控制单元，根据 补偿指令控制能量调节器的交流侧电流，使其跟踪补偿指令，以实现有功分量补偿、谐波分量补偿和无功分量补偿。
可选地，若配电网的容量小于充电功率，且荷电状态大于下限值，储能元 件放电。
可选地，若配电网的容量大于充电功率，且荷电状态小于上限值时，储能 元件充电。
可选地，控制器为充电装置的主控制器，或控制器设置于能量调节器内部， 为能量调节器的本地控制器。
可选地，变压器为移相变压器；充电器包括N个充电单元，移相变压器设 有2N+1组副边绕组；其中，移相变压器的一组副边绕组与能量调节器的交流侧 连接；针对每个充电单元，充电单元的交流侧与移相变压器的两组副边绕组连 接。
可选地，变压器为多绕组变压器；充电器包括N个充电单元，多绕组变压 器有N+1组副边绕组；其中，多绕组变压器的一组副边绕组与能量调节器的交 流侧连接；针对每个充电单元，充电单元的交流侧与多绕组变压器的一组副边 绕组连接。
可选地，同一个充电单元连接的两组副边绕组的绕组连接方式不同。
可选地，变压器包含一组副边绕组，副边绕组分别与充电器的交流侧和能 量调节器的交流侧连接，且充电器中的变换器为隔离变换器。
第二方面，本发明提供一种充电控制方法，基于充电装置，充电装置包括： 变压器、充电器、能量调节器，其中，变压器的原边绕组与配电网相连；变压 器的副边绕组分别与充电器的交流侧和能量调节器的交流侧连接；方法包括： 配电网为充电装置提供第一输入功率；充电器的交流侧所需的功率为第二输入 功率；控制能量调节器的交流侧电流，以补偿第二输入功率与第一输入功率之 间的功率差额。
可选地，功率差额包含谐波分量和无功分量。
可选地，充电装置还包括控制器，控制器执行以下步骤：分别采集能量调 节器的交流侧电流和变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；提取充电 总电流中的谐波电流和无功电流，谐波电流取反作为谐波补偿指令，无功电流 取反作为无功补偿指令，谐波补充指令与无功补偿指令叠加生成补偿指令；根 据补偿指令控制能量调节器的交流侧电流，使其跟踪补偿指令，以补偿第二输 入功率与第一输入功率之间的功率差额。
可选地，充电装置还包括储能元件，能量调节器的直流侧与储能元件连接； 功率差额包含有功分量、谐波分量和无功分量。
可选地，充电装置还包括控制器，控制器执行以下步骤：分别采集能量调 节器的交流侧电流和变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；获取配电 网的容量、充电器的充电功率以及储能元件的荷电状态，并根据配电网的容量、 充电功率以及荷电状态得到有功功率调节指令，并计算得到有功电流指令；提 取充电总电流中的谐波电流和无功电流，谐波电流取反作为谐波补偿指令，无 功电流取反作为无功补偿指令，谐波补充指令、无功补偿指令及有功电流指令 叠加生成补偿指令；根据补偿指令控制能量调节器的交流侧电流，使其跟踪补 偿指令，以补偿第二输入功率与第一输入功率之间的功率差额。
可选地，若配电网的容量小于充电功率，且荷电状态大于下限值，储能元 件放电。
可选地，若配电网的容量大于充电功率，且荷电状态小于上限值时，储能 元件充电。
可选地，控制器为充电装置的主控制器，或控制器设置于能量调节器内部， 为能量调节器的本地控制器。
本发明提供一种充电装置以及充电控制方法，在充电装置中，能量调节器 与变压器的副边绕组相连，并利用控制器控制能量调节器的交流侧电流，以补 偿第二输入功率与第一输入功率之间的功率差额，相较于现有的充电装置，本 充电装置在尽可能降低硬件成本和空间成本的基础上，实现充电***进行大功 率输出，同时保证入网质量，降低公共电网负荷，确保大功率充电设备的稳定、 高效运作。
附图说明
图1为现有技术中一种充电***的结构示意图；
图2为图1所示充电***中功率单元的电路图；
图3为现有技术中另一种充电***的结构示意图；
图4为图3所示充电***中充电模块的电路图；
图5为本发明根据一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图6为本发明根据另一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图7为本发明根据图6所示实施例示出的充电装置中控制器的控制原理 图；
图8为本发明根据又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图9为本发明根据图8所示实施例示出的充电装置中控制器的控制原理 图；
图10为本发明根据再一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图11为本发明根据再又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图12为本发明根据另又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图13为本发明根据另又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图14为本发明根据另又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图；
图15为本发明根据一示例性实施例示出的充电控制方法的方法流程图；
图16为本发明根据另一示例性实施例示出的充电控制方法的方法流程 图；
图17为本发明根据另一示例性实施例示出的充电控制方法的方法流程 图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种充电装置以及充电控制方法，在尽可能降低硬件成本和空 间成本的基础上，实现充电***进行大功率输出，同时保证入网质量，降低公 共电网负荷，确保大功率充电设备的稳定、高效运作。本发明提出充储一体的 方案，在充电装置中增加储能单元对电网进行扩容，同时该储能单元可对整个 充电装置进行功率因数校正和谐波补偿。充电装置包括变压器、充电器、储能 单元。变压器的副边绕组与充电器的交流侧连接，变压器的副边绕组与储能单 元的交流侧连接，变压器的原边绕组与配电网连接。充电器的直流侧与充电设 备连接。储能单元可以仅包括能量调节器，补偿充电电流中的谐波分量和无功分量，对充电装置进行功率因数校正和谐波补偿。储能单元可以包括能量调节 器和储能元件，补偿充电电流中的有功分量、谐波分量和无功分量，对电网进 行扩容，同时对充电装置进行功率因数校正和谐波补偿。其中能量调节器可以 为多种结构的逆变器。
图5为本发明根据一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图。如图5 所示，本实施例提供的充电装置100，充电装置100包括：变压器110、充电器 120、能量调节器130以及控制器140。在本实施例中，变压器包括一组原边绕 组和一组副边绕组，且充电器中的变换器为隔离变换器。
在上述充电装置100中，变压器110的副边绕组与充电器120的交流端连 接，变压器110的副边绕组与能量调节器130的交流侧连接，变压器130的原 边绕组用于与配电网连接，充电器120的直流侧用于与充电设备连接，控制器 140的输出端与能量调节器150连接。
在上述充电装置100中，配电网为充电装置100提供第一输入功率，充电 器120的交流侧所需的功率为第二输入功率，控制器生成补偿指令，以控制能 量调节器的交流侧电流，能量调节器的交流侧电流用于实现补偿充电器120的 交流侧所需的第二输入功率与配电网输出的第一输入功率之间的功率差额。
进一步地，本实施例中的第一输入功率和第二输入功率为视在功率。
在本实施例提供的充电装置中，控制能量调节器的交流侧电流，以实现补 偿充电器的交流侧所需的第二输入功率与配电网输出的第一输入功率之间的功 率差额，本实施例的充电装置在尽可能降低硬件成本和空间成本的基础上，实 现充电***进行大功率输出，同时保证入网质量，降低公共电网负荷，确保大 功率充电设备的稳定、高效运作。
图6为本发明根据另一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图。如图6 所示，本实施例提供充电装置200，充电装置200包括：变压器210、充电器220、 能量调节器230以及控制器240。
在上述充电装置200中，控制器240包括采样单元241、指令生成单元242 以及电流控制单元243。其中，采样单元241的第一采集端位于能量调节器的交 流侧，第一采集端用于采集能量调节器230的交流侧电流，采样单元242的第 二采集端位于变压器的原边侧，第二采集端采集变压器的原边侧输入电流，变 压器的原边侧输入电流减去能量调节器的交流侧电流获得充电总电流。
需要说明的是，本发明中用于计算的能量调节器的交流侧电流，是指将其 实际采样电流折算到变压器原边，因为将采样得到的能量调节器的交流侧电流 折算到原边是公知技术，此处不再赘述，并默认用于计算的能量调节器的交流 侧电流为折算到原边后的电流。
指令生成单元242的输入端与采样单元241的输出连接，电流控制单元243 的输入端与指令生成单元242的输出端连接，指令生成单元用于提取充电总电 流中的谐波电流和无功电流，并将谐波电流取反作为谐波补偿指令，将无功电 流取反作为无功补偿指令，并将谐波补充指令与无功补偿指令叠加生成补偿指 令。电流控制单元接收补偿指令，并根据补偿指令控制能量调节器的交流侧电 流，使电流控制单元跟踪补偿指令，以实现对第二输入功率与第一输入功率之 间的功率差额补偿，其中，功率差额补偿包含谐波分量补偿和无功分量补偿。
图7为本发明根据图6所示实施例示出的充电装置中控制器的控制原理图。 如图7所示，变压器的原边侧输入电流Ig作为加法器的一个输入，能量调节器 的交流侧电流IPCS的取反作为加法器的另一个输入，加法器输出充电总电流 ILoad。充电总电流ILoad通过谐波提取环节获得谐波分量Iharmonic，充电总电 流ILoad通过无功分量提取环节获得无功分量Ireactive。并将谐波分量Iharmonic 取反作为谐波补偿指令，将无功电流Ireactive取反作为无功补偿指令。
将谐波补偿指令作为加法器的一路输入，无功补偿指令作为加法器的另一 路输入，加法器输出补偿指令。
在获得电流指令IRef之后利用电流环控制环节，控制能量调节器的交流侧 电流，使能量调节器的交流侧电流跟踪补偿指令，以实现谐波分量补偿和无功 分量补偿。
在本实施例提供的充电装置中，采样单元采集能量调节器的交流侧电流， 并变压器的原边侧输入电流，计算出充电总电流，并通过对充电总电流中谐波 分量和无功分量进行提取，以获得无功补偿指令和谐波补偿指令，以生成补偿 指令，实现谐波分量补偿和无功分量补偿。
图8为本发明根据又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图。如图8 所示，本实施例提供的充电装置300包括：变压器310、充电器320、能量调节 器330、控制器340以及储能元件350。
在上述充电装置300中，变压器310的一组副边绕组与充电器320的交流 端连接，变压器310的另一组副边绕组与能量调节器330的交流侧连接，变压 器310的原边绕组用于与配电网连接，充电器320的直流侧用于与充电设备连 接，控制器340的输出端与能量调节器330连接，能量调节器的直流侧与储能 元件连接。
在上述充电装置100中，配电网为充电装置300提供第一输入功率，充电 器320的交流侧所需的功率为第二输入功率，控制器生成补偿指令，以控制能 量调节器的交流侧电流，能量调节器的交流侧电流用于实现补偿充电器320的 交流侧所需的第二输入功率与配电网输出的第一输入功率之间的功率差额。
进一步地，本实施例中的第一输入功率和第二输入功率为视在功率。
在上述充电装置中，控制器包括采样单元341、能量管理单元342、指令生 成单元343以及电流控制单元344。其中，采样单元341的第一采集端位于能量 调节器的交流侧，第一采集端用于采集能量调节器330的交流侧电流，采样单 元242的第二采集端位于变压器的原边侧，第二采集端采集变压器的原边侧输 入电流，变压器的原边侧输入电流减去能量调节器330的交流侧电流获得充电 总电流。
需要说明的是当充电器中只包含单台充电单元，为一个充电设备供电，控 制器的第二采集端采集变压器的副边侧输出电流。变压器的副边侧输出电流减 去能量调节器的交流侧电流(无需折算到原边)获得充电总电流。
能量管理单元342用于获取配电网的容量、充电器的充电功率以及储能元 件的荷电状态，并根据配电网的容量、充电功率以及荷电状态得到有功功率调 节指令，并利用有功功率调节指令计算得到有功电流指令。
一般应用环境确定，配电网的容量就是固定的，可以直接输入到能量管理 单元。能量管理单元与充电器或充电器中的各个充电单元通讯获得充电器的充 电功率，具体地充电单元与对应的负载或充电设备(如电动汽车、充电桩等) 通讯获得各个负载的充电需求，所有充电需求相加得到充电功率，并将充电功 率上传到控制器。采集储能元件输出端的电信号(如储能元件的输出电压)或 与储能元件的电池管理***(Battery ManagementSystem，简称：BMS)通讯， 以获得储能元件的荷电状态。当然充电功率，储能元件的荷电状态也可通过直 接采样电信号获得，此处不做限制。
指令生成单元343的第一输入端与采样单元341的输出端连接，指令生成 单元343的第二输入端与能量管理单元342的输出端连接，指令生成单元343 用于提取充电总电流中的谐波电流和无功电流，并将谐波电流取反作为谐波补 偿指令，将无功电流取反作为无功补偿指令，并将谐波补充指令、无功补偿指 令以及能量管理单元输出的有功电流指令叠加生成补偿指令。
电流控制单元344的输入端与指令生成单元的输出端连接，根据补偿指令 控制能量调节器的交流侧电流，使能量调节器的交流侧电流跟踪补偿指令，以 实现有功分量补偿、谐波分量补偿和无功分量补偿。
图9为本发明根据图8所示实施例示出的充电装置中控制器的控制原理图。 如图9所示，控制器包括谐波提取处理环节、无功分量提取环节、电流环控制 环节以及功率调度层。
变压器的原边侧输入电流Ig作为加法器的一个输入，能量调节器的交流侧 电流IPCS的取反作为加法器的另一个输入，加法器输出充电总电流ILoad。充电 总电流ILoad通过谐波提取环节获得谐波分量Iharmonic，充电总电流ILoad通 过无功分量提取环节获得无功分量Ireactive。并将谐波分量Iharmonic取反作为 谐波补偿指令，将无功电流Ireactive取反作为无功补偿指令。
获取多个充电设备的充电需求Ir1、Ir2……、Irn，将每个充电设备的充电需 求作为加法器一路输入，加法器输出充电总需求，即为充电器的充电功率。充 电器的充电功率、配电网的容量以及储能元件的荷电状态均作为功率调度层的 输入量，功率调度层根据上述三个输入量生成有功功率调节指令，并利用有功 功率调节指令计算得到有功电流指令。
将有功电流指令作为加法器的一路输入，谐波补偿指令作为加法器的一路 输入，无功补偿指令作为加法器的另一路输入，加法器输出补偿指令。
在获得补偿指令之后利用电流环环节，控制能量调节器的交流侧电流，使 能量调节器的交流侧电流跟踪补偿指令，以实现有功分量补偿、谐波分量补偿 和无功分量补偿。
作为一种具体实施方式，功率调度层采用如下方式根据充电器的充电功率、 配电网的容量以及储能元件的荷电状态获得有功电流指令。
判断配电网的容量是否小于充电功率，当配电网的容量小于充电功率时， 且储能元件的荷电状态大于下限值时，将充电容量和配电网的容量的差值作为 有功功率调节指令，储能元件放电。当配电网的容量大于充电功率时，且储能 元件的荷电状态小于上限值时，储能元件充电。将配电网的容量和充电容量的 差值与储能单元容量进行比较，当配电网的容量和充电容量的差值小于储能单 元容量时，配电网的容量和充电容量的差值作为有功功率调节指令；当配电网 的容量和充电容量的差值大于储能单元容量时，储能单元容量作为有功功率调 节指令。一般储能单元容量由能量调节器的容量决定。上述下限值和上限值根 据用户需求设定。有功功率调节指令除以电压得到有功电流指令。
在本实施例提供的充电装置中，由能量调节器和控制器对电网进行扩容， 特别适合用于配电线路扩容成本高、施工困难的城市充电站，如公交站台等， 可在充电负荷过大时为公共电网分担有功功率，延缓配电网的升级。同时能量 调节器和控制器可对整个充电装置进行功率因数校正和谐波补偿，以提升功率 因数和减少谐波分量。使充电装置能够进行大功率输出，同时保证入网质量， 降低公共电网负荷，确保大功率充电设备的稳定、高效运作。另外，本装置只 需要监测电网侧、能量调节器、充电器以及储能元件的电信号，可避免增加大 量硬件采样电路，使装置得到简化。
图10为本发明根据再一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图。如图 10所示，本实施例提供的充电装置400包括：变压器410、充电器420、能量调 节器430以及控制器440。其中，充电器420包括多个充电单元。控制器包括采 样单元、能量管理单元、指令生成单元以及电流控制单元。
在上述充电装置中，变压器420的副边绕组与能量调节器430的交流侧连 接，变压器420的副边绕组与充电器430的交流侧连接。其中，多个充电单元 的交流输入均与变压器410的副边绕组相连。
在上述充电装置中，采集单元的第一采集端位于能量调节器的交流侧，以 采集能量调节器的交流侧的电流信号，采集单元的第二采集端位于变压器的原 边绕组侧，以采集变压器中原边绕组的总电流信号。
一般应用环境确定，配电网的容量就是固定的，可以直接输入到能量管理 单元。能量管理单元与充电器或充电器中的各个充电单元通讯获得充电器的充 电功率，具体地充电单元与对应的负载或充电设备(如电动汽车、充电桩等) 通讯获得各个负载的充电需求，所有充电需求相加得到充电功率，并将充电功 率上传到控制器。采集储能元件输出端的电信号(如储能元件的输出电压)或 与储能元件的电池管理***通讯，以获得储能元件的荷电状态。当然充电功率， 储能元件的荷电状态也可通过直接采样电信号获得，此处不做限制。
能量管理单元、指令生成单元以及电流控制单元的运作方式与图8中所示 实施例类似，此处不再赘述。
在本实施例提供的充电装置中，由于能量调节器与充电单元直接并联，在 为电网扩容的同时却不需要增加变压器容量。但变压器为双绕组形式，只实现 电网与负载之间的电气隔离，车与车之间的隔离通过充电模块本身实现。
图11为本发明根据再又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图。如 图11所示，本实施例提供的充电装置500包括：多绕组变压器510、充电器520、 能量调节器530以及控制器540。其中，充电器520包括N个充电单元。
在上述充电装置500中，多绕组变压器510有N+1组副边绕组，多绕组变 压器510的一组副边绕组与能量调节器520的交流侧连接，多绕组变压器510 的N组副边绕组与N个充电单元的交流侧一一对应连接。
在上述充电装置500中，采集单元的第一采集端位于能量调节器的交流侧， 以采集能量调节器的交流侧的电流信号，控制器的第二采集端位于变压器的原 边绕组侧，以采集变压器的交流侧的电流信号。
一般应用环境确定，配电网的容量就是固定的，可以直接输入到能量管理 单元。能量管理单元与充电器或充电器中的各个充电单元通讯获得充电器的充 电功率，具体地充电单元与对应的负载或充电设备(如电动汽车、充电桩等) 通讯获得各个负载的充电需求，所有充电需求相加得到充电功率，并将充电功 率上传到控制器。采集储能元件输出端的电信号(如储能元件的输出电压)或 与储能元件的电池管理***通讯，以获得储能元件的荷电状态。当然充电功率， 储能元件的荷电状态也可通过直接采样电信号获得，此处不做限制。
能量管理单元、指令生成单元以及电流控制单元的运作方式与图8中所示 实施例类似，此处不再赘述。
在本实施例提供的充电装置中，提供扩容功能和谐波补偿功能，且各充电 单元接至不同变压器绕组实现互相之间的隔离，因此，充电模块可采用非隔离 拓扑，从而提高功率密度和充电效率。
目前有方案采用移相变压器实现多脉波整流来提高***功率因数，降低谐 波含量，如充电装置采用移相12脉波整流的方案，变压器两个副边绕组存在30 度相位差。此种架构尽管变压器副边绕组电流仍存在较大谐波含量，但两个副 边绕组的电流折合至原边高次谐波相互抵消，电网侧功率因数得到提高，谐波 含量降低，电网侧电流THD可被抑制在6％-7％，相较于不控整流方案已有明显 改善，但仍无法满足部分地区的入网要求。在此基础上，继续增加副边绕组数， 如在星型连接和三角型连接的基础上，增加延边三角型绕组，使四个绕组相位 互差15度，此时***构成24脉波整流，折合至变压器原边电网侧的谐波含量 进一步抵消降低。图12为本发明根据另又一示例性实施例示出的充电装置的结 构示意图。如图12所示，本实施例提供的充电装置600包括：多绕组变压器610、 充电器620、能量调节器630以及控制器640。其中，充电器620包括N个充电 单元。
在上述充电装置600中，多绕组变压器有2N+1组副边绕组；多绕组变压器 的一组副边绕组与能量调节器的交流侧连接，多相变压器620的另外2N组副边 绕组与充电器620的交流侧连接，多绕组变压器的每两组副边绕组与一个充电 单元的交流侧连接，且充电单元交流侧三相中两相与两组副边绕组连接，且与 同一个充电单元的交流侧连接的两组副边绕组的绕组连接方式不同。如图12所 示，两路输入之间存在30度相位差从而实现单模块12脉波整流，变压器绕组 分别为三角形和星型连接。
实际中并不局限为此种接法，也可移相其他角度实现24、36等脉波整流， 从而进一步提高模块功率因数。如在星型连接和三角型连接的基础上，增加延 边三角型绕组，使四个绕组相位互差15度，此时***构成24脉波整流，折合 至变压器原边电网侧的谐波含量进一步抵消降低。
在上述充电装置600中，采集单元的第一采集端位于能量调节器的交流侧， 以采集能量调节器的交流侧的电流信号，控制器的第二采集端位于变压器的原 边绕组侧，以采集变压器的交流侧的电流信号。
一般应用环境确定，配电网的容量就是固定的，可以直接输入到能量管理 单元。能量管理单元与充电器或充电器中的各个充电单元通讯获得充电器的充 电功率，具体地充电单元与对应的负载或充电设备(如电动汽车、充电桩等) 通讯获得各个负载的充电需求，所有充电需求相加得到充电功率，并将充电功 率上传到控制器。采集储能元件输出端的电信号(如储能元件的输出电压)或 与储能元件的电池管理***通讯，以获得储能元件的荷电状态。当然充电功率， 储能元件的荷电状态也可通过直接采样电信号获得，此处不做限制。
能量管理单元、指令生成单元以及电流控制单元的运作方式与图8中所示 实施例类似，此处不再赘述。
在本实施例提供的充电装置中，在多绕组变压器基础上，采用移相技术实 现多脉波整流可代替有源PFC电路，提高充电单元功率密度和充电效率。然而， 装置为电网扩容时变压器容量需要随之增加。
图13为本发明根据另又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图。如 图13所示，本实施例所示充电装置700中的控制器730位于能量调节器740内 部，该控制器为能量调节器740的本地控制器。而图6所示的充电装置，控制 器240为充电装置的主控制器。本实施例中的控制器730与图6所示实施例中 的控制器240功能相同，相关描述请参考上述实施例，此处不再赘述。
图14为本发明根据另又一示例性实施例示出的充电装置的结构示意图。如 图14所示，相较于图8所示充电装置，本实施例所示充电装置800中控制器830 位于能量调节器840内部，即该控制器为能量调节器840的本地控制器。而图8 所示的充电装置，控制器340为充电装置的主控制器。本实施例中的控制器830 与图8所示实施例中的控制器340功能相同，相关描述请参考上述实施例，此 处不再赘述。
本发明中的变压器、充电器、能量调节器均集成在一个柜体中，采集变压 器的原边侧电流及能量调节器的交流侧电流，计算得到充电器的交流输入电流。 充电器包含多个充电单元，无需每个充电单元设置检测装置，节省硬件成本。
本发明的充电装置中，加入能量调节器，对电网负荷和储能元件进行监测， 调节功率流动，为电网扩容以应付可能存在的大功率充电需求；同时监测整个 充电装置负载电流波形，通过无功和谐波补偿改善***入网质量。本发明的充 电装置可大大提高充电设备的功率密度，同时具有极高的充电效率和较好的系 统入网质量。
图15为本发明根据一示例性实施例示出的充电控制方法的方法流程图。本 实施例提供的充电控制方法基于上述图5和图6所示的充电装置。如图15所示， 本实施例提供的方法包括：
S901、配电网为充电装置提供第一输入功率，充电器的交流侧所需的功率 为第二输入功率。
更具体地，本实施例中的第一输入功率和第二输入功率是指视在功率。
控制器可以采集变压器的原边绕组的电信号，以获得配电网为充电装置提 供的第一输入功率，也可以采用其他方式获取配电网为充电装置提供的第一输 入功率。
S902、控制能量调节器的交流侧电流。
更具体地，控制器生成补偿指令，控制能量调节器根据补偿指令输出交流 侧电流，以补偿第二输入功率与第一输入功率之间的功率差额。
进一步地，本实施例中控制器为充电装置中的主控制器，但控制器也可以 是能量调节器中的本地控制器。
图16为本发明根据另一示例性实施例示出的充电控制方法的方法流程图。 本实施例提供的充电控制方法基于上述图5和图6所示的充电装置。如图16所 示，本实施例提供的充电控制方法包括：
S1101、配电网为充电装置提供第一输入功率，充电器的交流侧所需的功率 为第二输入功率。
进一步地，本实施例中的第一输入功率和第二输入功率为视在功率。
S1102、分别采集能量调节器的交流侧电流和变压器的原边侧输入电流，并 计算充电总电流。
更具体地，通过采集能量调节器的交流侧电流和变压器的原边侧输入电流， 将变压器的原边侧输入电流减去能量调节器的交流侧电流以获得充电总电流。
S1103、提取充电总电流中的谐波电流和无功电流，谐波电流取反作为谐波 补偿指令，无功电流取反作为无功补偿指令，谐波补充指令与无功补偿指令叠 加生成补偿指令。
更具体地，通过现有技术中的谐波电流提取方法和无功电流提取方法，获 得谐波电流和无功电流。并将谐波电流取反作为谐波补偿指令，无功电流取反 作为无功补偿指令，并让谐波补偿指令与无功补偿指令叠加生成补偿指令。
S1104、根据补偿指令控制能量调节器的交流侧电流，使其跟踪补偿指令。
更具体地，根据补偿指令利用电流环环节控制能量调节器的交流侧电流， 使能量调节器的交流侧电流跟踪补偿指令，以补偿第二输入功率与第一输入功 率之间的功率差额，其中，功率差额包括：谐波分量和无功分量。
图17为本发明根据另一示例性实施例示出的充电控制方法的方法流程图。 本实施例提供的充电控制方法基于上述图8和图10所示的充电装置。如图17 所示，本实施例提供的充电控制方法包括：
S1201、配电网为充电装置提供第一输入功率，充电器的交流侧所需的功率 为第二输入功率。
S1202、分别采集能量调节器的交流侧电流和变压器的原边侧输入电流，并 计算充电总电流。
S1203、获取配电网的容量、充电器的充电功率以及储能元件的荷电状态， 并根据配电网的容量、充电功率以及荷电状态得到有功功率调节指令，并计算 得到有功电流指令。
更具体地，一般应用环境确定配电网的容量就是固定的，可以直接输入到 能量管理单元。能量管理单元与充电器或充电器中的各个充电单元通讯获得充 电器的充电功率，具体地充电单元与对应的负载或充电设备(如电动汽车、充 电桩等)通讯获得各个负载的充电需求，所有充电需求相加得到充电功率，并 将充电功率上传到控制器。采集储能元件输出端的电信号(如储能元件的输出 电压)或与储能元件的电池管理***通讯，以获得储能元件的荷电状态。当然 充电功率，储能元件的荷电状态也可通过直接采样电信号获得，此处不做限制。
判断配电网的容量是否小于充电功率，当配电网的容量小于充电功率时， 且储能元件的荷电状态大于下限值时，将充电容量和配电网的容量的差值作为 有功功率调节指令，储能元件放电。当配电网的容量大于充电功率时，且储能 元件的荷电状态小于上限值时，储能元件充电。将配电网的容量和充电容量的 差值与储能单元容量进行比较，当配电网的容量和充电容量的差值小于储能单 元容量时，配电网的容量和充电容量的差值作为有功功率调节指令；当配电网 的容量和充电容量的差值大于储能单元容量时，储能单元容量作为有功功率调 节指令。一般储能单元容量由能量调节器的容量决定。
S1204、提取充电总电流中的谐波电流和无功电流，谐波电流取反作为谐波 补偿指令，无功电流取反作为无功补偿指令，谐波补充指令、无功补偿指令及 有功电流指令叠加生成补偿指令。
S1205、根据补偿指令控制能量调节器的交流侧电流，使其跟踪补偿指令。
更具体地，根据补偿指令利用电流环环节控制能量调节器的交流侧电流， 使能量调节器的交流侧电流跟踪补偿指令，以补偿第二输入功率与第一输入功 率之间的功率差额，其中，功率差额包括：有功分量、谐波分量和无功分量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (20)

1.一种充电装置，其特征在于，包括：变压器、充电器、能量调节器；
所述变压器的原边绕组与配电网相连，所述配电网为所述充电装置提供第一输入功率；
所述变压器的副边绕组分别与所述充电器的交流侧和所述能量调节器的交流侧连接；
所述充电器的交流侧所需的功率为第二输入功率；
通过控制所述能量调节器的交流侧电流，以补偿所述第二输入功率与所述第一输入功率之间的功率差额。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率差额包含谐波分量和无功分量。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述充电装置还包括控制器，所述控制器包括：
采样单元，分别采集所述能量调节器的交流侧电流和所述变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；
指令生成单元，提取所述充电总电流中的谐波电流和无功电流，所述谐波电流取反作为谐波补偿指令，所述无功电流取反作为无功补偿指令，所述谐波补充指令与所述无功补偿指令叠加生成补偿指令；
电流控制单元，根据所述补偿指令控制所述能量调节器的交流侧电流，使其跟踪所述补偿指令，以实现谐波分量补偿和无功分量补偿。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述能量调节器的直流侧与储能元件连接，且所述功率差额包含有功分量、谐波分量和无功分量。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述充电装置还包括控制器，所述控制器包括：
采样单元，分别采集所述能量调节器的交流侧电流和所述变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；
能量管理单元，获取所述配电网的容量、所述充电器的充电功率以及所述储能元件的荷电状态，并根据所述配电网的容量、所述充电功率以及所述荷电状态得到有功功率调节指令，并计算得到有功电流指令；
指令生成单元，提取所述充电总电流中的谐波电流和无功电流，所述谐波电流取反作为谐波补偿指令，所述无功电流取反作为无功补偿指令，所述谐波补充指令、所述无功补偿指令及所述有功电流指令叠加生成补偿指令；
电流控制单元，根据所述补偿指令控制所述能量调节器的交流侧电流，使其跟踪所述补偿指令，以实现有功分量补偿、谐波分量补偿和无功分量补偿。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
若所述配电网的容量小于所述充电功率，且所述荷电状态大于下限值，所述储能元件放电。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
若所述配电网的容量大于所述充电功率，且所述荷电状态小于上限值时，所述储能元件充电。
8.根据权利要求3或5任一项所述的装置，其特征在于，所述控制器为充电装置的主控制器，或所述控制器设置于所述能量调节器内部，为所述能量调节器的本地控制器。
9.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述变压器为移相变压器；
所述充电器包括N个充电单元，所述移相变压器设有2N+1组副边绕组；
其中，所述移相变压器的一组副边绕组与所述能量调节器的交流侧连接；
针对每个所述充电单元，所述充电单元的交流侧与所述移相变压器的两组副边绕组连接。
10.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述变压器为多绕组变压器；
所述充电器包括N个充电单元，所述多绕组变压器有N+1组副边绕组；
其中，所述多绕组变压器的一组副边绕组与所述能量调节器的交流侧连接；
针对每个所述充电单元，所述充电单元的交流侧与所述多绕组变压器的一组副边绕组连接。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，同一个所述充电单元连接的两组副边绕组的绕组连接方式不同。
12.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述变压器包含一组副边绕组，所述副边绕组分别与所述充电器的交流侧和所述能量调节器的交流侧连接，且所述充电器中的变换器为隔离变换器。
13.一种充电控制方法，其特征在于，基于充电装置，所述充电装置包括：变压器、充电器、能量调节器，其中，所述变压器的原边绕组与配电网相连；所述变压器的副边绕组分别与所述充电器的交流侧和所述能量调节器的交流侧连接；所述方法包括：
所述配电网为所述充电装置提供第一输入功率；
所述充电器的交流侧所需的功率为第二输入功率；
控制所述能量调节器的交流侧电流，以补偿所述第二输入功率与所述第一输入功率之间的功率差额。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述功率差额包含谐波分量和无功分量。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述充电装置还包括控制器，所述控制器执行以下步骤：
分别采集所述能量调节器的交流侧电流和所述变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；
提取所述充电总电流中的谐波电流和无功电流，所述谐波电流取反作为谐波补偿指令，所述无功电流取反作为无功补偿指令，所述谐波补充指令与所述无功补偿指令叠加生成补偿指令；
根据所述补偿指令控制所述能量调节器的交流侧电流，使其跟踪所述补偿指令，以补偿所述第二输入功率与所述第一输入功率之间的功率差额。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述充电装置还包括储能元件，所述能量调节器的直流侧与所述储能元件连接；所述功率差额包含有功分量、谐波分量和无功分量。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述充电装置还包括控制器，所述控制器执行以下步骤：
分别采集所述能量调节器的交流侧电流和所述变压器的原边侧输入电流，以计算充电总电流；
获取所述配电网的容量、所述充电器的充电功率以及所述储能元件的荷电状态，并根据所述配电网的容量、所述充电功率以及所述荷电状态得到有功功率调节指令，并计算得到有功电流指令；
提取所述充电总电流中的谐波电流和无功电流，所述谐波电流取反作为谐波补偿指令，所述无功电流取反作为无功补偿指令，所述谐波补充指令、所述无功补偿指令及所述有功电流指令叠加生成补偿指令；
根据所述补偿指令控制所述能量调节器的交流侧电流，使其跟踪所述补偿指令，以补偿所述第二输入功率与所述第一输入功率之间的功率差额。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，
若所述配电网的容量小于所述充电功率，且所述荷电状态大于下限值，所述储能元件放电。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，
若所述配电网的容量大于所述充电功率，且所述荷电状态小于上限值时，所述储能元件充电。
20.根据权利要求15至17任一项所述的方法，其特征在于，所述控制器为充电装置的从控制器，或所述控制器设置于所述能量调节器内部，为所述能量调节器的本地控制器。
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