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新型车载双向充电方案,提升系统可靠性

作者:中国储能网新闻中心 来源:电气新科技 发布时间:2020-03-25 浏览:
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汽车向用户供电时,会出现由于负载不平衡而引起的母线电压振荡、电流不平衡等问题。为此,西安工业大学电子信息工程学院的研究人员付永升、李静、胡文婷、雷鸣,在2019年第24期《电工技术学报》上撰文,设计了适用于工作在V2H模式下的车载三相四线双向充电器。采用分裂电容并结合中线桥臂作为负载不平衡时中线电流的回路,以抑制因负载不平衡引起的分裂电容两端电压振荡问题。

近年来随着电动汽车所有权需求的逐渐增加,利用电动汽车作为能量的存储系统与电网进行能量的双向交换,使其成为电力系统能量管理体系的有机组成部分,并已成为发展电动汽车新的附加价值的主要研究方向,在电网管理方面拥有巨大的吸引力。

向用户供电(Vehicle-to-Home, V2H)或向负载供电(Vehicle-to-Load, V2L)作为电动汽车一个新的应用价值在汽车行业受到广泛关注。其利用AC-DC充电系统能量双向流动的功能,在用电高峰期或特殊情况时并网或直接向用户供电,可视为一种新型分布式供电系统。同时V2H的推广应用意味着可再生能源发电渗透率的提升,这些都对节能减排和智能电网的发展有着重要意义。

目前已有较多文献对V2H模式的应用做了相应的研究。尼桑提出的“LEAF-to-home”供电系统,其使用车身的电池通过固定的电能转换桩为住宅供电,但其转换桩只能安装在固定的地面,不方便随车携带。有学者提出并完成了单相以及双向的电动汽车并网(Vehicle-to-Grid, V2G)与V2H车载充电系统。有学者采用传统的三相逆变器设计了双向的三相AC-DC转换器,采用传统的dq变换在平衡负载下完成了5kW的V2H功能,并测试给出了2~5kW负载突增情况时的测试波形。

V2H模式中,为满足用户的需求,双向充电系统需向单相和三相负载混合供电。需要一条中线来为不平衡负载提供一个电流回路,此时如果中线提供的中点没有得到较好的平衡,可能会导致不平衡或变化的交流输出电压、直流电压/电流分量,或更严重的问题。因而,利用简单有效的方式产生一个平衡的中点已成为一个重要研究方向。

但在相关学者研究中没有提及不平衡负载时对系统的影响及相应的解决方案。为满足单相与三相负载的混合供电并防止因不平衡负载引起系统损坏,常用的三相四线逆变器是在三相逆变桥母线中添加一个串联电容来实现,其串联电容的中点为零序电流提供回路,此电流在本文中称为中线电流,串联的两个电容称为分裂电容。但在不平衡负载情况下,分裂电容电压会发生振荡,且振荡的幅值与电容呈反比,与负载的不平衡度呈正比。因此需要有效的控制方法在负载不平衡时减小电容电压纹波,保证系统可靠安全运行。

同时通过分裂电容实现不平衡负载下中线电流回路的方法存在两方面的缺点:①需要的电容值较大;②需要的电容耐压值大。

有学者采用三相四线拓扑结构建立了10kW的V2H系统,分裂电容采用3000μF,且对分裂电容值的选择及不平衡负载对母线电容的影响没有说明。有学者展示了一个分裂电容的三相四线逆变器,其采用3-MPWM控制策略通过减小开关管的斩波频率降低系统开关损耗,进而提高系统性能。但对于非平衡负载时没有做分析。

在相关学者的研究中提出一种提供中线的更好方法,在传统的三桥臂变换器上增加第四个桥臂,称之为中线桥臂。在这种情况下,中线电压不再在直流源两端保持平衡,从而导致两个直流端子上出现相对于中线的高频电压,此时,直流端子可能变为一个电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)源。

在相关学者的研究只使用四个桥臂并采用叠加的控制方法,通过记录输出电压的误差信号修正传输电压,在线性或非线性负载变换时保证输出电压总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)小于3%。相比于分裂电容式的三相四线拓扑结构,增加中线桥臂的一个优势在于交流电压的输出可以提高15%,但新增的中线桥臂无法实现独立控制来获得稳定中点,因此相应的控制设计变得很复杂。

同样使用中线桥臂作为中线电流的回路在在相关学者的研究提出,其主要分析了感性、容性和阻性负载以及整流二极管作为逆变器负载时各自的优缺点,为不平衡负载下系统的控制奠定了基础。为了提高系统的效率,基于SVPWM的低开关损耗的中点电位平衡方法在在相关学者的研究提出,通过分裂电容并增加额外的开关管,采用SPWM在三相四线逆变器不平衡负载中实现了零电压软开关(Zero Voltage Switching, ZVS),然而没有阐述母线电容值的选择与负载不平衡度之间的关系。

有学者主要阐述了三相四线逆变器不同控制策略的优缺点,提出了电流内环的重要性。基于以上两个拓扑结构的分析,有学者提出分裂电容与中线桥臂同时使用于三相四线逆变器中,阐述了不同控制方法以适应各种不平衡负载,但对于负载不平衡度与母线电容电压振荡幅值之间的关系没有分析,尤其对于中线桥臂在抑制分裂电容电压振荡时的工作频率没有做任何分析。

根据以上分析,本设计所使用的拓扑结构三相输出能够分别独立控制,且由于大部分中线电流不再流过分裂电容,因此避免了大容量分裂电容的需求,从而节约了质量、体积及成本。同时此系统在V2H模式下,尤其在不平衡负载中分裂电容值的选择与不平衡度之间的关系及系统软启动方面很少有文章介绍。

针对目前的研究现状及相关技术的不足,结合具体的科研项目,西安工业大学电子信息工程学院的研究人员采用分裂电容与中线桥臂相结合的方式设计了一套车载的三相四线双向充电器系统,主要研究了其在V2H模式下不平衡负载情况时的应用。

研究者主要分析了不平衡负载下由不平衡电流引起的母线电容电压振荡与输出电压振荡的问题,给出了根据负载不平衡度母线电容值的选择依据。提出采用控制中线桥臂开关管工作的方法实现母线电容电压平衡。

首先以10kW充电系统为目标选择系统参数,通过仿真说明了不平衡负载发生时对系统的影响。其次通过搭建试验平台,以1.2kW不平衡负载作为对象采集试验数据,通过与仿真数据对比验证了不平衡负载发生时采用中线控制母线电容电压与输出电压理论方法的可行性。

最终为了保证系统在实际生活中的可靠性,提出了采用死区时间调节的控制方法实现系统的软系统。采用双有源桥与三相四线逆变器级联完成了10kW的V2H样机,不平衡负载由切换纯电阻负载模拟完成,实验数据与仿真值匹配,验证了所提方案的有效性。

以上研究成果已发表在2019年第24期《电工技术学报》,论文标题为“不平衡负载下车载三相四线双向充电器中线桥臂控制与软启动设计”,作者为付永升、李静、胡文婷、雷鸣。

关键字:充电桩

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