低成本充电系统高性能多端口Vienna整流器关键控制策略研究

发布时间：2020-05-29 18:35

【摘要】：发展电动汽车是解决环境和能源危机的关键途径,更是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。直流充电系统作为电动汽车不可或缺的关键基础设施,已成为国计民生的重大急需。传统直流充电系统常采用“Vienna整流器与谐振变换器”的两级功率变换结构,因其具有成本低、功率密度高等优势得到市场推崇并广泛应用。但是,常规双端口Vienna整流拓扑不仅存在固有的中点电位振荡,系统可靠性差等问题,而且其直流侧电压恒定或只能高于交流侧峰值电压,使得充电系统仅依赖DC-DC变换器调节输出电压,难以满足全负载范围内高效运行需求。具有多电压等级灵活供电能力、柔性宽范围输出的多端口Vienna整流器则能有效解决这一问题,已成为国内外学术界研究的热点和难点。目前,多端口Vienna整流器相关理论和技术远未完善,依然存在直流不平衡运行机理不清、交直流侧电能质量差、不平衡负载扰动下多端口电压失稳等难题悬而未决。针对Vienna整流器存在的以上问题,本文首先提高双端口Vienna整流器可靠性;进一步研究多端口Vienna整流器低谐波调制技术;以此为基础,研究兼顾其交直流侧电能质量的调制方案;利用该调制方案,设计了输出分配结构的多端口Vienna整流器及其抗不平衡负载扰动控制策略。论文研究内容及创新点概述如下:针对双端口Vienna整流器中点电位振荡问题,本文结合电平转换思想简化了空间矢量调制;然后,根据空间矢量与载波调制等效原理,分析了开关状态对中点电位的影响;最后,实时计算中点电位的偏移量调节系数。仿真和试验结果表明:双端口Vienna整流器直流电压平衡后中点电位振荡得到有效抑制,振荡幅值降低约57%。该方法降低了传统双端口Vienna整流器直流侧电容与器件应力,进而降低直流充电系统设备故障率及运维成本。针对功率因数角及直流电压不平衡引起的交流输入电流畸变问题,首先根据Vienna整流器电流强制换向特性,研究并揭示了多端口Vienna整流器直流侧电压不平衡运行机理。进而巧妙地辨识了畸变异常区间,并提出了一种补偿与零序分量叠加注入的载波调制方案(Overlapped Component Injection Scheme,OCIS)。仿真和试验结果表明:OCIS与传统零序分量注入的载波调制相比有效降低了多端口Vienna整流器交流侧总谐波含量(直流电压平衡时THDi=1.1%、不平衡时THDi=1.4%)。多端口Vienna整流器不平衡运行机理及其低谐波调制技术可用于改善不平衡Vienna整流器交流侧电能质量,为充电系统绿色可靠用电奠定了坚实理论基础和技术支撑。针对多端口Vienna整流器交直流侧电能质量差问题,本文基于低谐波调制技术,提出了补偿分量与优化的零序分量分段注入载波调制方案(Segmented Component Injection Scheme,SCIS)。首先数值计算OCIS开关周期内中性点电流平均值;然后分析钳位区间电路运行,注入唯一补偿分量以消除交流侧电流畸变;同时精确计算优化分量并注入连续区间以抑制中性点电流波动;最后以输入电流谐波含量与输出中点电压波动交流分量有效值评价对比了 OCIS与SCIS交直流侧性能。该方案不仅可以在电压平衡时消除电流畸变,抑制直流侧电压波动,而且直流电压不平衡时同样有效,为多端口 Vienna整流器提供了理想调制方案。针对不平衡负载扰动下多输出失稳问题,本文配合中性桥臂提供的负载电流通路,构造了一种输出电流分配结构的多端口整流器,实现多端口不平衡全工况的柔性输出;进一步着重研究了注入电流调节模式下多端口 Vienna整流器负载电流前馈的控制策略与分配电流调节模式下中性桥臂模型预测控制策略。仿真与试验结果表明:所提高性能控制策略实现了任意不平衡负载扰动下多端口Vienna整流器输出快响应、强鲁棒稳定控制。综上所述,本文以市场广泛应用的双端口Vienna整流器为研究对象,抑制其中点电位振荡,提高了功率变换系统可靠性。进一步对多端口Vienna整流技术发展做了理论探讨和技术实践:探究了直流电压不平衡运行机理及其低谐波调制技术;以此为基础,提出了改善多端口Vienna整流器交直流侧电能质量的高品质调制方案;针对不平衡负载扰动,通过拓扑构造、工作模式及其控制设计,最终实现了多端口Vienna整流器的宽范围柔性输出、多电压等级灵活供电,有效提高了直流充电系统对电动汽车充电的适应性。
【图文】：

信息科学,电力电子技术,材料学,系统功能

图１．２直流充电系统功能逡逑充电系统涉及电力电子技术、拽制理论、信息科学、电化学、科交叉融合。为了进一步改善直流充电系统，仍需研宄的关键：电池技术及充电方法，充电线缆及接口技术，电池管理及安全及其控制技术等方面。逡逑电池技术及充电方法逡逑性能指标主要有充电倍率、能量密度、循环寿命、峰值功率、力电池的充电容许电流倍率［７］是影响充电速度的关键因素之一，电系统便捷性的先决条件。因此符合电池特性的充电方法是直流灵魂”。进而考虑环境温度影响、电池寿命限制研宄充电方法是电系统高效、安全、快速［８］［９］三要素的理论基础。逡逑充电线缆及接口技术逡逑电线缆及接口技术是直流充电系统的“咽喉”，对改善充电体验

电路拓扑,二极管整流,拓扑

逦Ｉ逡逑图１．３直流充电系统的常见结构逡逑１）邋ＡＣ－ＤＣ邋环节逡逑根据能量是否双向流动，ＡＣ－ＤＣ环节拓扑大致分为双向整流和单向整流两大逡逑类。双向整流主要由传统三相全桥ＰＷＭ整流器实现单位功率因数运行，网侧电流逡逑谐波低、直流侧电压可控等。与双向整流拓扑相比，单向整流拓扑因其更少的开逡逑关管数量，更简单的拓扑与控制结构在无需能量双向流动的直流充电系统中更具逡逑应用潜力。逡逑单向整流主要分为不控整流桥和调理电路类与电流注入类。前者的调理电路逡逑可选用有源滤波器（Ａｃｔｉｖｅ邋Ｐｏｗｅｒ邋Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）或功率因数矫正器（Ｐｏｗｅｒ邋Ｆａｃｔｏｒ逡逑Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，，邋ＰＦＣ）。以色列艾瑞尔撒马利亚中心大学Ｋｕｐｅｒｍａｎ等研发的５０邋ｋＷ电池逡逑充电站拓扑由不控整流桥、三个单相ＡＰＦ组成［１４］，如图１．４邋（ａ）所示。逡逑ｒ＿邋Ｉ邋Ｉ—１—｜邋升压型等效邋Ｉ逡逑１＼邋％邋１＼逦电路！＿逦Ｑ＿＼逦＿Ｔｊｖ逡逑＾逦逦逦—逦１逦ｚｉｉｉｒ／Ｈ￣￣逡逑Ｗ
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM461

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