高效高電能質(zhì)量電動汽車充電電源關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為了有效促進節(jié)能減排，電動汽車逐步得到重視和發(fā)展，電動汽車的充電電源是其發(fā)展的重要制約因素。目前，電動汽車充電電源主要借助電力電子開關(guān)并應(yīng)用各種控制技術(shù)實現(xiàn)。一方面，電力電子開關(guān)電源能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的靈活、快速、可靠控制，但同時也引發(fā)新的電能質(zhì)量問題，尤其是諧波問題；另一方面，電力電子開關(guān)的導通和關(guān)斷暫態(tài)過程又會引發(fā)暫態(tài)過電流和暫態(tài)過電壓，這將增加相關(guān)元器件的設(shè)計難度并帶來更多的開關(guān)損耗，由此限制了電力電子開關(guān)的工作頻率；此外，電動汽車充電

2、電源作為電動汽車領(lǐng)域的較大比重投資，應(yīng)該得到充分利用。本文將圍繞電動汽車充電電源的關(guān)鍵技術(shù)，開展高電能質(zhì)量輸入，高效率開關(guān)電源及高效利用等三個方面的研究。首先，針對電動汽車充電電源前級 PWM整流器進行分析，提出諧波畸變和不平衡電壓擾動下的PWM整流器控制方法；提出大規(guī)模充電站間諧波補償信號的實時提取方法；拓展了非正弦電路中的歐姆定律，并且在此基礎(chǔ)上對比PWM整流器的不同控制模式，從而實現(xiàn)充電電源的高電能質(zhì)量輸入。然后，針對電動汽車充電

3、電源后級DC/DC變換器進行分析，提出簡化的軟開關(guān)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)及抗擾動性強的自抗擾控制方法，從而實現(xiàn)充電電源的高效率。最后，針對多充電電源的并聯(lián)并網(wǎng)發(fā)電進行分析，提出了易于工程實現(xiàn)的并聯(lián)環(huán)流抑制方法，從而實現(xiàn)了電動汽車充電電源的高效利用。
　　具體的工作和創(chuàng)新點體現(xiàn)在：
　?。?）提出一種適用于三相PWM整流器的抗輸入諧波和不平衡電壓擾動的改進無差拍控制方法。首先，提出輸入電壓畸變且不平衡擾動背景下電流參考信號的提取方法，并提出

4、主動注入負序電流的改進思路，從而抑制輸入電流的諧波和消除輸出直流電壓的2次諧波脈動；進而，提出引入自抗擾控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的PI控制，從而提高輸出直流電壓的響應(yīng)速度并且提升整流器的抗擾動能力。同時，應(yīng)用簡單有效的線性外推技術(shù)預(yù)測提前一拍的控制參數(shù)，從而補償各種延遲對無差拍控制的影響，提高控制的精度。試驗樣機的實驗結(jié)果驗證了提出方法的有效性。
　　（2）提出一種高精度提取間諧波背景下基波電流信號的實時方法。該法首先采用高分辨諧波跟蹤算

5、法檢測電壓信號的基波頻率，然后采用快速遞歸最小二乘估計算法提取含間諧波、諧波分量的電流信號基波部分。高分辨諧波跟蹤算法計算復雜度低，通過分析影響跟蹤穩(wěn)定性的因素，給出了保證該算法穩(wěn)定的實現(xiàn)方法。同時，給出了階數(shù)、梯度步長和遺忘因子等參數(shù)的選取原則?？焖龠f歸最小二乘估計算法簡單、收斂快。數(shù)值信號的仿真分析和IEEE提供的典型實測間諧波信號分析的結(jié)果表明：依據(jù)給出的參數(shù)選取原則，應(yīng)用高分辨諧波跟蹤算法能穩(wěn)定、高精度檢測電壓信號的基波頻率；應(yīng)

6、用快速遞歸最小二乘估計能高精度、快速提取基波電流信號。該方法可為實現(xiàn)大容量電動汽車充電站的間諧波、諧波治理提供參考信號。
　　(3)在正弦交流電路中，阻抗和導納參數(shù)都是穩(wěn)態(tài)電路下平均值的描述；并且，在諧波畸變的非正弦交流電路中這些參數(shù)只能是近似的辨識而不能準確的計算，因為能夠用于準確計算的歐姆定律僅在正弦交流電路中成立。本文中基于正弦交流電路的歐姆定律，擴展性定義了非正弦交流電路中的瞬時電阻、瞬時電抗、瞬時電導和瞬時電納，并組成瞬

7、時復阻抗和瞬時復導納；擴展性定義了瞬時電壓和瞬時電流的解析信號形式?；谶@些定義可以實現(xiàn)平穩(wěn)的非正弦交流電路中線性電阻、線性電感和線性電容參數(shù)的定量準確計算，非線性電阻、非線性電感和非線性電容的定性識別。理論分析表明：提出的擴展性定義能夠作為歐姆定律在平穩(wěn)非正弦交流電路中的一般性推廣；擴展定義下的電路分析滿足諾頓定律和戴維南定律；在非正弦交流電路中只有固定的電阻表現(xiàn)為線性特性，而固定不變的線性電感和線性電容均呈現(xiàn)出非線性電抗的特性。仿真

8、和實驗結(jié)果表明：提出的擴展性定義能夠?qū)崿F(xiàn)諧波畸變的非正弦電路穩(wěn)態(tài)下線性元件參數(shù)的準確計算和非線性元件的定性識別。
　?。?）通常，PWM整流器的輸入電流被控制為正弦波以減小對網(wǎng)側(cè)諧波電流畸變的影響。然而，由于諧波產(chǎn)生的本質(zhì)源于非線性負載，所以，在PWM整流器輸入電壓諧波畸變的條件下，如果將其輸入電流控制為正弦波，則整流器對網(wǎng)側(cè)的諧波畸變呈現(xiàn)出的是進一步惡化的效果。分析PWM整流器在不同的輸入電流控制模式下對輸入電壓和輸入電流的影響

9、效應(yīng)結(jié)果表明：如果整流器的輸入電流控制為接近正弦波，那么，網(wǎng)側(cè)的輸入諧波電壓和諧波電流都會進一步被惡化；如果整流器的輸入阻抗等效為固定的純電阻，那么，網(wǎng)側(cè)的諧波電壓和諧波電流不會受到整流器的影響。提出的分析結(jié)論通過仿真和實驗得到了有效地驗證。
　?。?）提出一種新型適用于電動汽車充電機的H橋軟開關(guān)的DC/DC變換器和基于自抗擾控制的實現(xiàn)方法。該種變換器比傳統(tǒng)拓撲增加兩個電容和兩個電感無源元件，能夠為電力電子開關(guān)切換過程提供能量流通

10、通路，從而消除開關(guān)導通和關(guān)斷過程中的過電流和過電壓效應(yīng)。首先，分析了變換器的工作原理，給出了實現(xiàn)零電壓導通和零電流關(guān)斷的限制條件和實現(xiàn)方法；然后，基于給出的變換器參數(shù)選取原則和軟開關(guān)實現(xiàn)的方法給出簡單、有效地雙環(huán)限功率串聯(lián)型自抗擾控制實現(xiàn)。應(yīng)用IGBT模塊設(shè)計10kW的DC/DC變換器進行仿真和實驗驗證，同時與基于PI控制的暫態(tài)仿真作對比，結(jié)果表明：附加電感、電容元件能夠保證4橋臂開關(guān)輕載和重載時的零電壓導通和零電流關(guān)斷；新型 H橋 D

11、C/DC變換器應(yīng)用自抗擾控制能夠有效實現(xiàn)輕載和重載充電時的無超調(diào)、快速、穩(wěn)定控制。
　?。?）為了充分利用電動汽車充電電源，考慮電網(wǎng)負荷波峰期間應(yīng)用V2G（Vehicle-to-grid）技術(shù)實現(xiàn)電動汽車電池向電網(wǎng)回饋能量。為了確保并聯(lián)逆變器在聯(lián)接線路阻抗存在明顯差異的情況下，仍然能按其額定輸出容量成比例地輸出功率，詳細分析了功率分配不成比例的根本原因，給出逆變器輸出阻抗和線路參數(shù)間的關(guān)系，進而提出主動注入功率差額實現(xiàn)功率比例分配