- 頭條新型車載雙向充電方案，提升系統可靠性2021-03-30 作者：付永升 李靜 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語汽車向用戶供電時，會出現由于負載不平衡而引起的母線電壓振蕩、電流不平衡等問題。為此，西安工業大學電子信息工程學院的研究人員付永升、李靜、胡文婷、雷鳴，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文，設計了適用于工作在V2H模式下的車載三相四線雙向充電器。采用分裂電容并結合中線橋臂作為負載不平衡時中線電流的回路，以抑制因負載不平衡引起的分裂電容兩端電壓振蕩問題。
近年來隨著電動汽車所有權需求的逐漸增加，利用電動汽車作為能量的存儲系統與電網進行能量的雙向交換，使其成為電力系統能量管理體系的有機組成部分，并已成為發展電動汽車新的附加價值的主要研究方向，在電網管理方面擁有巨大的吸引力。
向用戶供電（Vehicle-to-Home, V2H）或向負載供電（Vehicle-to-Load, V2L）作為電動汽車一個新的應用價值在汽車行業受到廣泛關注。其利用AC-DC充電系統能量雙向流動的功能，在用電高峰期或特殊情況時并網或直接向用戶供電，可視為一種新型分布式供電系統。同時V2H的推廣應用意味著可再生能源發電滲透率的提升，這些都對節能減排和智能電網的發展有著重要意義。
目前已有較多文獻對V2H模式的應用做了相應的研究。尼桑提出的“LEAF-to-home”供電系統，其使用車身的電池通過固定的電能轉換樁為住宅供電，但其轉換樁只能安裝在固定的地面，不方便隨車攜帶。有學者提出并完成了單相以及雙向的電動汽車并網（Vehicle-to-Grid, V2G）與V2H車載充電系統。有學者采用傳統的三相逆變器設計了雙向的三相AC-DC轉換器，采用傳統的dq變換在平衡負載下完成了5kW的V2H功能，并測試給出了2～5kW負載突增情況時的測試波形。
V2H模式中，為滿足用戶的需求，雙向充電系統需向單相和三相負載混合供電。需要一條中線來為不平衡負載提供一個電流回路，此時如果中線提供的中點沒有得到較好的平衡，可能會導致不平衡或變化的交流輸出電壓、直流電壓/電流分量，或更嚴重的問題。因而，利用簡單有效的方式產生一個平衡的中點已成為一個重要研究方向。
但在相關學者研究中沒有提及不平衡負載時對系統的影響及相應的解決方案。為滿足單相與三相負載的混合供電并防止因不平衡負載引起系統損壞，常用的三相四線逆變器是在三相逆變橋母線中添加一個串聯電容來實現，其串聯電容的中點為零序電流提供回路，此電流在本文中稱為中線電流，串聯的兩個電容稱為分裂電容。但在不平衡負載情況下，分裂電容電壓會發生振蕩，且振蕩的幅值與電容呈反比，與負載的不平衡度呈正比。因此需要有效的控制方法在負載不平衡時減小電容電壓紋波，保證系統可靠安全運行。
同時通過分裂電容實現不平衡負載下中線電流回路的方法存在兩方面的缺點：①需要的電容值較大；②需要的電容耐壓值大。
有學者采用三相四線拓撲結構建立了10kW的V2H系統，分裂電容采用3000μF，且對分裂電容值的選擇及不平衡負載對母線電容的影響沒有說明。有學者展示了一個分裂電容的三相四線逆變器，其采用3-MPWM控制策略通過減小開關管的斬波頻率降低系統開關損耗，進而提高系統性能。但對于非平衡負載時沒有做分析。
在相關學者的研究中提出一種提供中線的更好方法，在傳統的三橋臂變換器上增加第四個橋臂，稱之為中線橋臂。在這種情況下，中線電壓不再在直流源兩端保持平衡，從而導致兩個直流端子上出現相對于中線的高頻電壓，此時，直流端子可能變為一個電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）源。
在相關學者的研究只使用四個橋臂并采用疊加的控制方法，通過記錄輸出電壓的誤差信號修正傳輸電壓，在線性或非線性負載變換時保證輸出電壓總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）小于3%。相比于分裂電容式的三相四線拓撲結構，增加中線橋臂的一個優勢在于交流電壓的輸出可以提高15%，但新增的中線橋臂無法實現獨立控制來獲得穩定中點，因此相應的控制設計變得很復雜。
同樣使用中線橋臂作為中線電流的回路在在相關學者的研究提出，其主要分析了感性、容性和阻性負載以及整流二極管作為逆變器負載時各自的優缺點，為不平衡負載下系統的控制奠定了基礎。為了提高系統的效率，基于SVPWM的低開關損耗的中點電位平衡方法在在相關學者的研究提出，通過分裂電容并增加額外的開關管，采用SPWM在三相四線逆變器不平衡負載中實現了零電壓軟開關（Zero Voltage Switching, ZVS），然而沒有闡述母線電容值的選擇與負載不平衡度之間的關系。
有學者主要闡述了三相四線逆變器不同控制策略的優缺點，提出了電流內環的重要性。基于以上兩個拓撲結構的分析，有學者提出分裂電容與中線橋臂同時使用于三相四線逆變器中，闡述了不同控制方法以適應各種不平衡負載，但對于負載不平衡度與母線電容電壓振蕩幅值之間的關系沒有分析，尤其對于中線橋臂在抑制分裂電容電壓振蕩時的工作頻率沒有做任何分析。
根據以上分析，本設計所使用的拓撲結構三相輸出能夠分別獨立控制，且由于大部分中線電流不再流過分裂電容，因此避免了大容量分裂電容的需求，從而節約了質量、體積及成本。同時此系統在V2H模式下，尤其在不平衡負載中分裂電容值的選擇與不平衡度之間的關系及系統軟啟動方面很少有文章介紹。
針對目前的研究現狀及相關技術的不足，結合具體的科研項目，西安工業大學電子信息工程學院的研究人員采用分裂電容與中線橋臂相結合的方式設計了一套車載的三相四線雙向充電器系統，主要研究了其在V2H模式下不平衡負載情況時的應用。
圖1 充電器拓撲結構
圖16 三相四線雙向AC-DC系統
研究者主要分析了不平衡負載下由不平衡電流引起的母線電容電壓振蕩與輸出電壓振蕩的問題，給出了根據負載不平衡度母線電容值的選擇依據。提出采用控制中線橋臂開關管工作的方法實現母線電容電壓平衡。
首先以10kW充電系統為目標選擇系統參數，通過仿真說明了不平衡負載發生時對系統的影響。其次通過搭建試驗平臺，以1.2kW不平衡負載作為對象采集試驗數據，通過與仿真數據對比驗證了不平衡負載發生時采用中線控制母線電容電壓與輸出電壓理論方法的可行性。
最終為了保證系統在實際生活中的可靠性，提出了采用死區時間調節的控制方法實現系統的軟系統。采用雙有源橋與三相四線逆變器級聯完成了10kW的V2H樣機，不平衡負載由切換純電阻負載模擬完成，實驗數據與仿真值匹配，驗證了所提方案的有效性。
以上研究成果已發表在2019年第24期《電工技術學報》，論文標題為“不平衡負載下車載三相四線雙向充電器中線橋臂控制與軟啟動設計”，作者為付永升、李靜、胡文婷、雷鳴。
