论文部分内容阅读
电动汽车充电站及充放电系统是电动汽车规模化应用必不可少的基础设施;电动汽车接入配电网后，可以与智能电网互动构成V2G(Vehicle-to-grid)系统，实现能量在车载动力电池与电网间的双向流动，电动汽车双向充放电系统是V2G系统的核心关键单元。本文围绕电动汽车充放电系统，研究新型双向PWM整流—逆变器拓扑结构、PWM调制方法、控制策略与并网技术，研究电动汽车与电网的双向互动V2G控制技术。 本论文建立了电压型三相PWM整流—逆变器在三相静止坐标系、两相静止坐标系、旋转坐标系下的数学模型，包括低频稳态模型和高频动态模型。根据系统的数学模型，采用直接电流控制策略，进行了电压电流双闭环控制系统设计，分析了SVPWM调制方法。建立了电压型三相PWM整流—逆变器系统SABER仿真模型和10kW实验平台，实现了单位功率因数整流运行和单位功率因数逆变运行，电压和电流都具有优良的响应性能，电流畸变小，直流侧电压稳定。 本论文介绍了Z源逆变器的概念、工作原理和DCM运行模式。提出了新型串联型Z源双向PWM整流—逆变器电路拓扑结构，具有Z源网络电容VC1和VC2电压应力显著降低，网侧电流THD降低，系统变换效率高等优点。通过电路稳态平均模型计算了电压型Z源双向PWM整流—逆变器、准Z源双向PWM整流—逆变器、新型串联型Z源双向PWM整流—逆变器的Z网络电容电压应力、PN母线电压应力、开关电压应力和开关电流应力，通过SABER仿真验证了理论分析的有效性。分析表明，新型串联型Z源双向PWM整流—逆变器的Z网络电容C1和C2电压应力显著降低;Z网络体积显著减小，系统的成本降低，同时功率密度显著提高:而且串联型Z源双向PWM整流—逆变器的电路结构使系统的机械设计简化。串联型Z源双向PWM整流—逆变器可以实现电能的双向流动，网侧电流高度正弦化、低THD和网侧电流单位功率因数的运行。 本论文研究了四种Z源双向整流—逆变器载波基SPWM调制方法，包括简单直通SPWM调制方法、最大直通SPWM调制方法、直通调制波改进常占空比SPWM调制方法、谐波注入常占空比SPWM调制方法。研究了三种空间电压矢量SVPWM调制方法:包括简单直通SVPWM调制方法、最大直通SVPWM调制方法、直通状态分段SVPWM调制方法。分析比较了多种PWM调制方法对电压增益因子G、桥臂器件电压应力、电流应力的影响。进行了PWM调制方法的开关损耗分析，提出了两种基于SVPWM的新型调制方法:新型非连续PWM简单直通调制方法、新型开关次数最小的调制方法，具有以下优点:整流桥器件硬开关次数减小，系统的EMI减低，系统损耗降低，系统效率提高。 使用状态空间平均法建立了串联型Z源双向PWM整流—逆变器的数学模型，推导了系统传递函数。串联型Z源双向PWM整流—逆变器有两个控制变量，直通控制变量D和调制系数控制变量M，两个控制变量D和M存在耦合影响。针对耦合问题，提出了串联型Z源双向PWM整流—逆变器的动态解耦控制策略，建立了系统在整流状态和逆变状态下的动态解耦控制模型，优化设计了控制系统电压和电流调节器。 针对Z源双向PWM整流—逆变器的并网控制策略进行了理论分析，提出了直接电流控制策略和简单直通SVPWM相结合的并网控制系统。设计了10kW的串联型Z源双向PWM整流—逆变器系统，进行了系统电路参数和机械结构的优化设计。在此基础上开展了系统在有功控制和无功补偿方面的仿真研究和实验研究，仿真结果和实验结果表明，串联型Z源双向PWM整流—逆变器可以实现高功率因数的整流运行，同时系统的直流侧电压可以根据需要降低;在无功补偿运行时，系统可以根据指令为电力系统提供无功补偿。 开展了电动汽车与电网互动V2G技术的研究，研究提出了串联型Z源双向PWM整流—逆变器V2G控制策略和G2V控制策略，研究了基于电压型三相PWM整流—逆变器的V2G技术。分别建立了基于两种双向PWM整流—逆变器的V2G实验平台，进行了有功储能、无功补偿、V2G运行、G2V运行相关实验。仿真和实验表明，基于串联型Z源双向PWM整流—逆变技术的V2G系统与基于电压型三相PWM整流—逆变器的V2G系统相比具有如下优点:(1)在车辆动力电池电压大范围变化时，通过调节直通占空比使变换器自动具有升/降压能力，因此不需要额外的双向DC/DC升降压电路。(2)充放电系统是单级变换结构，系统效率提高、成本降低。(3)允许桥臂功率开关直通，系统可靠性提高、开关器件不易损坏。(4)V2G运行时，网侧电流单位功率因数、高度正弦化、THD小于5％。