CN109367417A - 具有充电及v2g功能的两级双向功率变换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器及控制方法，其特征在于：前级为电压源型三相三电平双向AC/DC电路，后级为三电平双向DC/DC电路，所述的三相三电平双向AC/DC电路的直流侧滤波电容由第四电容C4、第五电容C5串联构成，所述的三电平双向DC/DC电路的两输出端连接至电池两级。本发明实现了电动汽车蓄电池与电网之间能量双向交换，提高了能量的利用效率；前级AC/DC电路和后级DC/DC电路都采用三电平电路，在提高输出功率的同时能减小电力电子开关器件的电压应力，改善输出波形的谐波。在提高输出功率的同时能减小电力电子开关器件的电压应力，改善输出波形的谐波。

Description

具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车功率控制技术领域，具体涉及一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器及控制方法。
背景技术
V2G是Vehicle-to-grid的简称，它描述了这样的一个***：当混合电动车或是纯电动车不在运行的时候，通过联接到电网的变换器将汽车动力电池组的能量输给电网，反过来，当电动车的电池需要充满时，电能可以从电网供给电池。V2G可以应用于到任何可网络化的车辆，因为大部分的汽车平均有95％的时间都是停泊着，它们的电池可以将电能流向电网。
电动汽车V2G变换器用于实现电动汽车的V2G功能，当电网负荷较低时，电动汽车从电网吸收盈余的电力用于充电；当电网负荷较高时，电动汽车可作为储能源向电网回馈电力，以此使得电动汽车可以参与电网的削峰填谷，其动力电池可作为将来电网和分布式发电的储能缓冲环节，而用户也可以利用不同时段的电价差盈利。
V2G变换器一般可用于车载充电机或是电动汽车充电桩，可以采用不同的主电路拓扑。上述现有技术存在以下缺点；
目前V2G变换器的研究主要满足对电池充放电的需求，即实现有功功率的双向传递，仅少数研究能实现无功补偿，保证变换器运行在高功率因数状态下。但是现有的V2G装置不能实现无功功率的控制，不能实现变换器功率的四象限运行和调节功率因数。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，可以提高电动汽车中电池的利用效率，实现双向充放电及无功传输功能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，前级为电压源型三相三电平双向AC/DC电路，后级为三电平双向DC/DC电路，所述的三相三电平双向AC/DC电路的直流侧滤波电容由第四电容C4、第五电容C5串联构成，所述的三电平双向DC/DC电路的两输出端连接至电池两级，其包括依次串接在正极母线上的第十三电力电子开关器件S13和第四电感L4，依次串接在负极母线上的第十四电力电子开关器件S14和第五电感L5，串联后对应连接第十三电力电子开关器件S13和第十四电力电子开关器件S14负极的第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16，以及并接在所述的两输出端间第六电容C6；其中，所述的第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16之间连接至第四电容C4、第五电容C5之间并接地。
在上述技术方案中，所述的三相三电平双向AC/DC电路为飞跨电容型三电平变换器。
在上述技术方案中，所述的飞跨电容型三电平变换器包括三相桥臂，每个桥臂的上桥和下桥分别串设有两个电力电子开关器件，同一桥臂的上桥和下桥两电力电子开关器件间分别并接有电容。
在上述技术方案中，三电平双向AC/DC电路每相桥臂中间经电感连接到三相电网。
在上述技术方案中，电力电子开关器件均反并联快速恢复二极管。
在上述技术方案中，电力电子开关器件为MOSFET或IGBT。
在上述技术方案中，所述的三相三电平双向AC/DC电路为中点钳位型三电平变换器。
在上述技术方案中，第四电容C4和第五电容C5的电容值相等，所述的电池为车载电池。
在上述技术方案中，第十四电力电子开关器件S14的控制端以及第十六电力电子开关器件S16的控制端经反相器后接第一PWM信号，
所述的第十三电力电子开关器件S13的控制端以及第十五电力电子开关器件S15的控制端经反相器后接第二PWM信号。
所述的具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器的控制方法，
所述的V2G双向功率变换器后级三电平DC/DC变换器采用交错控制及互补驱动：其中，第十三电力电子开关器件S13和第十五电力电子开关器件S15的驱动信号相差180°，第十四电力电子开关器件S14和第十六电力电子开关器件S16的驱动信号相差180°，并且第十三电力电子开关器件S13和第十四电力电子开关器件S14，第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16分别互补导通。
本发明的优点和有益效果为：
本发明实现了电动汽车蓄电池与电网之间能量双向交换，提高了能量的利用效率；前级AC/DC电路和后级DC/DC电路都采用三电平电路，在提高输出功率的同时能减小电力电子开关器件的电压应力，改善输出波形的谐波。在提高输出功率的同时能减小电力电子开关器件的电压应力，改善输出波形的谐波。而且双向变换器可以同时传输有功和无功功率，给电池充放电的同时进行无功补偿和功率因数校正。
附图说明
图1为本发明提供的两级式V2G双向功率变换器拓扑结构图。
图2为本发明提供的V2G双向功率变换器总体结构示意图。
图3为本发明提供的V2G双向功率变换器后级DC/DC电路PWM信号连接示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，前级为电压源型三相三电平双向AC/DC电路2，后级为三电平双向DC/DC电路3，所述的三相三电平双向AC/DC电路的直流侧滤波电容由两个容值相等的第四电容C4、第五电容C5串联构成，所述的三电平双向DC/DC电路的两输出端连接至电池4，即车载电池组两级，其包括依次串接在正极母线上的第十三电力电子开关器件S13和第四电感L4，依次串接在负极母线上的第十四电力电子开关器件S14和第五电感L5，串联后对应连接第十三电力电子开关器件S13和第十四电力电子开关器件S14负极的第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16，以及并接在所述的两输出端间第六电容C6；其中，所述的第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16之间连接至第四电容C4、第五电容C5之间并接地，其中，接地目的是减小电路中器件承受的共模电压。即，第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16串联后与正极母线的接入点位于第十三电力电子开关器件S13和第四电感L4之间，与负极母线的接入点位于第十四电力电子开关器件S14和第五电感L5之间，也就是说位于对应电力电子开关器件与电感的相邻端，或者电感与电力电子开关器件的相邻端。
两级式V2G双向功率变换器前级AC/DC电路的交流电压、交流电流及后级DC/DC电路的直流电压、直流电流均由检测电路与数字控制***连接。所述前级电路的电力电子开关的控制信号和后级电路的电力电子开关的门极控制信号由数字控制***适时发出。
其中，电力电子开关器件为MOSFET或IGBT，且电力电子开关器件均需反并联快速恢复二极管。
本发明实现了电动汽车蓄电池与电网之间能量双向交换，提高了能量的利用效率；前级AC/DC电路和后级DC/DC电路都采用三电平电路，在提高输出功率的同时能减小电力电子开关器件的电压应力，改善输出波形的谐波。
具体地，所述的三相三电平双向AC/DC电路为飞跨电容型三电平变换器或中点钳位型(NPC)三电平变换器。具体地，所述的飞跨电容型三电平变换器包括三相桥臂，每个桥臂由4个电力电子开关器件，如IGBT串联，即，每个桥臂的上桥和下桥分别串设有两个电力电子开关器件，同一桥臂的上桥和下桥两电力电子开关器件间分别并接有电容，每相桥臂中间经电感连接到三相电网1。
此拓扑结构前级AC/DC可逆变流器是将交流侧三相交流电变成直流电，并实现功率校正调节母线电压，后级DC/DC双向变换器是将母线电压进行升降压对电池进行大电流充放电。这种结构比单相拓扑结构复杂而且体积较大，但是功率大，可以短时间为储能电池进行充电增强了电动汽车的续航能力；双级式拓扑使得前后级控制互相独立，加之AC/DC级采取能分别控制有功和无功电流的控制策略，因此变换器可以同时传输有功和无功功率，给电池充放电的同时进行无功补偿和功率因数校正。前后两级均采用三电平电路，实现能量的双向流动；在提高输出功率的同时能减小电力电子开关器件的电压应力，改善输出波形的谐波。
所述的具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器的控制方法，包括以下，工作在充电模式时，此DC/DC电路作为降压电路运行；工作中放电模式时，此DC/DC电路作为升压电路运行。后级DC/DC双向变换器工作时根据其能量传输的方向不同，可以分为Buck工作方式和Boost工作方式。同时，要实现双方向供电，需要对变换器双端的电压和电流进行控制，使其可以在两个方向实现稳压或限流工作。
第十四电力电子开关器件S14的控制端以及第十六电力电子开关器件S16的控制端经反相器IVN2后接数字控制***的第一PWM信号，
所述的第十三电力电子开关器件S13的控制端以及第十五电力电子开关器件S15的控制端经反相器IVN1后接数字控制***的第二PWM信号。
所述的V2G双向功率变换器后级三电平DC/DC变换器采用交错控制及互补驱动：其中，第十三电力电子开关器件S13和第十五电力电子开关器件S15的驱动信号相差180°，第十四电力电子开关器件S14和第十六电力电子开关器件S16的驱动信号相差180°，并且第十三电力电子开关器件S13和第十四电力电子开关器件S14，第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16分别互补导通。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：前级为电压源型三相三电平双向AC/DC电路，后级为三电平双向DC/DC电路，所述的三相三电平双向AC/DC电路的直流侧滤波电容由第四电容C4、第五电容C5串联构成，所述的三电平双向DC/DC电路的两输出端连接至电池两级，其包括依次串接在正极母线上的第十三电力电子开关器件S13和第四电感L4，依次串接在负极母线上的第十四电力电子开关器件S14和第五电感L5，串联后对应连接第十三电力电子开关器件S13和第十四电力电子开关器件S14负极的第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16，以及并接在所述的两输出端间第六电容C6；其中，所述的第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16之间连接至第四电容C4、第五电容C5之间并接地。
2.根据权利要求1所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：所述的三相三电平双向AC/DC电路为飞跨电容型三电平变换器。
3.根据权利要求2所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：所述的飞跨电容型三电平变换器包括三相桥臂，每个桥臂的上桥和下桥分别串设有两个电力电子开关器件，同一桥臂的上桥和下桥两电力电子开关器件间分别并接有电容。
4.根据权利要求3所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：三电平双向AC/DC电路每相桥臂中间经电感连接到三相电网。
5.根据权利要求4所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：电力电子开关器件均反并联快速恢复二极管。
6.根据权利要求5所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：电力电子开关器件为MOSFET或IGBT。
7.根据权利要求1所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：所述的三相三电平双向AC/DC电路为中点钳位型三电平变换器。
8.根据权利要求1所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：第四电容C4和第五电容C5的电容值相等，所述的电池为车载电池。
9.根据权利要求1所述的一种具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器，其特征在于：第十四电力电子开关器件S14的控制端以及第十六电力电子开关器件S16的控制端经反相器后接第一PWM信号，
所述的第十三电力电子开关器件S13的控制端以及第十五电力电子开关器件S15的控制端经反相器后接第二PWM信号。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的具有充电及V2G功能的两级双向功率变换器的控制方法，其特征在于，
所述的V2G双向功率变换器后级三电平DC/DC变换器采用交错控制及互补驱动：其中，第十三电力电子开关器件S13和第十五电力电子开关器件S15的驱动信号相差180°，第十四电力电子开关器件S14和第十六电力电子开关器件S16的驱动信号相差180°，并且第十三电力电子开关器件S13和第十四电力电子开关器件S14，第十五电力电子开关器件S15和第十六电力电子开关器件S16分别互补导通。
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