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原文传递高效高电能质量电动汽车充电电源关键技术研究

论文题名：	高效高电能质量电动汽车充电电源关键技术研究
关键词：	电动汽车;充电电源;PWM整流器;DC/DC变换器;自抗扰控制
摘要：	为了有效促进节能减排，电动汽车逐步得到重视和发展，电动汽车的充电电源是其发展的重要制约因素。目前，电动汽车充电电源主要借助电力电子开关并应用各种控制技术实现。一方面，电力电子开关电源能够实现装置的灵活、快速、可靠控制，但同时也引发新的电能质量问题，尤其是谐波问题；另一方面，电力电子开关的导通和关断暂态过程又会引发暂态过电流和暂态过电压，这将增加相关元器件的设计难度并带来更多的开关损耗，由此限制了电力电子开关的工作频率；此外，电动汽车充电电源作为电动汽车领域的较大比重投资，应该得到充分利用。本文将围绕电动汽车充电电源的关键技术，开展高电能质量输入，高效率开关电源及高效利用等三个方面的研究。首先，针对电动汽车充电电源前级 PWM整流器进行分析，提出谐波畸变和不平衡电压扰动下的PWM整流器控制方法；提出大规模充电站间谐波补偿信号的实时提取方法；拓展了非正弦电路中的欧姆定律，并且在此基础上对比PWM整流器的不同控制模式，从而实现充电电源的高电能质量输入。然后，针对电动汽车充电电源后级DC/DC变换器进行分析，提出简化的软开关实现结构及抗扰动性强的自抗扰控制方法，从而实现充电电源的高效率。最后，针对多充电电源的并联并网发电进行分析，提出了易于工程实现的并联环流抑制方法，从而实现了电动汽车充电电源的高效利用。　　具体的工作和创新点体现在：　　（1）提出一种适用于三相PWM整流器的抗输入谐波和不平衡电压扰动的改进无差拍控制方法。首先，提出输入电压畸变且不平衡扰动背景下电流参考信号的提取方法，并提出主动注入负序电流的改进思路，从而抑制输入电流的谐波和消除输出直流电压的2次谐波脉动；进而，提出引入自抗扰控制技术取代传统的PI控制，从而提高输出直流电压的响应速度并且提升整流器的抗扰动能力。同时，应用简单有效的线性外推技术预测提前一拍的控制参数，从而补偿各种延迟对无差拍控制的影响，提高控制的精度。试验样机的实验结果验证了提出方法的有效性。　　（2）提出一种高精度提取间谐波背景下基波电流信号的实时方法。该法首先采用高分辨谐波跟踪算法检测电压信号的基波频率，然后采用快速递归最小二乘估计算法提取含间谐波、谐波分量的电流信号基波部分。高分辨谐波跟踪算法计算复杂度低，通过分析影响跟踪稳定性的因素，给出了保证该算法稳定的实现方法。同时，给出了阶数、梯度步长和遗忘因子等参数的选取原则。快速递归最小二乘估计算法简单、收敛快。数值信号的仿真分析和IEEE提供的典型实测间谐波信号分析的结果表明：依据给出的参数选取原则，应用高分辨谐波跟踪算法能稳定、高精度检测电压信号的基波频率；应用快速递归最小二乘估计能高精度、快速提取基波电流信号。该方法可为实现大容量电动汽车充电站的间谐波、谐波治理提供参考信号。　　(3)在正弦交流电路中，阻抗和导纳参数都是稳态电路下平均值的描述；并且，在谐波畸变的非正弦交流电路中这些参数只能是近似的辨识而不能准确的计算，因为能够用于准确计算的欧姆定律仅在正弦交流电路中成立。本文中基于正弦交流电路的欧姆定律，扩展性定义了非正弦交流电路中的瞬时电阻、瞬时电抗、瞬时电导和瞬时电纳，并组成瞬时复阻抗和瞬时复导纳；扩展性定义了瞬时电压和瞬时电流的解析信号形式。基于这些定义可以实现平稳的非正弦交流电路中线性电阻、线性电感和线性电容参数的定量准确计算，非线性电阻、非线性电感和非线性电容的定性识别。理论分析表明：提出的扩展性定义能够作为欧姆定律在平稳非正弦交流电路中的一般性推广；扩展定义下的电路分析满足诺顿定律和戴维南定律；在非正弦交流电路中只有固定的电阻表现为线性特性，而固定不变的线性电感和线性电容均呈现出非线性电抗的特性。仿真和实验结果表明：提出的扩展性定义能够实现谐波畸变的非正弦电路稳态下线性元件参数的准确计算和非线性元件的定性识别。　　（4）通常，PWM整流器的输入电流被控制为正弦波以减小对网侧谐波电流畸变的影响。然而，由于谐波产生的本质源于非线性负载，所以，在PWM整流器输入电压谐波畸变的条件下，如果将其输入电流控制为正弦波，则整流器对网侧的谐波畸变呈现出的是进一步恶化的效果。分析PWM整流器在不同的输入电流控制模式下对输入电压和输入电流的影响效应结果表明：如果整流器的输入电流控制为接近正弦波，那么，网侧的输入谐波电压和谐波电流都会进一步被恶化；如果整流器的输入阻抗等效为固定的纯电阻，那么，网侧的谐波电压和谐波电流不会受到整流器的影响。提出的分析结论通过仿真和实验得到了有效地验证。　　（5）提出一种新型适用于电动汽车充电机的H桥软开关的DC/DC变换器和基于自抗扰控制的实现方法。该种变换器比传统拓扑增加两个电容和两个电感无源元件，能够为电力电子开关切换过程提供能量流通通路，从而消除开关导通和关断过程中的过电流和过电压效应。首先，分析了变换器的工作原理，给出了实现零电压导通和零电流关断的限制条件和实现方法；然后，基于给出的变换器参数选取原则和软开关实现的方法给出简单、有效地双环限功率串联型自抗扰控制实现。应用IGBT模块设计10kW的DC/DC变换器进行仿真和实验验证，同时与基于PI控制的暂态仿真作对比，结果表明：附加电感、电容元件能够保证4桥臂开关轻载和重载时的零电压导通和零电流关断；新型 H桥 DC/DC变换器应用自抗扰控制能够有效实现轻载和重载充电时的无超调、快速、稳定控制。　　（6）为了充分利用电动汽车充电电源，考虑电网负荷波峰期间应用V2G（Vehicle-to-grid）技术实现电动汽车电池向电网回馈能量。为了确保并联逆变器在联接线路阻抗存在明显差异的情况下，仍然能按其额定输出容量成比例地输出功率，详细分析了功率分配不成比例的根本原因，给出逆变器输出阻抗和线路参数间的关系，进而提出主动注入功率差额实现功率比例分配的解决方法，给出易于工程实现的P-V下垂系数基准校正曲线。提出的方法可以根据实测的线路参数，也可仅在并联系统调试或运行过程中进行一次P-V下垂系数的修正实现功率的比例分配。多工况的仿真和实验结果验证了提出方法的有效性。
作者：	金国彬
专业：	电气工程
导师：	罗安
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文