非車載雙向充電機(jī)技術(shù)

嚴(yán)振東

（數(shù)源科技股份有限公司 浙江省杭州市 310012）

1 非車載雙向充電機(jī)簡(jiǎn)介

非車載充電機(jī)一般布置在社會(huì)充電場(chǎng)站或公交專用充電場(chǎng)站，用于電動(dòng)汽車的快速充放電。非車載充電機(jī)功率較大，一般采用三相電路實(shí)現(xiàn)。圖1 給出了非車載雙向充電機(jī)應(yīng)用示意圖，電池組與電網(wǎng)的能量可以雙向互動(dòng)。

2 充電機(jī)主電路工作原理

非車載雙向充電機(jī)主電路如圖2所示，采用兩級(jí)式架構(gòu)，前級(jí)采用雙向三相三電平PWM 變換電路，后級(jí)采用串-并架構(gòu)的雙向全橋電路。常用的三相三電平AC/DC 電路主要有兩種拓?fù)?，一種是NPC-I 型三電平架構(gòu)，另一種是NPC-T 型三電平架構(gòu)。NPC-I型需要10 路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源，而NPC-T 型因共發(fā)射極結(jié)構(gòu)僅需要7路，而共集電極僅需要5 路；另在元器件數(shù)量上，T 型比I 型少了六個(gè)二極管，更節(jié)省空間，故NPC-T 型三電平架構(gòu)更有利于功率密度的提升，建議優(yōu)先選用NPC-T 型三相三電平電路作為高頻隔離AC/DC 模塊的前級(jí)電路。后級(jí)可實(shí)現(xiàn)高頻隔離，其原邊和副邊均采用全橋電路以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的充放電。項(xiàng)目中的電網(wǎng)側(cè)NPC-T 型三相三電平電路除了從電網(wǎng)吸收能量為電池充電外還須并網(wǎng)運(yùn)行。

圖1：非車載充電機(jī)原理框圖

圖2：非車載型雙向充電機(jī)主電路原理圖

2.1 T型三相三電平電路工作原理

圖3 為NPC-T 型三相三電平可逆變主電路圖。此電路圖中，三相中每相的橋臂都是由4 個(gè)呈T 型排列的開(kāi)關(guān)管組成，每個(gè)開(kāi)關(guān)管的集電極和發(fā)射極都并接一個(gè)二極管；直流輸入側(cè)為光伏陣列直流電壓經(jīng)DC/DC 變換得到的直流母線電壓VDC，兩個(gè)容值相等的電容Cdc1和Cdc2分別分壓VDC/2；輸出側(cè)經(jīng)過(guò)LR 濾波器后并入三相電網(wǎng)。

2.2 串聯(lián)、并聯(lián)型雙有源橋電路的原理分析

如圖4，1#雙有源橋電路和2#雙有源橋電路在低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)串聯(lián)，構(gòu)成了串-并型雙有源橋電路。低壓側(cè)連接的是電池電壓，高壓側(cè)連接的是直流母線電壓Vbus。在1#雙有源橋電路拓?fù)鋱D和2#雙有源橋電路拓?fù)鋱D中，高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器是Tr1和Tr2；Cs1和 Cs2的作用是隔離直流，防止變壓器偏磁；Ls1和Ls2是諧振電感，負(fù)責(zé)能量的傳輸和軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)。

1#和2#電路中的開(kāi)關(guān)管由相同的信號(hào)控制，通過(guò)不同的移相角實(shí)現(xiàn)升壓和降壓。

2.3 軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)與設(shè)置死區(qū)時(shí)間

2.3.1 軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)電路采用固定死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM 控制方式，使開(kāi)關(guān)管的寄生電容和邊緣器的漏感發(fā)生諧振，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

2.3.2 設(shè)置死區(qū)時(shí)間

死區(qū)時(shí)間是為了使上下橋臂不會(huì)因開(kāi)關(guān)延遲而導(dǎo)致同時(shí)開(kāi)通而設(shè)置的一個(gè)時(shí)間段。設(shè)置的死區(qū)時(shí)間較大，輸出波形會(huì)失真，輸出效率受影響。設(shè)置的死區(qū)時(shí)間較小，降低了電路的可靠性。

3 充電機(jī)研發(fā)方法和思路

研發(fā)過(guò)程遵循理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的原則。

首先將NPC-T 型雙向變換器，與傳統(tǒng)NPC-I 型三電平三相AC/DC 變換器作比較，為進(jìn)一步優(yōu)化效率，將根據(jù)元器件的開(kāi)關(guān)特性和工作原理建立各自的電壓、電流應(yīng)力模型以及各項(xiàng)損耗的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建變換器的綜合效率分析模型，為提高系統(tǒng)效率提供理論依據(jù)。

根據(jù)雙有源橋電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立它們的模型，仿真驗(yàn)證其工作原理。通過(guò)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電感和選取的電容參數(shù)是否正確，根據(jù)仿真波形可以對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)作一定的修正，以確保雙向變換器電路在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，從而保證系統(tǒng)的高效率。

為驗(yàn)證多臺(tái)設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行同步性與可靠性，搭建供電設(shè)備控制中心。即驗(yàn)證供電設(shè)備的電能質(zhì)量，即電壓幅值、頻率和波形的質(zhì)量能否滿足電網(wǎng)要求。且當(dāng)發(fā)生三相電壓不平衡、供電突然中斷、波形畸變等電力事故能立即與電網(wǎng)解列。電力系統(tǒng)標(biāo)稱頻率為50Hz，正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，可放寬±0.5Hz.電壓偏差限值：220V 單相供電系統(tǒng)為+7%，-10%；380V 三相供電系統(tǒng)為±7%。控制中心對(duì)電壓、頻率、三相電壓平衡等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)置其報(bào)警值與動(dòng)作值，當(dāng)超過(guò)閾值，立即動(dòng)作調(diào)節(jié)負(fù)荷或切除故障。

圖3：NPC-T 型三相三電平逆變主電路

圖4：串-并型雙有源橋電路拓?fù)?/p>

圖5：串聯(lián)、并聯(lián)型雙有源橋開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖