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近年來隨著電動汽車所有權(quán)需求的逐漸增加，利用電動汽車作為能量的存儲系統(tǒng)與電網(wǎng)進(jìn)行能量的雙向交換，使其成為電力系統(tǒng)能量管理體系的有機(jī)組成部分，并已成為發(fā)展電動汽車新的附加價(jià)值的主要研究方向，在電網(wǎng)管理方面擁有巨大的吸引力。

向用戶供電（Vehicle-to-Home, V2H）或向負(fù)載供電（Vehicle-to-Load, V2L）作為電動汽車一個(gè)新的應(yīng)用價(jià)值在汽車行業(yè)受到廣泛關(guān)注。其利用AC-DC充電系統(tǒng)能量雙向流動的功能，在用電高峰期或特殊情況時(shí)并網(wǎng)或直接向用戶供電，可視為一種新型分布式供電系統(tǒng)。同時(shí)V2H的推廣應(yīng)用意味著可再生能源發(fā)電滲透率的提升，這些都對節(jié)能減排和智能電網(wǎng)的發(fā)展有著重要意義。

目前已有較多文獻(xiàn)對V2H模式的應(yīng)用做了相應(yīng)的研究。尼桑提出的“LEAF-to-home”供電系統(tǒng)，其使用車身的電池通過固定的電能轉(zhuǎn)換樁為住宅供電，但其轉(zhuǎn)換樁只能安裝在固定的地面，不方便隨車攜帶。有學(xué)者提出并完成了單相以及雙向的電動汽車并網(wǎng)（Vehicle-to-Grid, V2G）與V2H車載充電系統(tǒng)。有學(xué)者采用傳統(tǒng)的三相逆變器設(shè)計(jì)了雙向的三相AC-DC轉(zhuǎn)換器，采用傳統(tǒng)的dq變換在平衡負(fù)載下完成了5kW的V2H功能，并測試給出了2～5kW負(fù)載突增情況時(shí)的測試波形。

V2H模式中，為滿足用戶的需求，雙向充電系統(tǒng)需向單相和三相負(fù)載混合供電。需要一條中線來為不平衡負(fù)載提供一個(gè)電流回路，此時(shí)如果中線提供的中點(diǎn)沒有得到較好的平衡，可能會導(dǎo)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(yán)重的問題。因而，利用簡單有效的方式產(chǎn)生一個(gè)平衡的中點(diǎn)已成為一個(gè)重要研究方向。

但在相關(guān)學(xué)者研究中沒有提及不平衡負(fù)載時(shí)對系統(tǒng)的影響及相應(yīng)的解決方案。為滿足單相與三相負(fù)載的混合供電并防止因不平衡負(fù)載引起系統(tǒng)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(gè)串聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)，其串聯(lián)電容的中點(diǎn)為零序電流提供回路，此電流在本文中稱為中線電流，串聯(lián)的兩個(gè)電容稱為分裂電容。但在不平衡負(fù)載情況下，分裂電容電壓會發(fā)生振蕩，且振蕩的幅值與電容呈反比，與負(fù)載的不平衡度呈正比。因此需要有效的控制方法在負(fù)載不平衡時(shí)減小電容電壓紋波，保證系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行。

同時(shí)通過分裂電容實(shí)現(xiàn)不平衡負(fù)載下中線電流回路的方法存在兩方面的缺點(diǎn)：①需要的電容值較大；②需要的電容耐壓值大。

有學(xué)者采用三相四線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了10kW的V2H系統(tǒng)，分裂電容采用3000μF，且對分裂電容值的選擇及不平衡負(fù)載對母線電容的影響沒有說明。有學(xué)者展示了一個(gè)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(guān)管的斬波頻率降低系統(tǒng)開關(guān)損耗，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能。但對于非平衡負(fù)載時(shí)沒有做分析。

在相關(guān)學(xué)者的研究中提出一種提供中線的更好方法，在傳統(tǒng)的三橋臂變換器上增加第四個(gè)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(dǎo)致兩個(gè)直流端子上出現(xiàn)相對于中線的高頻電壓，此時(shí)，直流端子可能變?yōu)橐粋€(gè)電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）源。

在相關(guān)學(xué)者的研究只使用四個(gè)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(fù)載變換時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加中線橋臂的一個(gè)優(yōu)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(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制來獲得穩(wěn)定中點(diǎn)，因此相應(yīng)的控制設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。

同樣使用中線橋臂作為中線電流的回路在在相關(guān)學(xué)者的研究提出，其主要分析了感性、容性和阻性負(fù)載以及整流二極管作為逆變器負(fù)載時(shí)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為不平衡負(fù)載下系統(tǒng)的控制奠定了基礎(chǔ)。為了提高系統(tǒng)的效率，基于SVPWM的低開關(guān)損耗的中點(diǎn)電位平衡方法在在相關(guān)學(xué)者的研究提出，通過分裂電容并增加額外的開關(guān)管，采用SPWM在三相四線逆變器不平衡負(fù)載中實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS），然而沒有闡述母線電容值的選擇與負(fù)載不平衡度之間的關(guān)系。

有學(xué)者主要闡述了三相四線逆變器不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了電流內(nèi)環(huán)的重要性。基于以上兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，有學(xué)者提出分裂電容與中線橋臂同時(shí)使用于三相四線逆變器中，闡述了不同控制方法以適應(yīng)各種不平衡負(fù)載，但對于負(fù)載不平衡度與母線電容電壓振蕩幅值之間的關(guān)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(shí)的工作頻率沒有做任何分析。

根據(jù)以上分析，本設(shè)計(jì)所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三相輸出能夠分別獨(dú)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(jié)約了質(zhì)量、體積及成本。同時(shí)此系統(tǒng)在V2H模式下，尤其在不平衡負(fù)載中分裂電容值的選擇與不平衡度之間的關(guān)系及系統(tǒng)軟啟動方面很少有文章介紹。

針對目前的研究現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)的不足，結(jié)合具體的科研項(xiàng)目，西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院的研究人員采用分裂電容與中線橋臂相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一套車載的三相四線雙向充電器系統(tǒng)，主要研究了其在V2H模式下不平衡負(fù)載情況時(shí)的應(yīng)用。

圖1 充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖16 三相四線雙向AC-DC系統(tǒng)

研究者主要分析了不平衡負(fù)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(jù)負(fù)載不平衡度母線電容值的選擇依據(jù)。提出采用控制中線橋臂開關(guān)管工作的方法實(shí)現(xiàn)母線電容電壓平衡。

首先以10kW充電系統(tǒng)為目標(biāo)選擇系統(tǒng)參數(shù)，通過仿真說明了不平衡負(fù)載發(fā)生時(shí)對系統(tǒng)的影響。其次通過搭建試驗(yàn)平臺，以1.2kW不平衡負(fù)載作為對象采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過與仿真數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了不平衡負(fù)載發(fā)生時(shí)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(tǒng)在實(shí)際生活中的可靠性，提出了采用死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)的控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟系統(tǒng)。采用雙有源橋與三相四線逆變器級聯(lián)完成了10kW的V2H樣機(jī)，不平衡負(fù)載由切換純電阻負(fù)載模擬完成，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真值匹配，驗(yàn)證了所提方案的有效性。

以上研究成果已發(fā)表在2019年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“不平衡負(fù)載下車載三相四線雙向充電器中線橋臂控制與軟啟動設(shè)計(jì)”，作者為付永升、李靜、胡文婷、雷鳴。