一种非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构，包括主电路模块和控制电路模块，其中：所述主电路模块，由三部分级联组成，分别是DC/DC部分、H桥平衡电路和DC/AC部分，车载动力电池经双向半桥变换器，连接至直流正负母线，直流正负母线间设置有H桥平衡电路和两个分压电容C1和C2，与双向半桥变换器的输出端相并联；直流母线连接二极管箝位型三电平PWM变换器，三相交流电源火线经三相LC滤波器接入各相桥臂的上下桥臂连接处；所述直流母线处H桥平衡电路，其H桥平衡电路由IGBT开关管Tb1反并联快恢复二极管，或具有体内寄生二极管的开关管Tb1与单向导通续流二极管Db1串联，构成一侧桥臂，其中间连接平衡电感Lb1，平衡电感的另一端接入直流侧中点，两侧桥臂，共阴极、共阳极连接，即上端均接至直流正母线，下端均接至直流负母线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子应用
，特别涉及一种非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构及其控制方法。具体说是现代电力变换技术下，适合于分布式电源与交流电网实现能量交互，满足共模电压抑制和中点电位平衡协同控制需求的非隔离型V2G系统拓扑结构和控制方法。
技术介绍
面对日益严峻的能源危机，推动电动汽车产业的发展，实现车辆和电网的双向能量互动(Vehicle-to-Grid，V2G)已成为大势所趋。目前V2G技术的发展趋于集成化。比亚迪双向逆变式充放电技术革新了现有各类外置式充电设备，直接集成于电机控制器，类似将整个充电柜缩小放进车里，实现交流大功率充电，又能把电池里的直流电反向变成交流电实现放电。国内某公司最新开发的双向逆变式多功能电机控制器也实现了同样的功能。V2G充放电系统的集成化得益于非隔离型的级联结构。双向PWM变换器搭配以双向半桥变换器，省去了笨重的工频变压器或者复杂的高频变压器，简化系统结构的同时，有效提高了逆变效率和功率密度。一方面，双向半桥拓扑简单实用，能量转换效率高，开关元件和二极管承受的电压、电流应力小。另一方面，级联结构可以有效利用前级升压电路对动力电池输出电压进行升压，平抑动力电池输出电压的波动，保证后级逆变器交流并网对直流母线电压的需求。但非隔离型V2G拓扑结构由于车载动力电池和电网缺少直接的电气隔离，形成的共模电流会增加进网电流谐波，甚至带来安全隐患，还会影响设备的正常使用，加速设备老化。某公司在其开发的集成化充放电设备中，已率先使用交流快充技术，三相充放最大功率可达40kW，远大于传统车载充电机的3kW功率水平。这一成果虽然会对现有行业标准和规范带来一定冲击，但因其揭示了行业未来的发展趋势，有其自身的合理性和先进性。因此，考虑V2G技术高压大功率的工程应用前景，抑制共模电流对于非隔离型V2G系统的发展和安全使用愈发显得至关重要。共模电流抑制是非隔离V2G集成系统实际应用需要解决的技术关键。从现有文献看，所提出的共模电流抑制途径大体可分为：增大共模回路阻抗和改进调制策略两大类。其中，增大共模回路阻抗又可分为增加共模电压滤波器、改变共模回路拓扑、电路参数匹配等多种方式,借此来实现共模电流分流。或者改变共模回路阻抗,其中，途径一会不同程度增加系统的器件数量和开关损耗，但性能可靠，可简化控制策略；途径二通过改变调制方式来减小系统的共模电压,从而减小光伏寄生电容上的电压波动,达到抑制电流的目的，契合非隔离结构对高功率密度和结构简单的追求。中点电位平衡是三电平电路的固有问题，作为整个系统的电压参考点，中点电位的偏移去一会引起系统输出的共模电压发生波动，进一步加剧共模电压的危害。解决问题的思路多是从不同的角度改变正负小矢量的作用时间来控制中点电位平衡。另一方面，正负小矢量同时参与参考矢量的合成，又会导致系统输出共模电压有较大的幅值，因此目前很难找到一种能够兼顾中点电位平衡控制和共模电压抑制的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种非隔离型三相三电平V2G系统的拓扑结构及其配套的控制方法，以满足高压大功率趋势下,非隔离V2G集成系统对共模电压抑制和中点电位平衡的技术需求。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构，包括主电路模块和控制电路模块，其中：所述主电路模块，由三部分级联组成，分别是DC/DC部分(采用双向半桥变换器)、H桥平衡电路和DC/AC部分(采用二极管箝位型三电平PWM变换器)。车载动力电池(组)经双向半桥变换器，连接至直流正负母线，直流正负母线间设置有H桥平衡电路和两个分压电容C1和C2，与双向半桥变换器的输出端相并联，同时，直流母线连接二极管箝位型三电平PWM变换器，三相交流电源火线经三相LC滤波器接入各相桥臂的上下桥臂连接处；所述直流母线处H桥平衡电路，其H桥平衡电路由IGBT开关管Tb1反并联快恢复二极管(或具有体内寄生二极管的开关管Tb1)与单向导通续流二极管Db1串联，构成一侧桥臂，其中间连接平衡电感Lb1，平衡电感的另一端接入直流侧中点，两侧桥臂，共阴极、共阳极连接，即上端均接至直流正母线，下端均接至直流负母线，其作用在于，可以根据中点电位的偏移方向，选择平衡电路的工作模式。通过调整电容C1和C2所带的电荷量，从而控制中点电位的偏移；所述控制电路模块，包括扇区判断模块，基本矢量选择模块，输出次序优化模块和SVPWM生成模块。进一步，所述H桥平衡电路的工作模态1：直流侧采集分压电容C1和C2的输出电压信号Udc1和Udc2，当电路中Udc1<Udc2时，中点电位偏高，控制H桥平衡电路工作在降压斩波模态，开关管Tb1工作，Tb2断开，开关管Tb1导通,电流从直流母线出来，依次流过分压电容C1，平衡电感Lb1，开关管Tb1，经系统前级电路DC/DC部分反并联二极管回到直流侧，使电感Lb1储能，当开关管Tb1关断时，电流经过平衡电感Lb1，二极管Db1和分压电容C1形成回路，存储在电感Lb1上的电能回送至直流母线，使中点电位降低，直至和C2两端的电压在一定的范围内达到平衡；所述H桥平衡电路的工作模态2：当电路中Udc1>Udc2时，中点电位偏低，控制H桥平衡电路工作在升压斩波模态，开关管Tb2工作，Tb1断开，开关管Tb2导通,电流从直流母线流出，依次流过开关管Tb2，平衡电感Lb2，分压电容C2，经系统前级电路DC/DC部分反并联二极管回到直流侧，给电容C2充电，并且使电感Lb2储能，当开关管Tb2关断的时候，电流经过平衡电感Lb2，分压电容C2和二极管Db2形成回路，存储在电感Lb2上的电能转移到C2上，使中点电位升高，直至和C1两端的电压在一定的范围内达到平衡。上述非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构的控制方法，具有共模电压抑制功能，网侧电压电流采样模块提取三相电网电动势信号ea,eb,ec和三相网侧电流信号ia,ib,ic，经电压电流双闭环(电压外环和电流内环)模块，生成参考电压矢量，送入控制电路模块，具体步骤如下：⑴确定参考矢量所处大扇区和小扇区，在选择基本矢量时，剔除输出共模电压幅值较大(≥Udc/3)的基本矢量，选择参考矢量所在小扇区内距离参考矢量最近且输出共模电压幅值≤Udc/6的三个基本矢量状态合成参考矢量；⑵确定三个基本矢量状态的输出次序，SVM采用五段式发波方式，每次以正小矢量作为起始矢量。以第一扇区为例，1和2小扇区基本矢量的输出次序为：POO→OOO→OON→OOO→POO。3和4小扇区基本矢量的输出次序为：POO→PON→OON→PON→POO；5小扇区基本矢量的输出次序为：POO→PON→PNN→PON→POO；每相开关状态不会出现由P到N的跳变，每个开关周期内，有一相开关不动作，总的开关切换次数为4次；⑶为保证参考矢量在更换扇区时(比如由5小扇区过渡到6小扇区)，至多有一相开关动作，6小扇区仍以正小矢量作为起始矢量，同时采用不对称矢量合成方法，PON→OON→PON→PPN→PON，总的开关切换次数同样为4次；⑷其他扇区矢量输出次序依法类推。本专利技术的有益效果是：提出一种非隔离型三相三电平V2G集成系统的新型拓扑结构及其配套的控制方法，实现了非隔离V2G集成系统共模电压抑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括主电路模块和控制电路模块，其中：所述主电路模块，由三部分级联组成，分别是DC/DC部分、H桥平衡电路和DC/AC部分，车载动力电池经双向半桥变换器，连接至直流正负母线，直流正负母线间设置有H桥平衡电路和两个分压电容C1和C2，与双向半桥变换器的输出端相并联；直流母线连接二极管箝位型三电平PWM变换器，三相交流电源火线经三相LC滤波器接入各相桥臂的上下桥臂连接处；所述直流母线处H桥平衡电路，其H桥平衡电路由IGBT开关管Tb1反并联快恢复二极管，或具有体内寄生二极管的开关管Tb1与单向导通续流二极管Db1串联，构成一侧桥臂，其中间连接平衡电感Lb1，平衡电感的另一端接入直流侧中点，两侧桥臂，共阴极、共阳极连接，即上端均接至直流正母线，下端均接至直流负母线，通过调整电容C1和C2所带的电荷量，从而控制中点电位的偏移；所述控制电路模块，包括扇区判断模块，基本矢量选择模块，输出次序优化模块和SVPWM生成模块。

【技术特征摘要】
1.一种非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括主电路模块和控制电路模块，其中：所述主电路模块，由三部分级联组成，分别是DC/DC部分、H桥平衡电路和DC/AC部分，车载动力电池经双向半桥变换器，连接至直流正负母线，直流正负母线间设置有H桥平衡电路和两个分压电容C1和C2，与双向半桥变换器的输出端相并联；直流母线连接二极管箝位型三电平PWM变换器，三相交流电源火线经三相LC滤波器接入各相桥臂的上下桥臂连接处；所述直流母线处H桥平衡电路，其H桥平衡电路由IGBT开关管Tb1反并联快恢复二极管，或具有体内寄生二极管的开关管Tb1与单向导通续流二极管Db1串联，构成一侧桥臂，其中间连接平衡电感Lb1，平衡电感的另一端接入直流侧中点，两侧桥臂，共阴极、共阳极连接，即上端均接至直流正母线，下端均接至直流负母线，通过调整电容C1和C2所带的电荷量，从而控制中点电位的偏移；所述控制电路模块，包括扇区判断模块，基本矢量选择模块，输出次序优化模块和SVPWM生成模块。2.根据权利要求1所述非隔离型三相三电平V2G充放电拓扑结构，其特征在于，所述H桥平衡电路的工作模态1：直流侧采集分压电容C1和C2的输出电压信号Udc1和Udc2，当电路中Udc1<Udc2时，中点电位偏高，控制H桥平衡电路工作在降压斩波模态，开关管Tb1工作，Tb2断开，开关管Tb1导通,电流从直流母线出来，依次流过分压电容C1，平衡电感Lb1，开关管Tb1，经系统前级电路DC/DC部分反并联二极管回到直流侧，使电感Lb1储能，当开关管Tb1关断时，电流经过平衡电感Lb1，二极管Db1和分压电容C1形成回路，存储在电感Lb1上的电能回送至直流母线，使中点...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜湘武，肖志恒，邓浩然，李艺，曲伟，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，保定友源电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13