一种双向四象限充电模块的控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种双向四象限充电模块的控制装置及方法，包括三电平功率变换拓扑，三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，三相锁相环模块的输出信号经坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、前馈叠加模块和交叉解耦模块后获得控制若干开关管通断的控制信号。本发明专利技术通过三相三电平拓扑结合矢量控制技术实现在电池充电的时候整流器工作于整流模式下，在电池放电时进行能量回馈至电网，从而实现电动汽车在充电时可以进行快速的模式切换以及实现充电模块在宽电压输入应用场景下双向四象限运行。

【技术实现步骤摘要】
一种双向四象限充电模块的控制装置及方法
本专利技术涉及新能源充放电领域，具体的说，是涉及一种双向四象限充电模块的控制装置及方法。
技术介绍
随着新能源汽车的逐渐普及和充电设施建设的提速，用户对整车充电提出了诸多新的需求，充电桩的建设场景也逐渐多元化，但是随之而来的是大规模电动车接入电网，从而给电网带来了诸多挑战，例如由于现有电网调度策略并未考虑大规模电动汽车接入时充放电的需求，当大规模电动车集中接入电网，必然会引起负荷尖峰对电网容量以及设施寿命造成压力。为应对上述挑战，诞生电动汽车V2G(Vehicle-to-grid，车辆到电网)技术，可以实现对电网的削峰填谷，避免负荷尖峰，同时提升电网的稳定性，但V2G技术应用中仍然存在如下问题需要解决：问题一：在现有的充电桩技术应用中，充电模块的能量流动通常是单向流动，为了解决双向流动问题，通常的做法是通过被动模式切换来实现充电与放电的功能，但是在实际应用场景中，该做法存在模式检测失败的可能，导致模式切换错误，从而对电网和放电电池造成风险，而为了提高模式切换的可靠性所增加的装置又会大幅提高整机成本，因此能量自适应的双向流动就成了业内亟待解决的问题。问题二：现有的电网对负荷的响应和调度都是以秒为单位进行的，其控制速度慢，负荷冲击大并且成本高，因此若在大规模电动汽车无序接入充电时，能够实现毫秒级的控制调度，将会大大减少负荷冲击对电网设施的影响。问题三：传统的基于平均电流法的维也纳控制方式只能实现整流功能，如果要实现V2G功能必须要另外加入逆变并网算法，对控制芯片的内存和处理速度都带来新的挑战，增加了系统的控制复杂度和成本。以上问题，值得解决。
技术实现思路
为了克服现有的技术的不足，本专利技术提供一种双向四象限充电模块的控制装置及方法。本专利技术技术方案如下所述：一方面，一种双向四象限充电模块的控制装置，包括电网侧电路、三电平功率变换拓扑以及直流母线电容，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，所述矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，所述三相锁相环模块的输出信号经所述坐标变换模块转换后获得有功分量和无功分量，经所述电压外环模块、所述电流内环模块、所述前馈叠加模块和所述交叉解耦模块后获得电压控制矢量，该电压控制矢量经所述坐标变换模块转换后输入所述矢量发波模块，以获得控制若干所述开关管通断的控制信号。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，电网侧电路包括滤波电感、滤波RC电路和电网侧电感。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，所述电压外环模块设有采样器和控制比较器，所述采样器采样所述直流母线电容的端电压，获得反馈电压值，所述比较器比较所述反馈电压值与预设的母线基准电压值，所述PI控制器输出得到母线电压的控制误差值。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，所述电流内环模块包括有功电流控制模块和无功电流控制模块，所述有功电流控制模块与所述电压外环模块连接，获取所述电压外环模块的输出量作为控制目标参考值，所述无功电流控制模块的控制目标参考值为0。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，所述交叉解耦模块与所述电流内环模块连接，并将有功电流环路中耦合的无功电流分量去除，将无功电流环路中的有功电流分量去除，所述前馈叠加模块设置于所述电流内环模块输出端，将有功分量和无功分量中的电压分量叠加到所述电流内环模块的输出量上，获得所述电压控制矢量。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，所述坐标变换模块包括克拉克变换模块、派克变换模块和反派克变换模块，所述克拉克变换模块和所述派克变换模块先后设置于所述三相锁相环模块的输出端，所述反派克变换模块设置于所述前馈叠加模块与所述矢量发波模块之间。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑为三相三电平拓扑，每一相包括两对串联的开关管，第一对开关管包括第一开关管和第四开关管，第二对开关管包括第二开关管和第三开关管，第一对开关管的两端分别连接直流侧的正母线和负母线，第二对开关管的一端连接在所述第一开关管和所述第四开关管之间，另一端连接所述直流母线电容，所述第一开关管的一端连接直流侧的正母线，另一端连接所述第四开关管，所述第四开关管的另一端连接直流侧的负母线。进一步的，所述直流母线电容包括正母线电容和负母线电容，所述正母线电容和所述负母线电容的中点连接第二对开关管的另一端。另一方面，本专利技术还提供了一种双向四象限充电模块的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用三相锁相环模块对电网电压的相位及幅值进行跟踪锁定，获得包含正余弦信号的输出信号；步骤2：进行坐标变换，获得d轴的有功分量和q轴的无功分量，包括有功电压分量Ud、有功电流分量Id、无功电压分量Uq、无功电流分量Iq；步骤3：控制有功电流环路的输出，切换系统工作模式，包括整流充电模式和逆变模式；步骤4：对有功电流环路和无功电流环路进行交叉解耦；步骤5：分别对有功电流分量与无功电流分量进行电压前馈叠加，获得电压控制矢量；步骤6：将步骤5所得的电压控制矢量进行派克反变换，获得两相静止坐标系α-β轴的电压分量Uα和Uβ；步骤7：电压分量Uα和Uβ经过空间矢量调制得到三电平空间矢量PWM波，来控制三电平功率变换拓扑中的开关管的通断。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，所述步骤2中的坐标变换包括克拉克变换和派克变换。根据上述方案的本专利技术，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：301、外部输入母线基准电压值(Vdc_ref)；302、采样直流母线电容的端电压，获得反馈电压值(Vdc_fdb)；303、控制比较器(PI控制器)对比母线基准电压值和反馈电压值；304、根据比较结果，调节有功电流环路的输出值。根据上述方案的本专利技术，其有益效果在于：本专利技术通过三相三电平拓扑结合矢量控制技术实现在电池充电的时候整流器工作于整流模式下，在电池放电时进行能量回馈至电网，从而实现电动汽车在充电时可以进行快速的模式切换以及实现充电模块在宽电压输入应用场景下双向四象限运行；进一步的，三电平矢量控制技术能够根据母线电压自适应的实现能量双向四象限流动，整流模式和逆变模式可实现毫秒级无缝切换，相比较传统的秒级控制模式，本专利技术具有更快的响应，利于电网应对大规模无序充电的需求；进一步的，相比传统的控制方案，本专利技术节省代码空间和处理器的时间资源，降低了整机系统成本。附图说明图1为本专利技术双向四象限充电模块的控制装置的结构示意图；图2为本专利技术三电平功率变换拓扑的连接电路图；图3为本专利技术双向四象限充电模块的控制方法的流程图；图4为本专利技术双向四象限的工作模式坐标图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本专利技术进行进一步的讲解说明。同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向四象限充电模块的控制装置，包括电网侧电路、三电平功率变换拓扑以及直流母线电容，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，所述矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，/n所述三相锁相环模块的输出信号经所述坐标变换模块转换后获得有功分量和无功分量，经所述电压外环模块、所述电流内环模块、所述前馈叠加模块和所述交叉解耦模块后获得电压控制矢量，该电压控制矢量经所述坐标变换模块转换后输入所述矢量发波模块，以获得控制若干所述开关管通断的控制信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种双向四象限充电模块的控制装置，包括电网侧电路、三电平功率变换拓扑以及直流母线电容，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，所述矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，
所述三相锁相环模块的输出信号经所述坐标变换模块转换后获得有功分量和无功分量，经所述电压外环模块、所述电流内环模块、所述前馈叠加模块和所述交叉解耦模块后获得电压控制矢量，该电压控制矢量经所述坐标变换模块转换后输入所述矢量发波模块，以获得控制若干所述开关管通断的控制信号。


2.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述电压外环模块设有采样器、比较器和PI控制器，所述采样器采样所述直流母线电容的端电压，获得反馈电压值，所述比较器比较所述反馈电压值与预设的母线基准电压值，所述PI控制器输出得到母线电压的控制误差值。


3.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述电流内环模块包括有功电流控制模块和无功电流控制模块，所述有功电流控制模块与所述电压外环模块连接，获取所述电压外环模块的输出量作为控制目标参考值，所述无功电流控制模块的控制目标参考值为0。


4.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述交叉解耦模块与所述电流内环模块连接，并将有功电流环路中耦合的无功电流分量去除，将无功电流环路中的有功电流分量去除，
所述前馈叠加模块设置于所述电流内环模块输出端，将有功分量和无功分量中的电压分量叠加到所述电流内环模块的输出量上，获得所述电压控制矢量。


5.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述坐标变换模块包括克拉克变换模块、派克变换模块和反派克变换模块，所述克拉克变换模块和所述派克变换模块先后设置于所述三相锁相环模块的输出端，所述反派克变换模块设置于所述前馈叠加模块与所述矢量发波模块之间。


6.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：高松元，房书文，王春俊，
申请(专利权)人：深圳市核达中远通电源技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44