电源学报

整流器	优点	缺点	主要应用领域
三相两电平整流器	电路结构简单, 技术和控制策略较为成熟, 能量双向流动。	开关应力大,存在上下开关臂直通问题,体积大,能量密度小。	中小功率场合
钳位式三电平整流器	开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,能量密度大。	使用开关器件数量多,经济效益低。	中大功率场合
Vienna 整流器	开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,不存在上下桥臂直通问题,体积小,能量密度大。	直流输出侧存在电容中点电位不平衡问题,能量仅能单向流动。	中小功率场合

整流器	优点	缺点	主要应用领域
三相两电平整流器	电路结构简单, 技术和控制策略较为成熟, 能量双向流动。	开关应力大,存在上下开关臂直通问题,体积大,能量密度小。	中小功率场合
钳位式三电平整流器	开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,能量密度大。	使用开关器件数量多,经济效益低。	中大功率场合
Vienna 整流器	开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,不存在上下桥臂直通问题,体积小,能量密度大。	直流输出侧存在电容中点电位不平衡问题,能量仅能单向流动。	中小功率场合

电压变换器	优点	缺点
非隔离型电压变换器	结构简单、体积小、成本较低、输出电压调节范围宽。	输入输出没有隔离, 存在一定安全风险。
隔离型电压变换器	输入输出隔离安全性高,抗噪声能力强。	成本高、控制困难、体积大。

电压变换器	优点	缺点
非隔离型电压变换器	结构简单、体积小、成本较低、输出电压调节范围宽。	输入输出没有隔离, 存在一定安全风险。
隔离型电压变换器	输入输出隔离安全性高,抗噪声能力强。	成本高、控制困难、体积大。

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	400	399.4~400.4	-
100	400	399.5~400.4	3.80%
115	400	399.4~400.4	-

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	400	399.4~400.4	-
100	400	399.5~400.4	3.80%
115	400	399.4~400.4	-

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	700	699.4~700.5	-
100	700	699.4~700.6	2.53%
115	700	699.4~700.4	-

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	700	699.4~700.5	-
100	700	699.4~700.6	2.53%
115	700	699.4~700.4	-

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	1000	998.4~1000.5	-
100	1000	999.5~1000.4	1.79%
115	1000	999.4~1000.4	-

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	1000	998.4~1000.5	-
100	1000	999.5~1000.4	1.79%
115	1000	999.4~1000.4	-

基于两级结构的电动汽车直流充电桩建模

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杨闯闯 ¹ , 俞波 ¹^,²

电源学报 | AC-DC 变换器 2024,22(4): 74-82

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电源学报 | AC-DC 变换器 2024, 22(4): 74-82

基于两级结构的电动汽车直流充电桩建模

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杨闯闯¹, 俞波¹^,²

作者信息

¹ 国网电力科学研究院有限公司南京 211106

² 国网电力科学研究院实验验证中心南京 211106

杨闯闯(1996-),男,通信作者,硕士研究生。研究方向:电动汽车充电设施建模与检测。E-mail: 1512843605@qq.com。

俞波(1963-),男,博士,研究员级高级工程师。研究方向:电网保护与控制。E-mail: yubo@sgepri.sgcc.com.cn。

Modeling of DC Charging Pile for Electric Vehicles Based on Two-stage Structure

Chuangchuang YANG¹, Bo YU¹^,²

Affiliations

¹ State Grid Electric Power Research Institute Nanjing 211106 China

² Experiment and Verification Center Nanjing 211106 China

出版时间: 2024-07-30 doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74

文章导航

摘要

收起

基于电动汽车直流充电桩的AC/DC和DC/DC 两级结构,通过对两级电路结构的功能要求进行分析,选择 Vienna 电路作为前级 AC/DC 整流电路,Buck-Boost 电路作为后级DC/DC电压变换电路,组合作为主电路搭建 MATLAB/Simulink仿真模型,并分别将负载设置为纯阻性负载和电池的PNGV 模型进行仿真。仿真结果满足输出电压稳压精度、输出电压纹波和输入电流谐波等参数要求,证明了该模型具有应用于含电动汽车负载电网分析的价值,对于研究电动汽车充电对电网的影响具有积极的促进作用。

关键词

直流充电桩 / 两级电路 / 仿真模型 / PI控制

Abstract

收起

Based on the two-stage (AC/DC and DC/DC) structure of a DC charging pile for electric vehicles(EVs) and through the analysis of the functional requirements of the two-stage circuit structure, a MATLAB/Simulink simulation model is built with a main circuit which consists of a Vienna circuit as the front-stage AC/DC rectifier and a Buck-Boost circuit as the rear-stage DC/DC voltage conversion circuit. Simulations are performed with load set as a pure resistive load and the PNGV model of a battery, respectively. Simulation results meet the requirement of parameters such as output voltage stability accuracy, output voltage ripple and input current harmonics, which proves that the model can be used to analyze the power grid loaded by EVs and promote the study on the impact of EVs on power grid.

Key words

DC charging pile / two-stage circuit / simulation model / PI control

引用本文

杨闯闯, 俞波. 基于两级结构的电动汽车直流充电桩建模. 电源学报, 2024 , 22 (4) : 74 -82 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74

Chuangchuang YANG, Bo YU. Modeling of DC Charging Pile for Electric Vehicles Based on Two-stage Structure[J]. Journal of Power Supply, 2024 , 22 (4) : 74 -82 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74

正文

收起

我国电动汽车 EV(electric vehicle)的数量在飞速增加中, 根据中国汽车工业协会网站的统计信息, 2021 年 1 月-10 月我国新能源汽车的累计产、销分别为 256.6 万辆和 254.2 万辆, 其中纯电动汽车产、销分别为 213.2 万辆和 210.5 万辆^[1]。电动汽车的充电是制约其发展的一个重要因素。目前, 电动汽车的充电方式可以分为传导式充电和无线充电^[2]。其中,根据充电设备的输出电能类型,传导式充电又可分为交流充电和直流充电。

直流充电桩是实现直流充电的主要载体, 电能由交流变为直流的过程在充电桩中实现, 其电能变换需要通过$\mathrm{{AC}}/\mathrm{{DC}}$ 整流和$\mathrm{{DC}}/\mathrm{{DC}}$ 电压变换两级过程^[3]。在直流充电桩的两级结构中,前级$\mathrm{{AC}}/\mathrm{{DC}}$ 的作用是为后级 DC/DC 提供稳定的直流输入电压,降低网侧谐波对电网的污染^[4-8]。这就要求该部分电路应满足以下条件:①效率和功率密度高；②可实现功率因数校正,抑制谐波对电网的污染；③具有良好的动态性能。

对于后级 DC/DC 部分则需提供可调节的直流输出, 实现为不同规格电动汽车蓄电池充电的目的。这就要求该部分电路应满足以下条件^[9-11] :①输出电压可在较大范围内调节；②输出电压稳定, 电压波动小；③生产成本较低。

1 两级电路的选择

收起

电动汽车直流充电桩的电能变化过程如图1所示。

1.1 前级 AC/DC 整流电路的选择

根据前级 AC/DC 部分应满足的条件对不同电路的特点进行对比分析, 结果如表1所示。

Vienna 整流器电路由维也纳大学的学者 Kolar$\mathrm{{JW}}$ 等^[12] 在 1994 年提出,其拓扑结构如图2。可知, Vienna 整流器是三电平整流器, 其直流侧采用 2 个相同大小的电容进行滤波和稳定输出电压, 可以将开关管的电压应力降至输出电压的$1/2$；同时,当开关频率和功率相同时,三电平整流器的电感值更小, 可有效提高设备的能量密度; 此外, Vienna 整流器的每相开关桥臂中仅包含 1 个开关管, 在设计中并不需要考虑死区问题, 降低了控制的复杂度, 同时单开关管的设计也可以降低设备的生产成本。综上所述,前级$\mathrm{{AC}}/\mathrm{{DC}}$ 部分选择 Vienna 整流器作为主电路。

1.2 后级 DC/DC 电压变换电路的选择

根据后级 DC/DC 部分应满足的条件对不同电路的特点进行对比分析, 结果如表2所示。

在隔离型电压变换器中, 仅有全桥式电压变换器可以做到较大功率, 但其存在电路复杂、经济性差等问题,因此$\mathrm{{DC}}/\mathrm{{DC}}$ 部分选择非隔离型电压变换器。由于 Buck 电路和 Boost 电路仅能实现单一的降压/升压,不能满足输出电压的调节范围,因此选择同时具有升、降压功能的 Buck-Boost 作为 DC/DC 部分的主电路, 其拓扑结构如图3所示。

由图2和图3可得充电桩的两级电路, 如图4所示。

2 仿真模型的搭建

收起

2.1 主电路参数的选择及模型搭建

2.1.1 Vienna 电路的电感电容设计

在本文所提设计中, 对于 Vienna 电路, 主要考虑其电感的滤波性能和电容对于输出电压的滤波效果。电感的滤波性能可表示为

(1)

$\frac{\left({2{U}_{\mathrm{{dc}}}- 3{U}_{\mathrm{m}}}\right){U}_{\mathrm{m}}}{2{f}_{\mathrm{s}}{U}_{\mathrm{{dc}}}\Delta {i}_{\mathrm{L}}}\leq {L}_{\mathrm{s}}\leq \frac{2{U}_{\mathrm{{dc}}}}{3{I}_{\mathrm{m}}\omega }$

式中:${U}_{\mathrm{{dc}}}$ 为直流侧输出电压;${U}_{\mathrm{m}}$ 为三相电网相电压峰值;${f}_{\mathrm{s}}$ 为电路中开关管的开关频率;$\Delta {i}_{\mathrm{L}}$ 为最大允许的谐波电流脉动量;$\omega$ 为交流侧速度;${I}_{\mathrm{m}}$ 为交流侧相电流幅值。

本研究中,开关频率${f}_{\mathrm{s}}= {20}\mathrm{{kHz}}$,输出电压${U}_{\mathrm{{dc}}}= {600}\mathrm{\;V}$,相电压峰值${U}_{\mathrm{m}}= {220}\sqrt{2}\mathrm{\;V}$,输出功率$P ={30}\mathrm{{kW}}$,效率$\eta ={0.96}> {0.93}$ (标准要求直流充电桩在输出功率不低于额定功率 50%时, 效率应大于等于${93}\%)$,取$\Delta {i}_{L}= 5\mathrm{\;A}$。

电容对于输出电压的滤波效果可表示为

(2)

${C}_{1}> \frac{{T}_{\text{imax }}\Delta {P}_{\max }}{2{U}_{\mathrm{{dc}}}\Delta {U}_{\text{dcmax }}}$

式中:${T}_{\text{imax }}$ 为整流器的最大惯性时间常数,取值${10}\mathrm{\;{ms}};\Delta {P}_{\max }$ 为负载最大功率变化,取值$5\mathrm{\;{kW}}$ ;$\Delta {U}_{\text{dcmax }}$ 为直流侧电压最大变化值,取直流侧电压的 10%。

2.1.2 Buck-Boost 电路的电感电容设计

在本研究中, Buck-Boost 电路工作在连续状态, 电感的大小可表示为

(3)

$ L >\frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}D}{{f}_{\mathrm{s}}\Delta {i}_{\mathrm{L}}}$

式中,$D$ 为图4所示电路中开关管$\mathrm{Q}$ 的占空比。

电容的大小可表示为

(4)

$ C >\frac{{I}_{\mathrm{o}}D}{{f}_{\mathrm{s}}\Delta {U}_{\mathrm{o}}}$

式中:${I}_{\mathrm{o}}$ 为输出电流;$\Delta {U}_{\mathrm{o}}$ 为最大允许的电容电压波动量。

计算得电感电容参数:${L}_{\mathrm{s}}= {0.8}\mathrm{{mH}},{C}_{\mathrm{s}}=$ $2\mathrm{{mF}}, L ={0.08}\mathrm{{mH}}, C = 1\mathrm{{mF}}$。

在 MATLAB/Simulink 中搭建主电路的模型如图5所示。

2.2 控制策略的设计及模型的搭建

2.2.1 Vienna 整流器的控制策略

Vienna 整流在理想情况下,${C}_{1}= {C}_{2}= C,{u}_{{c}_{1}}= {u}_{{c}_{2}}=$ $\frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{2}$。对图2所示电路分析可得,可使用开关函数等效开关桥部分, 即

${s}_{k}^{\prime }= \left\{\begin{array}{ll}- 1 &\text{ 开关器件关断且流过该相电流为负 }\\ 0 &\text{ 开关器件导通 }\\ 1 &\text{ 开关器件关断且流过该相电流为正 }\end{array}\right.$ (5)

式中,$k =\mathrm{a},\mathrm{b},\mathrm{c}$。

通过对图2所示电路进行 KVL 和 KCL 方程的构建, 化简后得到 Vienna 整流器在三相静止(abc) 坐标系下的数学模型为

(6)

$\left\{\begin{array}{l}{L}_{x}\frac{\mathrm{d}{i}_{x}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{x}- {i}_{x}{R}_{x}- \\{L}_{y}\frac{\mathrm{d}{i}_{y}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{y}- {i}_{y}{R}_{y}+ {s}_{yy}+ {s}_{yy}- {s}_{yy}+ \frac{{s}_{xx}+ {s}_{yy}+ {s}_{xy}}{3}+ {x}_{yy}\\{L}_{z}\frac{\mathrm{d}{i}_{z}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{z}- {i}_{z}{R}_{z}- {R}_{z}\\{L}_{y}\frac{\mathrm{d}{i}_{y}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{y}- {i}_{y}{R}_{y}+ {s}_{yy}- {s}_{yy}+ \frac{{s}_{xx}+ {s}_{yy}+ {s}_{xy}}{3}+ {x}_{yy}+ {s}_{xy}+ {s}_{xy}+ {s}_{xy}\\{L}_{z}\frac{\mathrm{d}{i}_{z}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{z}- {i}_{z}{R}_{z}- {s}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}\\{L}_{y}\frac{\mathrm{d}{i}_{y}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{y}- {i}_{y}{R}_{y}+ {s}_{zz}- {i}_{zz}- {i}_{zz}- {i}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}+ {s}_{zz}\\{L}_{z}\frac{\mathrm{d}{i}_{z}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{z}- {i}_{z}{R}_{z}+ {s}_{zz}- {i}_{zz}- {i}_{zz}- {i}_{zz}\end{array}\right.$

式中,${i}_{\mathrm{a}}\text{、}{i}_{\mathrm{b}}\text{、}{i}_{\mathrm{c}}$ 分别为交流侧三相电流;${e}_{\mathrm{a}}\text{、}{e}_{\mathrm{b}}\text{、}{e}_{\mathrm{c}}$ 分别为交流侧三相电网电压;${R}_{\mathrm{s}}$ 为交流侧等效电阻；${R}_{\mathrm{L}}$ 为直流侧负荷等效电阻；${C}_{1}\text{、}{C}_{2}$ 分别为 Vienna 电路的分压电容,保证三电平输出的稳定;${u}_{{c}_{1}}\text{、}{u}_{{c}_{2}}$ 分别为${C}_{1}\text{、}{C}_{2}$ 的电压;${s}_{kp},{s}_{k0},{s}_{kn}$ 在${s}_{k}^{\prime }$ 不同取值情况下的定义:${s}_{k}^{\prime }= 1$ 时,${s}_{kp}= 1,{s}_{k0}= 0,{s}_{kn}= 0$ ;${s}_{k}^{\prime }= 0$ 时,${s}_{kp}= 0,{s}_{k0}= 1,{s}_{kn}= 0;{s}_{k}^{\prime }= - 1$ 时,${s}_{kp}= 0$,${s}_{k0}= 0,{s}_{kn}= 1$。

对电网电压和电网电流进行 Clarke 变换, 可得到 Vienna 整流电路在${\alpha \beta }$ 坐标系下的电路数学模型为

(7)

$\left\{\begin{array}{l}{L}_{\mathrm{s}}\frac{\mathrm{d}{i}_{\alpha }}{\mathrm{d}t}= {e}_{\alpha }- {i}_{\alpha }{R}_{\mathrm{s}}- \left({{s}_{\alpha p}- {s}_{\alpha n}}\right)\frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{2}\\{L}_{\mathrm{s}}\frac{\mathrm{d}{i}_{\beta }}{\mathrm{d}t}= {e}_{\beta }- {i}_{\beta }{R}_{\mathrm{s}}- \left({{s}_{\beta p}- {s}_{\beta n}}\right)\frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{2}\\{C}_{1}\frac{\mathrm{d}{u}_{{c}_{1}}}{\mathrm{d}t}= \left({{s}_{\alpha p}{i}_{\alpha }+ {s}_{\beta p}{i}_{\beta }}\right)- \frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{{R}_{\mathrm{L}}}\\{C}_{2}\frac{\mathrm{d}{u}_{{c}_{2}}}{\mathrm{d}t}= -\left({{s}_{\alpha p}{i}_{\alpha }+ {s}_{\beta p}{i}_{\beta }}\right)- \frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{{U}_{\mathrm{{dc}}}}\end{array}\right.$

式中:${i}_{\alpha }\text{、}{i}_{\beta }$ 分别为$\alpha$ 轴、$\beta$ 轴等效电流;${e}_{\alpha }\text{、}{e}_{\beta }$ 分别为$\alpha$ 轴、$\beta$ 轴等效电压;${s}_{\alpha p}$、${s}_{\beta p}$、${s}_{\alpha n}$、${s}_{\beta n}$ 为式 (6) 中含${s}_{kp}$、${s}_{k0}$、${s}_{kn}$ 项经 Clarke 变换后所得。

同理, 对电网电压和电网电流进行 Park 变换, 可得到 Vienna 整流电路在${dq}$ 坐标系下的电路数学模型为

(8)

$\left\{\begin{array}{l}{L}_{s}\frac{\mathrm{d}{i}_{d}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{d}- {i}_{d}{R}_{s}+ {\omega L}{i}_{q}- \left({{s}_{dp}- {s}_{dn}}\right)\frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{2}\\{L}_{s}\frac{\mathrm{d}{i}_{q}}{\mathrm{\;d}t}= {e}_{q}- {i}_{q}{R}_{s}- {\omega L}{i}_{d}- \left({{s}_{qp}- {s}_{qn}}\right)\frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{2}\\{C}_{1}\frac{\mathrm{d}{u}_{{c}_{1}}}{\mathrm{\;d}t}= \left({{s}_{dp}{i}_{d}+ {s}_{qp}{i}_{q}}\right)- \frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{{R}_{L}}\\{C}_{2}\frac{\mathrm{d}{u}_{{c}_{2}}}{\mathrm{\;d}t}= -\left({{s}_{qh}{i}_{t}+ {s}_{mp}{i}_{q}}\right)- \frac{{U}_{\mathrm{{dc}}}}{2}\end{array}\right.$

式中:${i}_{d}\text{、}{i}_{q}$ 分别为$d$ 轴、$q$ 轴电流;${e}_{d}\text{、}{e}_{q}$ 分别为$d$ 轴、$q$ 轴电压;${s}_{dp}$、${s}_{qp}$、${s}_{dn}$、${s}_{qn}$ 为式(6)中含${s}_{kp}$、${s}_{k0}$、${s}_{kn}$ 项经 Park 变换后所得。

对基于 Vienna 整流器在${dq}$ 坐标系下的数学模型进行 Vienna 整流器电流内环和电压外环的 PI 控制器设计, 从而实现整流器系统的双闭环控制, 提高系统的工作稳定性,加快系统动态响应速度。

由式(8)可知, Vienna 整流器在${dq}$ 坐标系下的数学模型存在耦合现象, 因此在电流内环的设计中需要完成对耦合电流的前馈解耦, 解耦后的电流方程为

(9)

$\left\{\begin{array}{l} L\frac{\mathrm{d}{i}_{d}}{\mathrm{\;d}t}+ {i}_{d}{R}_{\mathrm{s}}= \left({{K}_{i\mathrm{P}}+ \frac{{K}_{i\mathrm{\;I}}}{s}}\right)\left({{i}_{d}^{* }- {i}_{d}}\right)\\ L\frac{\mathrm{d}{i}_{q}}{\mathrm{\;d}t}+ {i}_{q}{R}_{\mathrm{s}}= \left({{K}_{i\mathrm{P}}+ \frac{{K}_{i\mathrm{\;I}}}{s}}\right)\left({{i}_{q}^{* }- {i}_{q}}\right)\end{array}\right.$

式中:${K}_{i\mathrm{P}}\text{、}{K}_{i\mathrm{I}}$ 分别为$\mathrm{{PI}}$ 控制器的比例系数和积分系数;$s$ 为复频域变量;${i}_{d}^{* }$、${i}_{q}^{* }$ 分别为$d$ 轴、$q$ 轴电流给定值。

对于电压外环的设计, 仍然采用 PI 控制, 将其输出作为电流内环$d$ 轴的电流给定值,从而控制交流侧输入电流变化, 以实现整流器的单位功率因数运行。电压外环与电流内环共同构成双闭环控制, 控制框图如图6所示。

经过 PI 调节得到的${V}_{d}$、${V}_{q}$ 经过坐标变换后得到${V}_{\alpha }$、${V}_{\beta }$,再经过 SVPWM 调制后得到 Vienna 电路的开关管的 PWM 控制信号。在 MATLAB/ Simulink 中搭建的 Vienna 控制部分电路如图7所示。

2.2.2 Buck-Boost 电压变换器控制方法设计

充电桩后级 DC/DC 部分采用 Buck-Boost 电压变换器, 该电路结构简单, 易于控制。本研究对于电路的控制也采用电流内环加电压外环的双闭环 PI 控制, 开关管的控制信号由 SPWM 调制得到, 其整体控制框图如图8所示。

在 MATLAB/Simulink 中搭建的 Buck-Boost 控制部分电路如图9所示。在电动汽车充电过程中, 电池初始电量较低时, 采用电流单环控制, 此时电动汽车处于恒流充电模式；随着充电时间的增加, 电池两端电压升高, 将控制方式由电流单环控制转变为电压电流双环控制。本文主要研究在双环控制下的两级充电桩模型。综上, 在 MATLAB/Simulink 中搭建的整体仿真模型如图10所示。

3 仿真结果及分析

收起

在电动汽车直流充电桩的检测中, 对于输出电压稳压精度、输出电压纹波和网侧输入电流谐波要求如下。

1) 输出电压稳压精度

负载为纯阻性, 设定输出电压值, 调整输入电压分别为 85%、100%、115%额定值时,测量得到

的输出电压稳压精度不应超过 ±0.5%。

2) 输出电压纹波

负载为纯阻性, 设定输出电压值, 调整输入电压分别为 85%、100%、115%额定值时,测量得到的直流输出电压和直流电压的交流分量峰峰值, 电压纹波系数不应超过 1%。

3) 网侧输入电流谐波含量

输入电压为额定电压时, 谐波电流总畸变率 THD(total harmonic distortion)不大于 13%。

3.1 纯阻性负载下的仿真结果

将输出电压设置为${600}\mathrm{\;V}$,负载大小分别为${8\Omega }$ 和${12\Omega }$ 时,两级输出电压和负荷电流如图11所示; 网侧电流谐波分析结果如图12所示。

由图11和图12可知,初始状态下$\left({8\Omega }\right)$,输出电压可以在${0.3}\mathrm{\;s}$ 内达到设定值,当负载切换时, 输出电压也可在${0.1}\mathrm{\;s}$ 内达到设定值,电压输出范围分别为${597.9}\sim {601.8}\mathrm{\;V}$、${598.8}\sim {601.1}\mathrm{\;V}$；电流谐波含量分别为 1.02%、1.29%。各项参数均满足要求。

为进一步验证在不同输出电压和非额定输出功率下模型的输出特性, 选择输出电压为 400、700、1000 V,输出电流为${20}\mathrm{\;A}$,调节输入电压分别为额定输入电压的 85%、100%、115% 进行仿真, 得到的仿真结果分别如表3~表5所示。

由表3~表5可知,在不同的纯阻性负载和输出电压下,该模型均可得到满足要求的仿真结果。

为进一步验证模型的实用性, 将负载更换为电池再次进行仿真。常见的电池模型可以分为 Rint 模型、Thevenin 模型和 PNGV 模型, 其中 PNGV 模型为《PNGV 电池实验手册》中的标准电池模型^[13], 如图13所示。

将电池的 PNGV 模型作为负载加入本文模型, 运行得到直流侧输出电压、网侧电流谐波分析结果、负载侧电池电流电压的变化分别如图14(a)、(b)、(c)所示。

由图14可知, 该模型在负载为电池 PNGV 模型时,可以在${0.3}\mathrm{\;s}$ 内进入稳定状态,输出电压等效值为${600.1}\mathrm{\;V}$,电压峰峰值为${10.52}\mathrm{\;V}$,电压纹波系数为${0.9}\%< {1.0}\%$,网侧电流谐波含量为 1.10%,同样满足 Vienna 整流器的高功率因数运行条件。

4 结语

收起

本文通过对电动汽车直流充电桩两级结构进行分析, 在 MATLAB/Simulink 搭建了以 Vienna 整流器加 Buck-Boost 电压变换器作为主电路, 以电压外环加电流内环的双环 PI 控制作为控制策略的直流充电桩仿真模型。不同运行情况下的仿真结果表明, 该模型与实际充电桩的运行特性相似, 可用于对含电动汽车的电网的仿真研究, 对于研究电动汽车充电对电网的影响具有积极的促进作用。

参考文献

收起

文献

收起

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2024年第22卷第4期

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doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74

接收时间：2021-11-16
首发时间：2025-07-21
出版时间：2024-07-30

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收稿日期：2021-11-16
修回日期：2022-03-22
录用日期：2022-04-06

基金

作者信息

¹ 国网电力科学研究院有限公司南京 211106

² 国网电力科学研究院实验验证中心南京 211106

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/dyxb/CN/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

整流器	优点	缺点	主要应用领域
三相两电平整流器	电路结构简单, 技术和控制策略较为成熟, 能量双向流动。	开关应力大,存在上下开关臂直通问题,体积大,能量密度小。	中小功率场合
钳位式三电平整流器	开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,能量密度大。	使用开关器件数量多,经济效益低。	中大功率场合
Vienna 整流器	开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,不存在上下桥臂直通问题,体积小,能量密度大。	直流输出侧存在电容中点电位不平衡问题,能量仅能单向流动。	中小功率场合

整流器

优点

缺点

主要应用领域

三相两电平整流器

电路结构简单, 技术和控制策略较为成熟, 能量双向流动。

开关应力大,存在上下开关臂直通问题,体积大,能量密度小。

中小功率场合

钳位式三电平整流器

开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,能量密度大。

使用开关器件数量多,经济效益低。

中大功率场合

Vienna 整流器

开关管电压应力仅为直流输出电压的$1/2$,不存在上下桥臂直通问题,体积小,能量密度大。

直流输出侧存在电容中点电位不平衡问题,能量仅能单向流动。

中小功率场合

电压变换器	优点	缺点
非隔离型电压变换器	结构简单、体积小、成本较低、输出电压调节范围宽。	输入输出没有隔离, 存在一定安全风险。
隔离型电压变换器	输入输出隔离安全性高,抗噪声能力强。	成本高、控制困难、体积大。

电压变换器

优点

缺点

非隔离型电压变换器

结构简单、体积小、成本较低、输出电压调节范围宽。

输入输出没有隔离, 存在一定安全风险。

隔离型电压变换器

输入输出隔离安全性高,抗噪声能力强。

成本高、控制困难、体积大。

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	400	399.4~400.4	-
100	400	399.5~400.4	3.80%
115	400	399.4~400.4	-

输入电压设定值/%

输出电压有效值/V

输出电压范围/V

电流谐波含量

400

399.4~400.4

100

400

399.5~400.4

3.80%

115

400

399.4~400.4

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	700	699.4~700.5	-
100	700	699.4~700.6	2.53%
115	700	699.4~700.4	-

输入电压设定值/%

输出电压有效值/V

输出电压范围/V

电流谐波含量

700

699.4~700.5

100

700

699.4~700.6

2.53%

115

700

699.4~700.4

输入电压设定值/%	输出电压有效值/V	输出电压范围/V	电流谐波含量
85	1000	998.4~1000.5	-
100	1000	999.5~1000.4	1.79%
115	1000	999.4~1000.4	-

输入电压设定值/%

输出电压有效值/V

输出电压范围/V

电流谐波含量

1000

998.4~1000.5

100

1000

999.5~1000.4

1.79%

115

1000

999.4~1000.4