电动汽车充电桩三相三电平整流器的控制研究*

卿 腾，唐勇奇，2，赵怀阳，林 轩，赵葵银

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.风电装备与电能变换协同中心，湘潭 411104；3.湖南工业大学 电气与信息工程学院，株洲 412000)

电动汽车充电桩三相三电平整流器的控制研究*

卿 腾1，唐勇奇1，2，赵怀阳3，林 轩1，赵葵银1

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.风电装备与电能变换协同中心，湘潭 411104；3.湖南工业大学 电气与信息工程学院，株洲 412000)

针对充电桩存在的谐波含量高、功率因数低的问题，提出了一种三相三电平VIENNA整流器，研究了整流器的控制系统结构和控制策略，提出了一种电压电流双闭环的控制结构，采用了电流滞环比较控制和中点电压平衡控制方法.通过PSIM仿真软件仿真验证方案的可行性，稳态运行时网侧THDi仅2.23%，功率因数达到99.93%.

充电桩；三电平整流器；滞环比较器

0 引言

电动汽车充电桩是新能源概念下的产物，是一种专为电动汽车电池充电的电能转换设备，作为充电桩核心部分的整流器，在实现了电能变换的同时，也带来了谐波和无功污染的问题，因此，研究高功率因数和低谐波的整流装置已成为电力电子领域一个热门热点.VIENNA整流器具有功率因数高、输入电流Thdi低、开关器件少、可靠性高等优点，但传统VIENNA整流器存在中点波动的问题，中点波动会带来谐波，故研究一种平衡中点电压的控制方法尤为迫切.本文通过在整流器控制系统中采用滞环电流控制，并将中点电压偏差引入滞环电流中，能较好的解决这个问题.

1 VIENNA整流器的工作原理

在VIENNA整流电路拓扑结构中(如图1所示)，电感Ls为等值电感，作用为抑制由电网侧带入的高次谐波，其次还有平衡桥臂和电网电压的作用.C1、C2为滤波电容，整流后的电流带有高次谐波，电容可以为其提供通路，同时也减少了输出直流电压的纹波.由于C1、C2也为等值电容，从而起到了平衡中点电压的作用.每相具有一个MOS管和四个二极管组成的双向开关.

图1 VIENNA整流器拓扑结构

设三相输入电压为：

(1)

三相正弦交流电压波形如图2所示.

图2 三相正弦交流电压波形

状态0(0,0,0)：开关管Sa、Sb、Sc全部关断，此时状态为UAO=Udc/2，UBO=-Udc/2，UCO=Udc/2，正向电流对电容C1、C2充电.

状态1(0,0,1)：开关管Sa、Sb，开通Sc关断，此时状态为UAO=Udc/2，UBO=-Udc/2，UCO=0，正向电流对电容C1、C2充电.

状态2(0,1,0)：开关管Sa、Sc关断，Sb开通，此时状态为UAO=Udc/2，UBO=0，UCO=Udc/2，正向电流对电容C1充电，对C2放电.

状态3(0,1,1)：开关管Sb、Sc开通，Sa关断，此时状态为UAO=Udc/2，UBO=0，UCO=0，正向电流对电容C1充电，对C2放电.

状态4(1,0,0)：开关管Sa开通，Sb、Sc关断，此时状态为UAO=0，UBO=-Udc/2，UCO=Udc/2，正向电流对电容C1、C2充电.

状态5(1,0,1)：开关管Sa、Sc开通，Sb关断，此时状态为UAO=0，UBO=-Udc/2，UCO=0，正向电流对电容C1放电，对C2充电.

状态6(1,1,0)：开关管Sa、Sb开通，Sc关断，此时状态为UAO=0，UBO=0，UCO=Udc/2，正向电流对电容C1充电，对C2放电.

状态7(1,1,1)：开关管Sa、Sb、Sc全部开通，此时状态为UAO=0，UBO=0，UCO=0，正向电流对电容C1、C2放电.

分析上述八种状态可知线电压UAB可以产生三种电平状态，即Udc、Udc/2、0，同理UBC、UCA也可以产生三电平状态，这样组合成的阶梯型波形更加接近正弦输出电压，其他扇区同理可推导.

2 VIENNA整流器控制单元

如图3所示，为VIENNA整流器的控制框图，分别由三部分控制单元组成，外环直流母线电压控制，内环三相输入电流控制和中点电压平衡控制.

图3 Vienna整流器控制框图

外环直流母线电压控制保证了输出电压稳定，控制方式采用PI控制，通过电压互感器得到输出电压值与参考电压作差比较，差值作为PI控制器的控制信号，经PI控制器之后信号为电流内环控制提供指令电流i*.

内环控制方法采用简单的电流滞环控制，如图4所示，该电流控制结构采用了一个非线性的滞环比较器代替了传统的电流调节器，当电流偏差在Δh之内，输出保持不变,起到了防止小干扰的作用.

中点电压平衡控制，除了对电流和母线电压进行控制外，直流母线侧两个电容中点的电压平衡控制也很重要，在电流控制回路中引入对中性点电压的补偿.

图4 滞环控制原理图

2.1 电流内环控制器的设计

电流内环控制采用一个非线性的滞环比较器作为控制调节器，滞环控制的原理，当电流偏差超越滞环宽度+h或-h时，则按照给定的逻辑切换，迫使电流偏差减少，达到控制电流的效果.滞环控制的环宽度h的选取需要综合考虑电网侧谐波和开关的频率，h的值越小，网侧电流的谐波虽减小，但开关频率高，由于受器件性能限制，开关频率不能太高，需要适当选取，一般h的值选取如下公式

h>Udc*T/(18L)

(2)

式中：T为采样周期；L为输入电感.

本文中的采样周期T的值是100 kHz，输入电感的值是2 Mh，输出电压Udc的值是800 V.得到上式不等式的数值表达式如下：

h>0.22

(3)

本文综合考虑h的取值为数值1.

因为VIENNA整流器采用的是双向开关，当流入开关的电流方向不同时，滞环比较器的开关逻辑也不一样，逻辑开关式如下：

(4)

考虑中点电压平衡，引入额外参数icp=k*ΔUc，Uc为输出两串联电容的差值，k为补偿系数，得到新的滞环比较器的开关逻辑表达式如下：

该开关逻辑从控制方式上分析可以由比较器和SR触发器构成最小控制单元，如图5所示，由于SR触发器输出状态有高电平、低电平、保持三种状态，正好为滞环控制提供了先决条件，以A相为例进行分析说明.

图5 滞环控制最小控制单位

该开关逻辑从VIENNA拓扑结构上分析可以清晰的得到各个状态的电流流向，如图6所示，以A相为例进行说明，规定电流正方向为流入开关管的方向，分析如下：

图6 滞环控制下的不同状态工作模式

2.2 电压外环控制器的设计

电压外环的作用主要是为电流内环控制提供指令电流，以稳定直流输出侧电压稳定，故电压外环控制系统在整定控制参数时，应该重点考虑系统的抗干扰性能，本文采用的是PI控制器，采用典型Ⅱ型系统来设计电压外环控制器，典型Ⅱ型系统虽然超调量相对较大，但是抗扰性能较好，符合本文控制的要求.电压外环控制传递函数结构如图7所示.

图7 电压外环控制传递函数框图

得到电压外环传递函数为：

(6)

式中T为元器件的惯性时间常数，Kp为PI调节器的的比例参数，Ki为PI调节器的积分参数，C为电压输出端电容的值.

而中频宽定义为：

(7)

综合考虑电压外环的抗扰性能和跟随性能，工程实践中一般取值hv=5.

由典型Ⅱ型系统控制器参数整定关系可得:

(8)

通过计算惯性时间常数T取值为1.78×10-8，电容C的取值为2 mF.

2.3 中点平衡控制

直流电流、低频交流分量往往会造成电容中点的不对称，此外，电压的不对称也会产生相应的谐波分量，若不进行中点电压平衡控制，则需要采取增大电容和开关管应力的措施.这样一来不利于整流器的安全运行.

当直流侧电容电压不平衡时，将中点电压补偿引入电流内环控制环节，中点电压补偿表达式如下式：

icp=K(Uc1-Uc2)

(9)

式中K为中点补偿系数，Uc1为电容C1两端的电压，Uc2为电容C2两端的电压.

中点补偿系数K值的选取必须适当，因为引入的icp含有一定谐波分量的直流，引入不恰当会导致污染电网，影响输入电流波形的质量，K的取值需要综合考虑中点平衡和网侧电流谐波.K值越大，中点平衡效果好，而网侧电流质量会变差.K值越小，中点平衡效果不明显，而网侧电流质量受影响程度小.选值标准既要满足网侧电流THD小于5%，而且中点平衡效果良好.

合成后的参考电流表达式如下：

(10)

3 仿真结果分析

为了验证上述方案的可行性，通过仿真软件PSIM搭建了实验平台，主电路如图8所示，控制电路如图9所示.

图中各参数为：输入交流电压220 V，电网频率为50 Hz，输入电感为2 mH，直流两端电阻均为1 kΩ.

图8 PSIM仿真软件平台搭建的Vienna整流器主电路图

图9 PSIM仿真软件平台搭建的Vienna整流器控制电路图

VIENNA整流器网侧相电压、相电流、输出电压波形如图10所示，可以分析电流总谐波含量THD=2.23%，网侧功率因数PF=99.93%.输入线电压相电流波形如图11所示，从线电压波形可以看出电压电平为三电平，验证了三相三电平VIENNA整流的特性.

图10 输出电压、网侧相电压电流波形

图11 输入线电压、相电流波形

4 结论

本文针对三相三电平VIENNA整流器控制策略的研究，提出电压外环PI控制策略和直流中点电压偏差引入电流内环滞环控制策略，通过这种控制策略达到了输出电压稳定、直流侧中点平衡且网侧性能优异.验证了文中所述控制策略的正确性.

从输出侧仿真图形可以看出，输出电压的的超调量较小，并且能很快达到参考电压值，稳定后电压波动微小.从输入侧的仿真图形可以看出，电压和电流基本是同相位，对电网侧基本无污染且电能的利用率更高.

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Research on Control of Three-phase Three-level in Electric Car Charging Pile

QING Teng1， TANG Yong-qi1，2， ZHAO Huai-yang3， LIN Xuan1， ZHAO Kui-yin1

(1.College of Electrical and Information Engineering， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411104， China；2.The Cooperative Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion，Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411104， China；3.College of Electrical and Information Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412000, China)

In view of the problem of high harmonic content and low power factor in charging pile, this paper proposes a three-phase and three-level VIENNA rectifier. The control system structure and control strategy of the rectifier are studied. The voltage and current dual closed-loop control structure is proposed by using controlling method of the current hysteresis comparison and neutral point voltage balance. The feasibility of scheme is verified by PSIM simulation software. The network side of THDi is only 2.23% under the steady-state operation, and the power factor is nearly 99.93%.

charging pile; three-phase three-level; hysteresis comparator

2016-04-05

湖南省科技创新计划资助项目(Y15013);湖南省高校创新平台开放基金项目(10K017)；湖南省高校科技创新团队支持计划资助项目(湘教通[2014]207号).

卿 腾(1991-)，男，硕士研究生，研究方向:电力电子技术.

唐勇奇(1964-)，男，教授，电力电子及电力传动.

TM461

A

1671-119X(2016)04-0008-06