【摘要】：發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是解決環(huán)境和能源危機(jī)的關(guān)鍵途徑,更是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路。直流充電系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,已成為國(guó)計(jì)民生的重大急需。傳統(tǒng)直流充電系統(tǒng)常采用“Vienna整流器與諧振變換器”的兩級(jí)功率變換結(jié)構(gòu),因其具有成本低、功率密度高等優(yōu)勢(shì)得到市場(chǎng)推崇并廣泛應(yīng)用。但是,常規(guī)雙端口Vienna整流拓?fù)洳粌H存在固有的中點(diǎn)電位振蕩,系統(tǒng)可靠性差等問(wèn)題,而且其直流側(cè)電壓恒定或只能高于交流側(cè)峰值電壓,使得充電系統(tǒng)僅依賴DC-DC變換器調(diào)節(jié)輸出電壓,難以滿足全負(fù)載范圍內(nèi)高效運(yùn)行需求。具有多電壓等級(jí)靈活供電能力、柔性寬范圍輸出的多端口Vienna整流器則能有效解決這一問(wèn)題,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前,多端口Vienna整流器相關(guān)理論和技術(shù)遠(yuǎn)未完善,依然存在直流不平衡運(yùn)行機(jī)理不清、交直流側(cè)電能質(zhì)量差、不平衡負(fù)載擾動(dòng)下多端口電壓失穩(wěn)等難題懸而未決。針對(duì)Vienna整流器存在的以上問(wèn)題,本文首先提高雙端口Vienna整流器可靠性;進(jìn)一步研究多端口Vienna整流器低諧波調(diào)制技術(shù);以此為基礎(chǔ),研究兼顧其交直流側(cè)電能質(zhì)量的調(diào)制方案;利用該調(diào)制方案,設(shè)計(jì)了輸出分配結(jié)構(gòu)的多端口Vienna整流器及其抗不平衡負(fù)載擾動(dòng)控制策略。論文研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)概述如下:針對(duì)雙端口Vienna整流器中點(diǎn)電位振蕩問(wèn)題,本文結(jié)合電平轉(zhuǎn)換思想簡(jiǎn)化了空間矢量調(diào)制;然后,根據(jù)空間矢量與載波調(diào)制等效原理,分析了開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響;最后,實(shí)時(shí)計(jì)算中點(diǎn)電位的偏移量調(diào)節(jié)系數(shù)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明:雙端口Vienna整流器直流電壓平衡后中點(diǎn)電位振蕩得到有效抑制,振蕩幅值降低約57%。該方法降低了傳統(tǒng)雙端口Vienna整流器直流側(cè)電容與器件應(yīng)力,進(jìn)而降低直流充電系統(tǒng)設(shè)備故障率及運(yùn)維成本。針對(duì)功率因數(shù)角及直流電壓不平衡引起的交流輸入電流畸變問(wèn)題,首先根據(jù)Vienna整流器電流強(qiáng)制換向特性,研究并揭示了多端口Vienna整流器直流側(cè)電壓不平衡運(yùn)行機(jī)理。進(jìn)而巧妙地辨識(shí)了畸變異常區(qū)間,并提出了一種補(bǔ)償與零序分量疊加注入的載波調(diào)制方案(Overlapped Component Injection Scheme,OCIS)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明:OCIS與傳統(tǒng)零序分量注入的載波調(diào)制相比有效降低了多端口Vienna整流器交流側(cè)總諧波含量(直流電壓平衡時(shí)THDi=1.1%、不平衡時(shí)THDi=1.4%)。多端口Vienna整流器不平衡運(yùn)行機(jī)理及其低諧波調(diào)制技術(shù)可用于改善不平衡Vienna整流器交流側(cè)電能質(zhì)量,為充電系統(tǒng)綠色可靠用電奠定了堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。針對(duì)多端口Vienna整流器交直流側(cè)電能質(zhì)量差問(wèn)題,本文基于低諧波調(diào)制技術(shù),提出了補(bǔ)償分量與優(yōu)化的零序分量分段注入載波調(diào)制方案(Segmented Component Injection Scheme,SCIS)。首先數(shù)值計(jì)算OCIS開(kāi)關(guān)周期內(nèi)中性點(diǎn)電流平均值;然后分析鉗位區(qū)間電路運(yùn)行,注入唯一補(bǔ)償分量以消除交流側(cè)電流畸變;同時(shí)精確計(jì)算優(yōu)化分量并注入連續(xù)區(qū)間以抑制中性點(diǎn)電流波動(dòng);最后以輸入電流諧波含量與輸出中點(diǎn)電壓波動(dòng)交流分量有效值評(píng)價(jià)對(duì)比了 OCIS與SCIS交直流側(cè)性能。該方案不僅可以在電壓平衡時(shí)消除電流畸變,抑制直流側(cè)電壓波動(dòng),而且直流電壓不平衡時(shí)同樣有效,為多端口 Vienna整流器提供了理想調(diào)制方案。針對(duì)不平衡負(fù)載擾動(dòng)下多輸出失穩(wěn)問(wèn)題,本文配合中性橋臂提供的負(fù)載電流通路,構(gòu)造了一種輸出電流分配結(jié)構(gòu)的多端口整流器,實(shí)現(xiàn)多端口不平衡全工況的柔性輸出;進(jìn)一步著重研究了注入電流調(diào)節(jié)模式下多端口 Vienna整流器負(fù)載電流前饋的控制策略與分配電流調(diào)節(jié)模式下中性橋臂模型預(yù)測(cè)控制策略。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明:所提高性能控制策略實(shí)現(xiàn)了任意不平衡負(fù)載擾動(dòng)下多端口Vienna整流器輸出快響應(yīng)、強(qiáng)魯棒穩(wěn)定控制。綜上所述,本文以市場(chǎng)廣泛應(yīng)用的雙端口Vienna整流器為研究對(duì)象,抑制其中點(diǎn)電位振蕩,提高了功率變換系統(tǒng)可靠性。進(jìn)一步對(duì)多端口Vienna整流技術(shù)發(fā)展做了理論探討和技術(shù)實(shí)踐:探究了直流電壓不平衡運(yùn)行機(jī)理及其低諧波調(diào)制技術(shù);以此為基礎(chǔ),提出了改善多端口Vienna整流器交直流側(cè)電能質(zhì)量的高品質(zhì)調(diào)制方案;針對(duì)不平衡負(fù)載擾動(dòng),通過(guò)拓?fù)錁?gòu)造、工作模式及其控制設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了多端口Vienna整流器的寬范圍柔性輸出、多電壓等級(jí)靈活供電,有效提高了直流充電系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的適應(yīng)性。
【圖文】：

圖１．２直流充電系統(tǒng)功能逡逑充電系統(tǒng)涉及電力電子技術(shù)、拽制理論、信息科學(xué)、電化學(xué)、科交叉融合。為了進(jìn)一步改善直流充電系統(tǒng)，仍需研宄的關(guān)鍵：電池技術(shù)及充電方法，充電線纜及接口技術(shù)，電池管理及安全及其控制技術(shù)等方面。逡逑電池技術(shù)及充電方法逡逑性能指標(biāo)主要有充電倍率、能量密度、循環(huán)壽命、峰值功率、力電池的充電容許電流倍率［７］是影響充電速度的關(guān)鍵因素之一，電系統(tǒng)便捷性的先決條件。因此符合電池特性的充電方法是直流靈魂”。進(jìn)而考慮環(huán)境溫度影響、電池壽命限制研宄充電方法是電系統(tǒng)高效、安全、快速［８］［９］三要素的理論基礎(chǔ)。逡逑充電線纜及接口技術(shù)逡逑電線纜及接口技術(shù)是直流充電系統(tǒng)的“咽喉”，對(duì)改善充電體驗(yàn)

邐Ｉ逡逑圖１．３直流充電系統(tǒng)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)逡逑１）邋ＡＣ－ＤＣ邋環(huán)節(jié)逡逑根據(jù)能量是否雙向流動(dòng)，ＡＣ－ＤＣ環(huán)節(jié)拓?fù)浯笾路譃殡p向整流和單向整流兩大逡逑類(lèi)。雙向整流主要由傳統(tǒng)三相全橋ＰＷＭ整流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)電流逡逑諧波低、直流側(cè)電壓可控等。與雙向整流拓?fù)湎啾�，單向整流拓�(fù)湟蚱涓俚拈_(kāi)逡逑關(guān)管數(shù)量，更簡(jiǎn)單的拓?fù)渑c控制結(jié)構(gòu)在無(wú)需能量雙向流動(dòng)的直流充電系統(tǒng)中更具逡逑應(yīng)用潛力。逡逑單向整流主要分為不控整流橋和調(diào)理電路類(lèi)與電流注入類(lèi)。前者的調(diào)理電路逡逑可選用有源濾波器（Ａｃｔｉｖｅ邋Ｐｏｗｅｒ邋Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）或功率因數(shù)矯正器（Ｐｏｗｅｒ邋Ｆａｃｔｏｒ逡逑Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，，邋ＰＦＣ）。以色列艾瑞爾撒馬利亞中心大學(xué)Ｋｕｐｅｒｍａｎ等研發(fā)的５０邋ｋＷ電池逡逑充電站拓?fù)溆刹豢卣鳂颉⑷齻�(gè)單相ＡＰＦ組成［１４］，如圖１．４邋（ａ）所示。逡逑ｒ＿邋Ｉ邋Ｉ—１—｜邋升壓型等效邋Ｉ逡逑１＼邋％邋１＼邐電路�。哌姡眩撸苓姡撸裕辏鲥义希捱娺娺姟姡边姡椋椋椋颍龋义希�
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM461

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