非车载双向充电机技术

2020-02-01严振东

电子技术与软件工程 2020年10期

关键词：充电机有源电平

严振东

（数源科技股份有限公司浙江省杭州市 310012）

1 非车载双向充电机简介

非车载充电机一般布置在社会充电场站或公交专用充电场站，用于电动汽车的快速充放电。非车载充电机功率较大，一般采用三相电路实现。图1 给出了非车载双向充电机应用示意图，电池组与电网的能量可以双向互动。

2 充电机主电路工作原理

非车载双向充电机主电路如图2所示，采用两级式架构，前级采用双向三相三电平PWM 变换电路，后级采用串-并架构的双向全桥电路。常用的三相三电平AC/DC 电路主要有两种拓扑，一种是NPC-I 型三电平架构，另一种是NPC-T 型三电平架构。NPC-I型需要10 路独立驱动电源，而NPC-T 型因共发射极结构仅需要7路，而共集电极仅需要5 路；另在元器件数量上，T 型比I 型少了六个二极管，更节省空间，故NPC-T 型三电平架构更有利于功率密度的提升，建议优先选用NPC-T 型三相三电平电路作为高频隔离AC/DC 模块的前级电路。后级可实现高频隔离，其原边和副边均采用全桥电路以实现能量的双向流动，即实现电动汽车电池的充放电。项目中的电网侧NPC-T 型三相三电平电路除了从电网吸收能量为电池充电外还须并网运行。

图1：非车载充电机原理框图

图2：非车载型双向充电机主电路原理图

2.1 T型三相三电平电路工作原理

图3 为NPC-T 型三相三电平可逆变主电路图。此电路图中，三相中每相的桥臂都是由4 个呈T 型排列的开关管组成，每个开关管的集电极和发射极都并接一个二极管；直流输入侧为光伏阵列直流电压经DC/DC 变换得到的直流母线电压VDC，两个容值相等的电容Cdc1和Cdc2分别分压VDC/2；输出侧经过LR 滤波器后并入三相电网。

2.2 串联、并联型双有源桥电路的原理分析

如图4，1#双有源桥电路和2#双有源桥电路在低压侧并联，高压侧串联，构成了串-并型双有源桥电路。低压侧连接的是电池电压，高压侧连接的是直流母线电压Vbus。在1#双有源桥电路拓扑图和2#双有源桥电路拓扑图中，高频开关电源变压器是Tr1和Tr2；Cs1和 Cs2的作用是隔离直流，防止变压器偏磁；Ls1和Ls2是谐振电感，负责能量的传输和软开关的实现。

1#和2#电路中的开关管由相同的信号控制，通过不同的移相角实现升压和降压。

2.3 软开关的实现与设置死区时间

2.3.1 软开关的实现电路采用固定死区时间的互补PWM 控制方式，使开关管的寄生电容和边缘器的漏感发生谐振，实现软开关。

2.3.2 设置死区时间

死区时间是为了使上下桥臂不会因开关延迟而导致同时开通而设置的一个时间段。设置的死区时间较大，输出波形会失真，输出效率受影响。设置的死区时间较小，降低了电路的可靠性。

3 充电机研发方法和思路

研发过程遵循理论分析、仿真计算和实验验证相结合的原则。

首先将NPC-T 型双向变换器，与传统NPC-I 型三电平三相AC/DC 变换器作比较，为进一步优化效率，将根据元器件的开关特性和工作原理建立各自的电压、电流应力模型以及各项损耗的数学计算模型，并在此基础上构建变换器的综合效率分析模型，为提高系统效率提供理论依据。

根据双有源桥电路的结构特点，建立它们的模型，仿真验证其工作原理。通过仿真验证设计的电感和选取的电容参数是否正确，根据仿真波形可以对设计参数作一定的修正，以确保双向变换器电路在全负载范围内实现零电压开关，从而保证系统的高效率。

为验证多台设备并网运行同步性与可靠性，搭建供电设备控制中心。即验证供电设备的电能质量，即电压幅值、频率和波形的质量能否满足电网要求。且当发生三相电压不平衡、供电突然中断、波形畸变等电力事故能立即与电网解列。电力系统标称频率为50Hz，正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时，可放宽±0.5Hz.电压偏差限值：220V 单相供电系统为+7%，-10%；380V 三相供电系统为±7%。控制中心对电压、频率、三相电压平衡等参数进行实时监测，设置其报警值与动作值，当超过阈值，立即动作调节负荷或切除故障。