電動(dòng)車(chē)充放儲(chǔ)一體化電站雙向交直流變換電路設(shè)計(jì)

席 攀， 鄭德化， 孫雁卿， 王致杰， 劉嬌嬌， 魏 丹

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240；2. 加拿大薩斯卡川省理工學(xué)院 電力工程系， 加拿大 薩斯克通市 S4V2T6；3. 山西合創(chuàng)電力科技有限公司， 太原 030032)

電動(dòng)車(chē)充放儲(chǔ)一體化電站雙向交直流變換電路設(shè)計(jì)

席 攀1， 鄭德化2， 孫雁卿3， 王致杰1， 劉嬌嬌1， 魏 丹1

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240；2. 加拿大薩斯卡川省理工學(xué)院 電力工程系， 加拿大 薩斯克通市 S4V2T6；3. 山西合創(chuàng)電力科技有限公司， 太原 030032)

相對(duì)于傳統(tǒng)的充電設(shè)施和儲(chǔ)能設(shè)施，電動(dòng)車(chē)充放儲(chǔ)一體化電站具有很大的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)電動(dòng)車(chē)配套設(shè)施建設(shè)的良好發(fā)展模式。為了滿(mǎn)足其運(yùn)營(yíng)要求，設(shè)計(jì)了一種多功能交、直流變換電路。其可實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC、單相DC/AC和三相DC/AC等多種功能。該電路靈活性強(qiáng)，使用的元器件較少，提高了電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

一體化電站； 儲(chǔ)能裝置； 交-直流變換； 電路設(shè)計(jì)

目前，全球能源緊缺和環(huán)境問(wèn)題日益突出，傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)消耗大量能源，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。汽車(chē)燃油消耗已經(jīng)成為石油消耗的主體，汽車(chē)在消耗大量石油資源的同時(shí)，還排放大量尾氣，造成環(huán)境污染[1]。因此，電動(dòng)汽車(chē)以其污染小、噪聲低、能源效率高和能源來(lái)源多元化等優(yōu)點(diǎn)備受青睞，作為正在培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，是未來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的方向。目前，世界各國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展都給予重大支持，并已制定了相關(guān)發(fā)展計(jì)劃[3]。同時(shí)，各國(guó)電力公司也積極參與到與電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施的研究和建設(shè)中，進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)用電需求的日益增大，智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)的雙向互動(dòng)勢(shì)在必行[4]；而相關(guān)配套設(shè)施的建設(shè)就顯得尤為重要。由于建設(shè)單一的充放電站、換電站要受到土地資源稀缺、電池成本高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重復(fù)、電網(wǎng)運(yùn)行要求高等因素的制約，故單一的電動(dòng)汽車(chē)能源供給和單一的儲(chǔ)能站的應(yīng)用推廣面臨較多困難。而將電動(dòng)汽車(chē)充放電、更換站與儲(chǔ)能電站的功能融合，進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，建設(shè)“智能充放儲(chǔ)一體化”電站可以緩解上述問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外正開(kāi)展充放儲(chǔ)一體化電站的研究和建設(shè)，擬實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充放電站與儲(chǔ)能電站功能的有效融合[5-6]。如2011年7月11日山東青島薛家島智能充換儲(chǔ)放一體化示范電站已投入運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)情況良好。

充放儲(chǔ)一體化電站中的儲(chǔ)能裝置主要由儲(chǔ)能電池組成。儲(chǔ)能電池一般采用鉛酸電池、鈉硫電池和液體電池等[7]。其中，鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)被認(rèn)為是一種很有市場(chǎng)推廣前景的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，其主要有3個(gè)用途： ① 可以為電動(dòng)汽車(chē)提供續(xù)航電能，目前，電動(dòng)車(chē)一般采用容量為300A·h的磷酸鐵鋰電池；② 為電站內(nèi)部用電設(shè)施提供不間斷電力供應(yīng)；③ 參與電網(wǎng)調(diào)度，削峰填谷。

交直流變換裝置作為充放儲(chǔ)一體化電站的重要組成部分，是連接電網(wǎng)和一體化電站的能量通道，它的設(shè)計(jì)直接決定了一體化站的性能[9-10]。針對(duì)目前交、直流變換器只能實(shí)現(xiàn)單一的DC/DC或DC/AC變換[11-13]，本文設(shè)計(jì)了一種新型多功能交直流變換電路，可以實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC、單相DC/AC雙向變換、三相DC/AC雙向變換等多種變換，同時(shí)，使用的元器件也大大減少。

1 較為典型的交直流變換電路結(jié)構(gòu)

1.1雙向DC/DC變換工作原理

雙向DC/DC變換電路如圖1所示。其中，開(kāi)關(guān)管S1、S2采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。此電路可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的充放電功能[14]。圖中，E0為電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能裝置兩端的電壓，EH為直流電源，開(kāi)關(guān)管S1、S2交替開(kāi)通，當(dāng)S1工作時(shí)，S2截止；S2工作時(shí)，S1截止。通過(guò)控制S1和S2的開(kāi)通時(shí)間，EL兩端的電壓值也隨之發(fā)生變換。

圖1 雙向DC/DC變換電路Fig.1 Bidirectional DC/DC converter

對(duì)開(kāi)關(guān)管S1、S2通斷的控制采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)方式，即保持開(kāi)關(guān)周期Ts不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，使輸出量達(dá)到要求。ton與Ts的比值即為開(kāi)關(guān)管的占空比D。開(kāi)關(guān)管S1、S2的控制圖如圖2所示，圖中，ur為鋸齒波信號(hào)，us為調(diào)制信號(hào)。

圖2 開(kāi)關(guān)管脈寬調(diào)制圖Fig.2 Pulse width modulation of switch tube

當(dāng)E0EH時(shí)，電路工作于Boost模式，電流IL由5流向4，儲(chǔ)能裝置則向電路放電。

分析電路可得： 由于EL=DEH，故EL兩端的電壓始終為正，電流IL則可正、可負(fù)，電路工作于兩象限模式，且只能實(shí)現(xiàn)DC/DC變換。

采用雙向DC/DC變換器可實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電功能。兩象限D(zhuǎn)C/DC變換器具有Buck和Boost兩種工作模式： ① 將電壓較低的直流電源通過(guò)Boost變換成電壓較高的直流電源；② 將較高電源端的電壓通過(guò)Buck變換降至電壓較低的直流電源。

1.2三相DC/AC變換工作原理

如圖3所示，蓄電池組(儲(chǔ)能裝置)通過(guò)PWM變換器與LC濾波器、變壓器相連，接入交流電網(wǎng)，6個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1～Q6均采用IGBT，PWM變換器分別在儲(chǔ)能和放電過(guò)程中工作在整流器和逆變器的狀態(tài)。

圖3 電池組通過(guò)DC/AC接入電網(wǎng)Fig.3 Battery pack connected to the grid throughDC/AC converter

在蓄電池組充電階段，電網(wǎng)為蓄電池組和負(fù)荷提供電力。開(kāi)始充電的時(shí)間通常選擇在用電負(fù)荷的低谷，PWM變換器工作在整流狀態(tài)，蓄電池組相當(dāng)于一個(gè)大功率充電器；在電池放電階段，蓄電池組通過(guò)放電向負(fù)荷提供電力、向系統(tǒng)回饋電能，使儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰功能，PWM變換器工作在逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)三相交流功率的穩(wěn)定輸出。此電路只能實(shí)現(xiàn)三相DC/AC變換。

以上兩種電路均只能實(shí)現(xiàn)一種變換。

2 多功能交直流變換電路

2.1工作原理

本文設(shè)計(jì)的多功能交直流變換電流如圖4所示。6個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1～Q6均采用IGBT。當(dāng)電路需要進(jìn)行雙向DC/DC或單相DC/AC變換時(shí)，開(kāi)關(guān)管按一定的導(dǎo)通序列工作，如第1個(gè)20s內(nèi)，Q1、Q2、Q3、Q4交替導(dǎo)通，Q5、Q6截止；第2個(gè)20s內(nèi)，Q3、Q4、Q5、Q6交替導(dǎo)通，Q1、Q2截止；第3個(gè)20s內(nèi)，Q5、Q6、Q1、Q2交替導(dǎo)通，Q3、Q4截止。當(dāng)D在一個(gè)周期的某段時(shí)間內(nèi)保持不變時(shí)，則電路可實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC變換；當(dāng)D為隨時(shí)間變換的函數(shù)，即D每個(gè)時(shí)刻都在發(fā)生變換時(shí)，則電路可以實(shí)現(xiàn)單相DC/AC雙向變換。通過(guò)在電路中裝設(shè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，完成切換動(dòng)作。當(dāng)電路需要進(jìn)行三相DC/AC雙向變換時(shí)，則在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，工作原理與雙向DC/AC變換相同，本文不再贅述。

圖4 多功能交直流變換電路Fig.4 Multifunctional AC/DC conversion circuit

常規(guī)的交直流變換電路只能實(shí)現(xiàn)單一的DC/DC或DC/AC變換，本文設(shè)計(jì)的多功能交直流交換電路集雙向DC/DC、單相DC/AC、三相DC/AC等多種功能于一身，使用的元器件也大大減少；而且，每個(gè)開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱程度與開(kāi)關(guān)次數(shù)是均衡的，這樣可以延長(zhǎng)管子使用壽命，使電路工作穩(wěn)定。該多功能變換電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，適用于中大功率場(chǎng)合。

2.2功能的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

2.2.1 雙向DC/DC變換 圖5所示為多功能交直流交換電路實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC的交換電路。由圖可見(jiàn)，當(dāng)電路需要進(jìn)行雙向DC/DC或單相DC/AC雙向變換時(shí)，每個(gè)時(shí)間段只需要4個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)工作，但Q1～Q6開(kāi)關(guān)管須按一定的導(dǎo)通序列工作，以保證每個(gè)開(kāi)關(guān)管工作時(shí)間相同。為此，該電路由2個(gè)相同的雙向DC/DC變換器組成，其中，開(kāi)關(guān)管Q1、Q4同時(shí)開(kāi)斷，Q2、Q3同時(shí)開(kāi)斷，假設(shè)Q1和Q4的占空比為D，則Q2和Q3的占空比為1-D。

圖5 雙向DC/DC變換變換電路Fig.5 Bidirectional DC/DC or single-phase DC/ACbidirectional conversion circuit

若在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，保持其占空比D為常數(shù)，則實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC變換。以零點(diǎn)為參考電壓點(diǎn)，規(guī)定A點(diǎn)接正向端，B點(diǎn)接負(fù)向端。當(dāng)D=0.5時(shí)，A、B兩端電壓ELL=0；當(dāng)D>0.5，ELL>0；當(dāng)D<0.5，ELL<0。同時(shí)，在電路中裝設(shè)濾波電感濾除開(kāi)關(guān)頻率。通過(guò)該雙向DC/DC交換電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充放儲(chǔ)一體化電站的儲(chǔ)能電池的充、放電。

由于目前市面上部分電動(dòng)車(chē)使用直流電動(dòng)機(jī)，則可通過(guò)調(diào)節(jié)圖5電路中開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)為直流電動(dòng)機(jī)輸出所需的電壓，圖6所示為采用直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)其芯片儲(chǔ)存的信息，以運(yùn)行的公里數(shù)為參考點(diǎn)(如50km)進(jìn)行雙向DC/DC變換，提供其續(xù)航電能。

圖6 采用直流電機(jī)的電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.6 EV drive system with DC motor

2.2.2 單相DC/AC雙向變換 多功能交直流交換電路實(shí)現(xiàn)單相DC/AC雙向變換的工作原理與雙向DC/DC變換一致。

若開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通起，其D為隨時(shí)間變換的函數(shù)D(t)，即可實(shí)現(xiàn)單相DC/AC雙向變換。此時(shí)，交流波形上每一點(diǎn)的變化都靠占空比控制，故通過(guò)改變不同時(shí)刻的D，就能得到任意波形；同樣，需在電路中裝設(shè)濾波電感濾除開(kāi)關(guān)頻率。目前，市面上大多數(shù)電動(dòng)車(chē)采用交流電動(dòng)機(jī)為單相交流電動(dòng)機(jī)，故本文設(shè)計(jì)的多功能交直流變換電路可以實(shí)現(xiàn)單相DC/AC雙向變換，為交流電動(dòng)機(jī)提供所需的電壓。圖7所示為采用交流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖7 采用交流電機(jī)的電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.7 EV drive system with AC motor

2.2.3 三相DC/AC變換 當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1～Q6交替工作時(shí)，多功能交直流交換電路則可實(shí)現(xiàn)三相DC/AC變換，如圖8所示。此時(shí)，該變換電路有兩種工作模式： ① 整流模式。當(dāng)儲(chǔ)能電池充電時(shí)，三相DC/AC變換電路工作在整流狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)交流電壓經(jīng)整流器向儲(chǔ)能電池供給直流電壓。② 逆變模式。當(dāng)儲(chǔ)能電池放電時(shí)，三相DC/AC變換電路工作在逆變狀態(tài)，經(jīng)逆變器輸出合適的交流電壓，回饋電網(wǎng)。

圖8 三相DC/AC變換電路Fig.8 Three-phase DC/AC conversion circuit

由于開(kāi)關(guān)管的頻繁開(kāi)合將給電路引入諧波，為減少并網(wǎng)系統(tǒng)中交流側(cè)PWM諧波電流的影響，本文設(shè)計(jì)了如圖9所示的三相DC/AC變換濾波電路，并在入網(wǎng)側(cè)母線(xiàn)上連接混合型有源電力動(dòng)態(tài)濾波器[15]，濾除電動(dòng)車(chē)入網(wǎng)側(cè)母線(xiàn)上的諧波，并可以達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

通過(guò)以上分析可得，該多功能電路通過(guò)6個(gè)開(kāi)關(guān)管便可以實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC、單相DC/AC、三相DC/AC等多種功能，電路靈活性強(qiáng)，使用的元器件也較少。將此電路應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)充放儲(chǔ)一體化電站中，可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電、為交直流電機(jī)供電、儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)的雙向互動(dòng)等多種功能，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

圖9 三相DC/AC變換濾波電路Fig.9 Three-phase DC/AC conversion filter circuit

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于電動(dòng)車(chē)充放儲(chǔ)一體化電站的多功能交直流變換裝置，其可以實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC，單相DC/AC，三相DC/AC等多種功能。與一般只能實(shí)現(xiàn)單一功能的交直流變換裝置相比，其電路靈活性強(qiáng)，且使用的元器件也大為減少，提高了電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

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Design of Bidirectional AC-DC Conversion Circuit forSmart Integrative Power Stations

XIPan1,ZHENGDehua2,SUNYanqing3,WANGZhijie1,LIUJiaojiao1,WEIDan1

(1.College of Electrical Engineering, Shanghai dianji University, Shanghai 200240, China;2.Saskatchewan Institute of Applied Science and Technology, Saskatoon S4V2T6, Canada;3.Hechuang Electrical Power Sci & Tech. Co. Ltd., Taiyuan 030032, China)

Compared with traditional charging and storage facilities, the smart charge discharge storage integrative power station has many advantages. It is a good model for the development of supporting facilities for future electric cars. To meet the operational requirements, a multifunctional bidirectional DC/AC conversion circuit is designed. Analysis of the circuit shows that it can achieve a variety of functions such as bidirectional, single-phase, three-phase DC/AC conversions and other functions. The circuit is more flexible, and uses fewer components. It can reduce costs of power plant construction.

integrative power station; storage device; DC/AC conversion; circuit design

2013 - 10 - 06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11201267) ；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目(12ZZ197)；上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12ZR1411600)；上海市閔行區(qū)科委技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目資助(2011MH099)

席 攀(1990-)，女，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)與儲(chǔ)能技術(shù)，E-mail： 467946001@qq.com

2095 - 0020(2014)01 -0038 - 05

TM 46

A