應用于電動汽車充電樁的三相整流器的性能研究

摘 要：由于能源緊缺和環境污染，電動汽車的發展受到國家的大力支持，其發展前景十分光明。電動汽車充電樁作為電動汽車的“加油站”，其對電動汽車普及的重要性不言而喻，而PWM整流器作為電動汽車充電樁中重要的一環，受到了廣泛的關注。文章對PWM整流器的原理進行了分析，并仿真驗證了PWM整流器應用于電動汽車充電樁的可行性和可靠性。

關鍵詞：PWM整流器電動汽車

中圖分類號：TM461文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2018）01-0048-03

Study on the Performance of Three Phase Rectifier Used in Electric Vehicle Charging Pile

XU Zheng

（Wuhan University of Technology，School of Automation，Wuhan 430070，China）

Abstract：Due to the shortage of energy and environmental pollution，the development of electric vehicles has been strongly supported by the state，and its development prospect is very bright. Electric vehicle charging pile，as the “gas station” of electric vehicle，is very important for the popularization of electric vehicle. PWM rectifier as an important part of electric vehicle charging pile has been widely concerned. The principle of PWM rectifier is analyzed，and the feasibility and reliability of PWM rectifier used in electric vehicle charging pile is verified by simulation.

Keyword：PWM rectifier electric vehicle

0 引 言

隨著人類的發展，人們不得不重視日益突出的能源與環境問題，而電動汽車以電能為動力，既可以解決燃油汽車尾氣排放的污染問題，又可以減少對化石能源的消耗。因而逐漸受到青睞，現在電動汽車僅占總體汽車的0.2%，有很大的發展前景，而方便快捷的充電設施能極大的促進電動汽車的普及和推廣[1]。

目前電動汽車的充電設施根據充電電壓可以分為交流充電和直流充電。與交流電相比，直流電的充電效率更高，也是未來電動汽車充電樁的發展方向。傳統的電動汽車充電樁通常采用的是不控整流，雖然結構簡單，但整流的同時也將大量的諧波污染帶到了電網中，對電網的運行造成了危害。而采用全控開關管的三相PWM整流器由于其具有網側電流正弦化，功率因數可控、直流側電壓穩定、能量的雙向傳輸等優點，非常適合應用于電動汽車充電樁的前端整流模塊中。

1 PWM整流器原理概述

研究整流器控制策略，首先需要理解PWM整流器的工作原理。從電力電子技術誕生的近半個世紀來看，整流器是較早應用的一種交流變直流的變流裝置。隨著電力電子半導體器件的發展，二極管、晶閘管、門極關斷功率開關管等電力電子器件開始應用于電力電子裝置中，整流器經歷了由不控整流、相控整流最后到PWM整流器的發展歷程。

由于模型電路結構清晰而且可以代表任意形式的整流器，所以通過分析整流器的工作原理和控制原理。如圖1所示[2]，PWM整流器模型由三部分組成，第一部分為交流回路，包括交流電動勢e和網側電感L等；第二部分為功率開關管橋路，功率開關管橋路可以由電壓型或者電流型橋路組成；第三部分為直流回路。

通過上式可以理解：若想控制電路的直流側可以采取控制電路交流側的方式來實現，所以接下來對模型電路的交流側進行分析。為了簡化分析，我們對PWM整流器模型電路做出幾點假設：（1）忽略掉PWM的高次諧波分量只考慮基波分量；（2）不考慮交流側電路。

這樣從圖2中分析：將電網的電壓矢量E作為參考量時，可以通過控制交流側的電壓矢量V來實現PWM整流器的四象限運行。若假設|I|不變，那么可以得出|VL|=ωL|I|也固定不變，在這種情況下，PWM整流器功率橋的電壓矢量V端點運動軌跡構成了一個圓。A、B、C、D四點分別代表著PWM整流器四象限運行的四個特殊狀態點，通過進一步分析，可以得到PWM整流器四象限運行規律如下[3]：

（1）如圖2（a）所示，當電壓矢量V運行于圓弧AB上時，電路處于整流狀態。此時的PWM整流器從電網吸收有功功率及無功功率，PWM整流器從電網將電能傳輸到直流端負載。當PWM整流器運行狀態為A點時，PWM整流器則從電網中只吸收無功功率；運行狀態為B點時，不僅從電網中吸收有功功率，同時還實現了單位功率因數整流控制。

（2）如圖2（b）所示，當電壓矢量V運行于圓弧BC上時，電路處于整流狀態。此時的PWM整流器需從電網吸收有功及無功功率，PWM整流器從電網將電能傳輸到直流端負載。當PWM整流器運行至C點時，PWM整流器則從電網只吸收無功功率，不吸收有功功率。

（3）如圖2（c）所示，當電壓矢量V運行于圓弧CD上時，電路處于逆變狀態。此時PWM整流器向電網傳輸有功及無功功率，PWM整流器從直流側將電能傳輸到電網。當PWM整流器運行狀態為D點時，就可以實現單位功率因數運行。

（4）如圖2（d）所示，當電壓矢量V運行于圓弧DA上時，電路處于逆變狀態。此時，PWM整流器向電網傳輸有功及感性無功功率，PWM整流器從直流側將電能傳輸到電網。

3 整流器的設計與仿真

三相整流器的設計與仿真，如圖3、圖4、圖5所示。圖3、圖4分別為三相整流器的電路仿真拓撲圖和三相整流器的控制器的電路仿真拓撲圖，圖5為本文的仿真波形圖，包含輸入電壓、輸出電壓、輸出電流。本文采用的拓撲結構為三相電壓型整流器，通過電壓外環電流內環的雙閉環進行控制，根據輸入到DSP處理器模塊的數據，經過處理計算，通過空間矢量脈寬調制算法，計算得出占空比，生成六路PWM波輸入到帶保護的開關管模塊，產生六路驅動信號，作用三相整流器開關管的通斷，實現功率因數校正和降壓功能并輸出需要的電壓值[4]。輸入電網交流電壓為380V，通過整流的輸出直流電壓為580V，輸出電流為26A，后面可再接DC/DC電路進行調壓，可以達到電動汽車需要的充電直流電壓。

4 仿真結果分析

通過MATLAB里面的simulink對三相整流器進行建模仿真，根據其波形可以得出，三相PWM整流器在實現功率因數校正的同時，其輸入諧波含量小，能夠減少其對公共電網的諧波污染，并且還可以對公共電網進行無功補償，降低公共電網的無功功率，非常適用于電動汽車充電樁的前端整流裝置。

5 結 論

本文在對三相PWM整流器的工作原理進行了理論分析的基礎上，通過MATLAB中的simulink模塊對其進行建模仿真，根據其仿真結果，驗證了三相PWM整流器應用于電動汽車充電樁前端整流裝置的可行性與可靠性。

參考文獻：

[1] 曹以龍，黃錦，趙轉.電動汽車充電機中PWM整流器的性能研究 [J].電測與儀表，2016，53（2）：102-107.

[2] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制 [M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 陳堅.電力電子學 [M].北京：高等教育出版社，2002.

[4] 張瑞，劉浩，魏克新.三相PWM整流器基于旋轉坐標系的電流控制方法 [J].電源技術，2016（3）：649-651+739.

作者簡介：徐錚（1994.09-），男，湖北孝感人，武漢理工大學自動化學院電氣工程專業在讀碩士研究生。研究方向：三相整流器。