雙向充電樁SPM控制方法的可行性分析

邵麟港，湯佩文，黃祖朋，鄧海文，邵杰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

0 引言

雙向功率變換器作為智能電網(wǎng)與電動汽車能量交換的載體，是影響V2G 技術(shù)發(fā)展的重要因素。其中三相VSI 型雙向AC/DC 變換器和隔離型全橋-全橋式雙向DC/DC 變換器作為電動汽車充電樁雙向功率變換器主電路拓撲，隔離型橋式-橋式雙向DC/DC 電路的驅(qū)動信號是由六脈沖電壓信號調(diào)制變換得到的，故本文以其調(diào)制產(chǎn)生過程，將隔離型橋式-橋式雙向DC/DC 電路的控制方式命名為六脈沖調(diào)制（Six-Pulse Modulation，SPM）控制法。

1 系統(tǒng)指標

本系統(tǒng)以某款一體式直流充電機的相關(guān)指標為依據(jù)進行仿真計算，該充電機的具體指標如表1 所示。

表1 37.5kW 充電樁指標

本文在仿真中設(shè)定交流側(cè)為三相交流311V 相電壓VIN，頻率f0為50Hz，充電額定功率P0為37.5kW，直流側(cè)母線電壓平均值為VDC，充電機輸出為直流500V 直流電壓VOUT，整體效率η 為0.92，雙向AC/DC 開關(guān)頻率fSW為20kHz，隔離型雙向DC/DC 開關(guān)頻率fs 為100kHz。

2 系統(tǒng)仿真模型的搭建

該系統(tǒng)使用Simulink 搭建仿真模型，仿真模型由控制單元、主電路單元以及濾波單元3 個部分組成。如圖1 所示為系統(tǒng)的總體控制單元，其中包含了SPM 波發(fā)生模塊和SOLM 波發(fā)生模塊。控制單元首先產(chǎn)生參考信號V6p，再將V6p 分別送進SPM 波發(fā)生模塊和SOLM 波發(fā)生模塊，產(chǎn)生雙向DC/DC 與雙向AC/DC 電路拓撲驅(qū)動信號。由硬件電路采集電網(wǎng)電壓相位后，使用控制器產(chǎn)生同步的三相電壓參考信號，并取其線電壓Uab、Ubc、Uca 作為初始信號，根據(jù)三相整流原理，將三相線電壓Uab、Ubc、Uca 取絕對值，送入Simulink 自帶的最大值模塊，得到參考信號V6p。

圖1 控制單元仿真圖

將三相線電壓初始信號分別取反，分別送入Simulink 自帶的數(shù)據(jù)選擇模塊1-6 號輸入口，此模塊0 號輸入口為定時口，由于V6p 的頻率為300Hz，故定時器時間設(shè)為1/300s，這樣，數(shù)據(jù)選擇器每隔1/300 s 將選取一個參考信號與V6p 相除，并與高頻載波信號（三角波）相比，得到一個高頻調(diào)制的調(diào)制信號，調(diào)制信號被送入selector 模塊，同時產(chǎn)生的V6p參考信號被送入DC/DC Drive 模塊。

參考信號V6p 被用作產(chǎn)生驅(qū)動信號的同時，也被送入DC/DC 驅(qū)動模塊，如圖2 所示，此模塊的目的是將隔離型全橋-全橋式雙向DC/DC 電路中兩上管驅(qū)動信號移相V6p 脈寬。首先將參考信號V6p 被高頻載波相比，產(chǎn)生高頻信號Vgate，再設(shè)計使用兩個JK 觸發(fā)器所組成的上升沿翻轉(zhuǎn)分頻器以及下降沿翻轉(zhuǎn)分頻器，來實現(xiàn)移相功能，其主要是將參考信號Vgate 分別以其上升沿和下降沿出發(fā)翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)驅(qū)動信號移相功能，最終得到SPM 控制信號。

圖2 DC/DC 驅(qū)動模塊仿真圖

3 仿真結(jié)果及分析

按照上文SPM 與SOLM 控制原理和模型搭建方法，經(jīng)過Simulink 仿真，圖3 所示為SPM 驅(qū)動信號，輸出信號波形依次為Vgate、GM1 和GM3。

圖3 SPM 控制驅(qū)動波形

3.1 充電過程仿真結(jié)果

圖4 為充電模式下，在SOLM 控制方法下，輸入三相交流線電壓經(jīng)雙向AC/DC 電路整流，輸出SPDC 波的結(jié)果圖。因漏電感和寄生參數(shù)的影響，使得SPDC 波上疊加了高次電流諧波，存在一些毛刺，需在三相整流器后并接一個小電容來吸收即可。

圖4 輸出SPDC 波與輸入三相線電壓

圖5 為SPM 控制策略，隔離型全橋-全橋式雙向DC/DC電路將前級雙向AC/DC 電路輸出的SPDC 波調(diào)整為滿足電動汽車充電要求的500V 直流電壓波形圖。

圖5 輸入SPDC 波與充電直流電壓

3.2 逆變過程仿真結(jié)果

圖6 所示電動汽車工作于放電模式時，SPM 控制方法，隔離型雙向DC/DC 電路將500V 直流電壓轉(zhuǎn)換成平均值為540V SPDC 波的輸出結(jié)果，仿真結(jié)果驗證了SPM 控制策略在隔離型全橋-全橋式雙向DC/DC 電路中的雙向性。

圖6 輸入直流電壓與輸出SPDC

4 結(jié)語

本文使用Simulink 對SPM 控制策略進行建模仿真，比較了在充電時電動汽車充電樁電路在SPM 控制策略下驅(qū)動信號和充電、放電的輸出波形的合理性，并驗證了充電并網(wǎng)、放電逆變兩個方向?qū)崿F(xiàn)的可行性。