CN110474364A - 电流型rmc换流器、电动汽车可逆充放电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流型RMC换流器、电动汽车可逆充放电系统及控制方法，该电流型RMC换流器包括控制器以及依次连接的输入滤波单元、RMC开关矩阵、高频变压器、后级变换器、输出滤波单元，所述RMC开关矩阵和所述后级变换器均与所述控制器连接。本发明直接通过电流型RMC换流器实现蓄电池的三段式充电控制和恒流放电控制，系统结构简单，无需中间直流储能环节，降低电能变换环节，提升电能转换效率；使得电动汽车可逆充放电系统控制得到了简化。

Description

电流型RMC换流器、电动汽车可逆充放电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种电流型RMC换流器、电动汽车可逆充放电系统及控制方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染等问题日益严重，能源可持续发展需求日益强烈，电动汽车技术应运而生，成为当前研究的热点技术。电动汽车充放电系统是将电网电能经过一系列变换后变成符合电动汽车充放电要求的装置。

现有的电动汽车放电系统采用三相电压源整流器实现双向整流功能，直流侧采用双向直流变换器实现升压或者降压功能，该充放电回路需要交流到直流以及直流到直流两级变换，电能变换效率低，且直流侧需大容量储能电容，导致整个系统体积大，功率密度低。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的上述不足，提供一种电流型RMC换流器、电动汽车可逆充放电系统及控制方法，以提高电能转换效率，减小系统体积。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种电流型RMC换流器，包括控制器以及依次连接的输入滤波单元、RMC开关矩阵、高频变压器、后级变换器、输出滤波单元，所述RMC开关矩阵和所述后级变换器均与所述控制器连接；RMC开关矩阵实现三相交流电由三相到单相交-交变换，将交流电网侧三相交流电转换成正负对称的单相高频脉冲信号，所述单相高频脉冲信号经过高频变压器耦合后，经过后级变换器输出直流电压。

在上述方案中，控制器包括电压电流传感器、信号调理电路和DSP单元，所述电压电流传感器用于采集交流电网侧三相交流电压、三相电感电流、直流侧电压、蓄电池端电压、蓄电池充放电电流，并传送至所述信号调理电路，经信号调理及模数转换后传送给DSP单元，DSP单元根据接收的信号构造出两组PWM信号，分别用于对RMC开关矩阵、后级变换器进行控制。

本发明同时提供了一种电动汽车可逆充放电系统，包括交流电网侧和蓄电池，其特征在于，还包括本发明实施例中所述的电流型RMC换流器，所述输入滤波单元连接所述交流电网侧，所述输出滤波单元连接所述蓄电池。

在上述电动汽车可逆充放电系统中，所述控制器用于采集直流侧电压u_dc，并将采集的直流侧电压u_dc与直流侧给定电压u_dcref进行比较；当u_dc≤u_dcref时，对蓄电池进行三段式充电；当u_dc>u_dcref时，对蓄电池进行恒流放电。

另一方面，本发明实施例还提供了上述电动汽车可逆充放电系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，采集直流侧电压u_dc，并将采集的直流侧电压u_dc与直流侧给定电压u_dcref进行比较；

步骤2，当u_dc≤u_dcref时，采集蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b，并根据蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b实现对蓄电池进行三段式充电；

步骤3，当u_dc>u_dcref时，对蓄电池进行恒流放电；

步骤4，根据蓄电池三段式充电控制信号，作为电流型RMC换流器的输入电流i的d轴分量给定值i_d ^*；采用d轴电网电压定向，通过控制i_d、i_q来控制交流电网侧有功功率和无功功率，控制电流型RMC换流器输入电流i的q轴分量i_q ^*＝0；

步骤5，利用交流电网侧三相电压u_a、u_b，u_c，通过锁相环确定三相电网电压相角θ；

步骤6，采集三相电感电流i_a、i_b、i_c，交流电网侧三相电压u_a、u_b，u_c，利用Clarke变换对三相电感电流、交流电网侧三相电压进行3/2变换，得到三相电感电流的α轴分量i_α和β轴分量i_β，交流电网侧三相电压的α轴分量u_α和β轴分量u_β；

步骤7，根据电网电压定向原则，将d轴定在电网电压方向，采用三相电网电压相角θ，利用dq变换模块对三相电感电流的α轴分量i_α和β轴分量i_β,三相电压的α轴分量u_α和β轴分量u_β进行dq变换分别得到三相电感电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q，三相电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q；

步骤8，将i_d ^*和i_d相比较后，通过电流环PI控制器输出作为电流d轴有功分量输出；将i_q ^*和i_q相比较后，通过电流环PI控制器输出作为电流q轴无功分量输出；

步骤9，d轴、q轴电流环PI控制器的输出分别加上耦合补偿项，形成电流型RMC换流器的输入电流d轴、q轴参考信号i_dref、i_qref；

步骤10，根据电流型RMC换流器的输入电流参考信号i_dref、i_qref，再经过dq-三相静止坐标变换，形成电流型RMC换流器的三相输入电流参考信号，再利用双极性电流空间矢量调制策略构造PWM信号对RMC开关矩阵和后级变换器进行控制。

与现有技术相比，本发明直接通过电流型RMC换流器实现蓄电池的三段式充电控制和恒流放电控制，系统结构简单，无需中间直流储能环节，降低电能变换环节，提升电能转换效率；使得电动汽车充放电控制得到了简化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的电动汽车充电机用可逆充放电系统的结构示意图。

图2为电动汽车充电机用可逆充放电系统控制方法的原理流程示意图。

图3为电动汽车蓄电池三段式充电控制的原理流程示意图。

图4为电动汽车蓄电池恒流放电控制的原理流程示意图。

图1中的标记：10-控制器；20-输入滤波单元；30-RMC开关矩阵；40-高频变压器；50-后级变换器；60-输出滤波单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本实施例中提供的电动汽车可逆充放电系统，包括交流电网(即三相交流电源)，电流型RMC(Reduced Matric Converter的缩写，精简矩阵变换器)换流器和电动汽车的蓄电池，交流电网与电流型RMC换流器的输入端连接，电流型RMC换流器的输出端与电动汽车蓄电池连接，当需要给电动蓄电池充电时，电流型RMC换流器用于将交流侧工频交流电压(即三相交流电源提供的交流电压)转换为稳定直流电压提供给蓄电池充电；当蓄电池处于放电并网(即蓄电池放电通过电流型RMC换流器馈入交流电网)工作时，由电流型RMC换流器将放电电压转换为工频交流电馈入交流电网。

如图1所示，电流型RMC换流器包括输入滤波单元20、RMC开关矩阵30、高频变压器40、后级变换器50、输出滤波单元60，RMC开关矩阵30和后级变换器50均连接有同一个控制器10。三相交流电源经过RMC开关矩阵实现三相到单相交-交变换，将交流电网侧三相交流电转换成正负对称的单相高频脉冲信号，再经过高频变压器耦合，经过后级变换器输出直流电压。

输入滤波单元20包括三个输入滤波电感L和三个输入滤波电容C，输出滤波单元60包括输出滤波电感Ldc和输出滤波电容Cdc。容易理解的，输入滤波电感L和输出滤波电感Ldc都是起滤波作用的电感，输入滤波电容C和输出滤波电容Cdc都是起滤波作用的电容，此处用输入/输出进行限定仅是为了区分。

RMC开关矩阵包括三组IGBT，三组IGBT并联，每组有四个IGBT，且四个IGBT串联，每组IGBT的两端与高频变压器的初级线圈的两端连接。三个输入滤波电感L分别用于对三相电输出电压滤波，一个电感接入一组IGBT中。

控制器10用于采集交流电网侧电压、交流电网侧电流、直流侧电压(即蓄电池两端的电压)、蓄电池端电压、蓄电池充放电电流，并根据这些信号构造出两组PWM信号，分别对RMC开关矩阵和后级变换器进行控制。

更具体地，控制器包括电压电流传感器、信号调理电路和DSP单元。其中，电压电流传感器用于采集交流电网侧三相交流电压u_a、u_b、u_c，三相电感电流i_a、i_b、i_c；采集直流侧电压u_dc；采集蓄电池端电压U_b，蓄电池充放电电流I_b。电压电流传感器将采集到的信号传送至信号调理电路，经信号调理(将信号转转为0-3V的电压信号，以便于接入DSP的AD通道)及模数转换后传送给DSP单元，由DSP单元根据这些信号构造出两组PWM信号，PWM信号经过与DSP连接的驱动电路进行功率放大后分别对RMC开关矩阵和后级变换器中的IGBT进行开关控制。

如图1所示，高频变压器采用了有中间抽头的变压器结构。后级变换器包括两组IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，每组有两个IGBT，且每组中的两个IGBT串联，即图中Sph、Snl为一组，Snh、Spl为一组。高频变压器输出同名端接入Sph、Snl后，接入滤波电感Ldc；同时，输出滤波电感Ldc的接入端连接Snh、Spl后，接入高频变压器输出非同名端；输出滤波电感Ldc输出端接输出滤波电容Cdc。

可参阅图2，上述电动汽车可逆充放电系统的控制过程如下：

步骤1，采集直流侧电压u_dc，并将采集的直流侧电压u_dc与直流侧给定电压u_dcref进行比较。

步骤2，当u_dc≤u_dcref时，采集蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b，并根据蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b实现对蓄电池进行三段式充电。具体地，参考图3，三段式充电过程如下：

当I_b大于设定的蓄电池浮充电流，且U_b小于设定的蓄电池恒压充电的充电电压时，对蓄电池进行恒流充电。该恒流充电过程中，将I_b与给定的恒流充电电流参考值I_bref1相比较，比较结果经过PI控制器(DSP实现的功能模块)调节后生成控制信号；

当I_b大于蓄电池浮充电流，且U_b大于等于设定的蓄电池恒压充电的充电电压时，对蓄电池进行恒压充电。在恒压充电过程中，将U_b与给定的恒压充电电压参考值U_bref1相比较，比较结果经过PI控制器调节后生成控制信号；

当I_b小于蓄电池浮充电流时，对蓄电池进行浮充充电。在浮充充电过程中，将U_b与浮充充电电压参考值U_bref2相比较，比较结果经过PI控制器调节后生成控制信号。

步骤3，当u_dc>u_dcref时，对蓄电池进行恒流放电。参考图4，在恒流放电过程中，将I_b与给定的恒流放电电流参考值I_bref2相比较，比较结果经过PI控制器调节后生成控制信号。

步骤4，根据蓄电池三段式充电控制信号，作为电流型RMC换流器的输入电流i的d轴分量给定值i_d ^*；采用d轴电网电压定向，可通过控制i_d、i_q来控制交流电网侧有功功率和无功功率，为实现交流电网侧单位功率因数，控制RMC输入电流i的q轴分量i_q ^*＝0。

步骤5，利用交流电网侧三相电压u_a、u_b，u_c，通过锁相环(PLL)确定三相电网电压相角θ。

步骤6，采集三相电感电流i_a、i_b、i_c，交流电网侧三相电压u_a、u_b，u_c，利用Clarke变换模块(DSP实现的功能模块)对三相电感电流、交流电网侧三相电压进行3/2变换，得到三相电感电流的α轴分量i_α和β轴分量i_β，交流电网侧三相电压的α轴分量u_α和β轴分量u_β；

步骤7，根据电网电压定向原则，将d轴定在电网电压方向，采用三相电网电压相角θ，利用dq变换模块对三相电感电流的α轴分量i_α和β轴分量i_β,三相电压的α轴分量u_α和β轴分量u_β进行dq变换分别得到三相电感电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q，三相电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q。

步骤8，将i_d ^*和i_d相比较后，通过电流环PI控制器输出作为电流d轴有功分量输出；将i_q ^*和i_q相比较后，通过电流环PI控制器输出作为电流q轴无功分量输出。

步骤9，为了实现交流电网侧有功功率和无功功率的解耦控制，d轴、q轴电流环PI控制器的输出分别加上耦合补偿项，形成RMC换流器的输入电流d轴、q轴参考信号i_dref、i_qref。根据以下公式计算出d轴电流耦合补偿项和q轴电流耦合补偿项；

i_dbc＝ωCu_q-ωCri_q

i_qbc＝ωCri_d-ωCu_d

式中：ω为电网的同步角速度；C为交流电网侧滤波电容；r为等效线路内阻；u_d、u_q分别为三相电网电压转化为同步旋转dq坐标系下的两相分量；i_d、i_q分别为三相电感电流转化为同步旋转dq坐标系下的两相分量。

步骤10，根据电流型RMC换流器的输入电流参考信号i_dref、i_qref，再经过dq-三相静止坐标变换，形成RMC的三相输入电流参考信号，最后利用双极性电流空间矢量调制策略(参考《基于RMC和VSC的海上风电混合多端-HVDC系统》，电力系统及其自动化学报，2015年8月)构造PWM信号对RMC开关矩阵和后级变换器进行控制。

RMC开关矩阵进行双级性电流空间矢量调制，产生高频脉冲，后级变换器根据高频变压器输出高低脉冲进行相应的动作。当前级输出的高频脉冲信号为正电压，则开通Sph、Snl，当前级输出的高频脉冲信号为负电压，则开通Spl、Snh。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流型RMC换流器，其特征在于，包括控制器以及依次连接的输入滤波单元、RMC开关矩阵、高频变压器、后级变换器、输出滤波单元，所述RMC开关矩阵和所述后级变换器均与所述控制器连接；RMC开关矩阵实现三相交流电由三相到单相交-交变换，将交流电网侧三相交流电转换成正负对称的单相高频脉冲信号，所述单相高频脉冲信号经过高频变压器耦合后，经过后级变换器输出直流电压。

2.根据权利要求1所述的电流型RMC换流器，其特征在于，控制器包括电压电流传感器、信号调理电路和DSP单元，所述电压电流传感器用于采集交流电网侧三相交流电压、三相电感电流、直流侧电压、蓄电池端电压、蓄电池充放电电流，并传送至所述信号调理电路，经信号调理及模数转换后传送给DSP单元，DSP单元根据接收的信号构造出两组PWM信号，分别用于对RMC开关矩阵、后级变换器进行控制。

3.根据权利要求1所述的电流型RMC换流器，其特征在于，所述输出滤波单元包括串联的输出滤波电感和输出滤波电容，所述后级变换器包括两组IGBT，每组有两个IGBT，且每组中的两个IGBT串联，所述高频变压器的输出同名端接入其中一组IGBT后接入所述输出滤波电感，所述输出滤波电感的接入端连接另一组IGBT后，接入高频变压器的输出非同名端。

4.一种电动汽车可逆充放电系统，包括交流电网侧和蓄电池，其特征在于，还包括权利要求1-3任一所述的电流型RMC换流器，所述输入滤波单元连接所述交流电网侧，所述输出滤波单元连接所述蓄电池。

5.根据权利要求4所述的电动汽车可逆充放电系统，其特征在于，所述控制器用于采集直流侧电压u_dc，并将采集的直流侧电压u_dc与直流侧给定电压u_dcref进行比较；当u_dc≤u_dcref时，对蓄电池进行三段式充电；当u_dc>u_dcref时，对蓄电池进行恒流放电。

6.根据权利要求5所述的电动汽车可逆充放电系统，其特征在于，当u_dc≤u_dcref时，采集蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b，并根据蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b实现对蓄电池进行三段式充电：

当I_b大于设定的蓄电池浮充电流，且U_b小于设定的蓄电池恒压充电的充电电压时，对蓄电池进行恒流充电；

当I_b大于蓄电池浮充电流，且U_b大于等于设定的蓄电池恒压充电的充电电压时，对蓄电池进行恒压充电；

当I_b小于蓄电池浮充电流时，对蓄电池进行浮充充电。

7.权利要求4所述的电动汽车可逆充放电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集直流侧电压u_dc，并将采集的直流侧电压u_dc与直流侧给定电压u_dcref进行比较；

步骤2，当u_dc≤u_dcref时，采集蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b，并根据蓄电池端电压U_b、蓄电池充放电电流I_b实现对蓄电池进行三段式充电；

步骤3，当u_dc>u_dcref时，对蓄电池进行恒流放电；

步骤4，根据蓄电池三段式充电控制信号，作为电流型RMC换流器的输入电流i的d轴分量给定值i_d ^*；采用d轴电网电压定向，通过控制i_d、i_q来控制交流电网侧有功功率和无功功率，控制电流型RMC换流器输入电流i的q轴分量i_q ^*＝0；

步骤5，利用交流电网侧三相电压u_a、u_b，u_c，通过锁相环确定三相电网电压相角θ；

步骤6，采集三相电感电流i_a、i_b、i_c，交流电网侧三相电压u_a、u_b，u_c，利用Clarke变换对三相电感电流、交流电网侧三相电压进行3/2变换，得到三相电感电流的α轴分量i_α和β轴分量i_β，交流电网侧三相电压的α轴分量u_α和β轴分量u_β；

步骤7，根据电网电压定向原则，将d轴定在电网电压方向，采用三相电网电压相角θ，利用dq变换模块对三相电感电流的α轴分量i_α和β轴分量i_β,三相电压的α轴分量u_α和β轴分量u_β进行dq变换分别得到三相电感电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q，三相电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q；

步骤8，将i_d ^*和i_d相比较后，通过电流环PI控制器输出作为电流d轴有功分量输出；将i_q ^*和i_q相比较后，通过电流环PI控制器输出作为电流q轴无功分量输出；

步骤9，d轴、q轴电流环PI控制器的输出分别加上耦合补偿项，形成电流型RMC换流器的输入电流d轴、q轴参考信号i_dref、i_qref；

步骤10，根据电流型RMC换流器的输入电流参考信号i_dref、i_qref，再经过dq-三相静止坐标变换，形成电流型RMC换流器的三相输入电流参考信号，再利用双极性电流空间矢量调制策略构造PWM信号对RMC开关矩阵和后级变换器进行控制。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤8中，根据以下公式计算d轴电流耦合补偿项i_dbc和q轴电流耦合补偿项i_qbc。

i_dbc＝ωCu_q-ωCri_q

i_qbc＝ωCri_d-ωCu_d

式中：ω为电网的同步角速度；C为交流电网侧滤波电容；r为等效线路内阻；u_d、u_q分别为三相电网电压转化为同步旋转dq坐标系下的两相分量；i_d、i_q分别为三相电感电流转化为同步旋转dq坐标系下的两相分量。