CN113162145A - 一种双向四象限充电模块的控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向四象限充电模块的控制装置及方法，包括三电平功率变换拓扑，三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，三相锁相环模块的输出信号经坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、前馈叠加模块和交叉解耦模块后获得控制若干开关管通断的控制信号。本发明通过三相三电平拓扑结合矢量控制技术实现在电池充电的时候整流器工作于整流模式下，在电池放电时进行能量回馈至电网，从而实现电动汽车在充电时可以进行快速的模式切换以及实现充电模块在宽电压输入应用场景下双向四象限运行。

Description

一种双向四象限充电模块的控制装置及方法
技术领域
本发明涉及新能源充放电领域，具体的说，是涉及一种双向四象限充电模块的控制装置及方法。
背景技术
随着新能源汽车的逐渐普及和充电设施建设的提速，用户对整车充电提出了诸多新的需求，充电桩的建设场景也逐渐多元化，但是随之而来的是大规模电动车接入电网，从而给电网带来了诸多挑战，例如由于现有电网调度策略并未考虑大规模电动汽车接入时充放电的需求，当大规模电动车集中接入电网，必然会引起负荷尖峰对电网容量以及设施寿命造成压力。
为应对上述挑战，诞生电动汽车V2G(Vehicle-to-grid，车辆到电网)技术，可以实现对电网的削峰填谷，避免负荷尖峰，同时提升电网的稳定性，但V2G技术应用中仍然存在如下问题需要解决：
问题一：在现有的充电桩技术应用中，充电模块的能量流动通常是单向流动，为了解决双向流动问题，通常的做法是通过被动模式切换来实现充电与放电的功能，但是在实际应用场景中，该做法存在模式检测失败的可能，导致模式切换错误，从而对电网和放电电池造成风险，而为了提高模式切换的可靠性所增加的装置又会大幅提高整机成本，因此能量自适应的双向流动就成了业内亟待解决的问题。
问题二：现有的电网对负荷的响应和调度都是以秒为单位进行的，其控制速度慢，负荷冲击大并且成本高，因此若在大规模电动汽车无序接入充电时，能够实现毫秒级的控制调度，将会大大减少负荷冲击对电网设施的影响。
问题三：传统的基于平均电流法的维也纳控制方式只能实现整流功能，如果要实现V2G功能必须要另外加入逆变并网算法，对控制芯片的内存和处理速度都带来新的挑战，增加了系统的控制复杂度和成本。
以上问题，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种双向四象限充电模块的控制装置及方法。
本发明技术方案如下所述：
一方面，一种双向四象限充电模块的控制装置，包括电网侧电路、三电平功率变换拓扑以及直流母线电容，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，所述矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，所述三相锁相环模块的输出信号经所述坐标变换模块转换后获得有功分量和无功分量，经所述电压外环模块、所述电流内环模块、所述前馈叠加模块和所述交叉解耦模块后获得电压控制矢量，该电压控制矢量经所述坐标变换模块转换后输入所述矢量发波模块，以获得控制若干所述开关管通断的控制信号。
根据上述方案的本发明，其特征在于，电网侧电路包括滤波电感、滤波RC电路和电网侧电感。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述电压外环模块设有采样器和控制比较器，所述采样器采样所述直流母线电容的端电压，获得反馈电压值，所述比较器比较所述反馈电压值与预设的母线基准电压值，所述PI控制器输出得到母线电压的控制误差值。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述电流内环模块包括有功电流控制模块和无功电流控制模块，所述有功电流控制模块与所述电压外环模块连接，获取所述电压外环模块的输出量作为控制目标参考值，所述无功电流控制模块的控制目标参考值为0。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述交叉解耦模块与所述电流内环模块连接，并将有功电流环路中耦合的无功电流分量去除，将无功电流环路中的有功电流分量去除，所述前馈叠加模块设置于所述电流内环模块输出端，将有功分量和无功分量中的电压分量叠加到所述电流内环模块的输出量上，获得所述电压控制矢量。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述坐标变换模块包括克拉克变换模块、派克变换模块和反派克变换模块，所述克拉克变换模块和所述派克变换模块先后设置于所述三相锁相环模块的输出端，所述反派克变换模块设置于所述前馈叠加模块与所述矢量发波模块之间。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑为三相三电平拓扑，每一相包括两对串联的开关管，第一对开关管包括第一开关管和第四开关管，第二对开关管包括第二开关管和第三开关管，第一对开关管的两端分别连接直流侧的正母线和负母线，第二对开关管的一端连接在所述第一开关管和所述第四开关管之间，另一端连接所述直流母线电容，所述第一开关管的一端连接直流侧的正母线，另一端连接所述第四开关管，所述第四开关管的另一端连接直流侧的负母线。
进一步的，所述直流母线电容包括正母线电容和负母线电容，所述正母线电容和所述负母线电容的中点连接第二对开关管的另一端。
另一方面，本发明还提供了一种双向四象限充电模块的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用三相锁相环模块对电网电压的相位及幅值进行跟踪锁定，获得包含正余弦信号的输出信号；
步骤2：进行坐标变换，获得d轴的有功分量和q轴的无功分量，包括有功电压分量Ud、有功电流分量Id、无功电压分量Uq、无功电流分量Iq；
步骤3：控制有功电流环路的输出，切换系统工作模式，包括整流充电模式和逆变模式；
步骤4：对有功电流环路和无功电流环路进行交叉解耦；
步骤5：分别对有功电流分量与无功电流分量进行电压前馈叠加，获得电压控制矢量；
步骤6：将步骤5所得的电压控制矢量进行派克反变换，获得两相静止坐标系α-β轴的电压分量Uα和Uβ；
步骤7：电压分量Uα和Uβ经过空间矢量调制得到三电平空间矢量PWM波，来控制三电平功率变换拓扑中的开关管的通断。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述步骤2中的坐标变换包括克拉克变换和派克变换。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：
301、外部输入母线基准电压值(Vdc_ref)；
302、采样直流母线电容的端电压，获得反馈电压值(Vdc_fdb)；
303、控制比较器(PI控制器)对比母线基准电压值和反馈电压值；
304、根据比较结果，调节有功电流环路的输出值。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于：
本发明通过三相三电平拓扑结合矢量控制技术实现在电池充电的时候整流器工作于整流模式下，在电池放电时进行能量回馈至电网，从而实现电动汽车在充电时可以进行快速的模式切换以及实现充电模块在宽电压输入应用场景下双向四象限运行；
进一步的，三电平矢量控制技术能够根据母线电压自适应的实现能量双向四象限流动，整流模式和逆变模式可实现毫秒级无缝切换，相比较传统的秒级控制模式，本发明具有更快的响应，利于电网应对大规模无序充电的需求；
进一步的，相比传统的控制方案，本发明节省代码空间和处理器的时间资源，降低了整机系统成本。
附图说明
图1为本发明双向四象限充电模块的控制装置的结构示意图；
图2为本发明三电平功率变换拓扑的连接电路图；
图3为本发明双向四象限充电模块的控制方法的流程图；
图4为本发明双向四象限的工作模式坐标图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。
如图1所示，一方面，一种双向四象限充电模块的控制装置，包括依次连接的直流母线电容、三电平功率变换拓扑、滤波电感、滤波RC电路和电网侧电感，所述三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，所述矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，三相锁相环模块的输出信号经所述坐标变换模块转换后获得有功分量和无功分量，经电压外环模块、电流内环模块、前馈叠加模块和交叉解耦模块后获得电压控制矢量，该电压控制矢量经坐标变换模块转换后输入矢量发波模块，以获得控制若干开关管通断的控制信号。
三相锁相模块，跟踪三相电网电压相位，提供坐标变换所需角度信号。
坐标变换模块包括克拉克(Clark)变换模块、派克(Park)变换模块和反派克变换模块，所述克拉克变换模块和所述派克变换模块先后设置于三相锁相环模块的输出端，反派克变换模块设置于前馈叠加模块与所述矢量发波模块之间。
Clark变换是把三相静止、互差120°的三维轴坐标系中的变量a、b、c变换成两相静止、互差90°的二维极坐标系中的变量α、β；Park变换是把静止的变量α、β变换成旋转的旋转坐标系中的变量d、q。
电压外环模块，根据外部输入的母线基准电压值(Vdc_ref)，通过PI控制器控制输出有功电流环路控制量，具体地，电压外环模块设有采样器和控制比较器，采样器采样直流母线电容的端电压，获得反馈电压值(Vdc_fdb)，比较器比较反馈电压值(Vdc_fdb)与预设的母线基准电压值(Vdc_ref)，PI控制器输出得到母线电压的控制误差值。
所述电流内环模块包括有功电流控制模块和无功电流控制模块，所述有功电流控制模块与所述电压外环模块连接，获取电压外环模块的输出量作为控制目标参考值，即有功电流环路的参考值(Id_ref)由电压环路的输出量得到，对系统的有功分量进行控制；而无功电流环路控制系统的无功分量，由于系统功率因数控制目标为1，即不含无功分量，因此无功电流环路的控制参考目标值(Iq_ref)为0。
所述交叉解耦模块与所述电流内环模块连接，并将有功电流环路(有功电流控制模块所在的环路)中耦合的无功电流分量去除，将无功电流环路(无功电流控制模块所在的环路)中的有功电流分量去除，实现两个电流内环路独立控制目标。
所述前馈叠加模块设置于所述电流内环模块输出端，将有功分量和无功分量中的电压分量(Ud和Uq)叠加到所述电流内环模块的输出量上，获得最终环路输出的电压控制矢量。
坐标变换模块中的反派克变换模块，将环路输出的电压控制矢量变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系的电压分量Uα和Uβ。
所述三电平功率变换拓扑为三相三电平拓扑，每一相包括两对串联的开关管，第一对开关管包括第一开关管和第四开关管，第二对开关管包括第二开关管和第三开关管，第一对开关管的两端分别连接直流侧的正母线和负母线，第二对开关管的一端连接在所述第一开关管和所述第四开关管之间，另一端连接所述直流母线电容。
如图2所示，在一个可选实施例中，以A相、B相、C相为例进行说明，A相上的开关管为QxA，B相上的开关管为QxB，C相上的开关管为QxC，其中x＝1、2、3、4，代表开关管序号，例如A相上的第一开关管为Q1A，第二开关管为Q2A，第三开关管为Q3A，第四开关管为Q4A，同理B相上的第一开关管为Q1B，第二开关管为Q2B，第三开关管为Q3B，第四开关管为Q4B，C相上的第一开关管为Q1C，第二开关管为Q2C，第三开关管为Q3C，第四开关管为Q4C。
以A相的开关管为例说明拓扑连接结构，具体地，第一对开关管包括第一开关管Q1A和第四开关管Q4A，第二对开关管包括第二开关管Q2A和第三开关管Q3A，第一开关管Q1A一侧连接直流侧的正母线，另一侧连接第四开关管Q4A，第四开关管Q4A的另一端连接直流侧的负母线，第二开关管Q2A的一端连接在第一开关管Q1A和第四开关管Q4A之间，另一端连接第三开关管Q3A，第三开关管Q3A的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2之间。
B相和C相的各自两对开关管连接方式同A相，且三相的第一对开关管并联，第二对开关管并联。
如图3所示，另一方面，本发明还提供了一种双向四象限充电模块的控制方法，用于实现上述控制装置中个开关管的通断，包括以下步骤：
步骤1：利用三相锁相环模块对电网电压的相位及幅值进行跟踪锁定，获得包含正余弦信号的输出信号；
步骤2：进行坐标变换，获得d轴的有功分量和q轴的无功分量，包括有功电压分量Ud、有功电流分量Id、无功电压分量Uq、无功电流分量Iq；
步骤2中的坐标变换包括克拉克变换和派克变换。
步骤3：控制有功电流环路的输出，切换系统工作模式，包括整流充电模式和逆变模式；
步骤3包括以下步骤：
301、外部输入母线基准电压值；
302、采样直流母线电容的端电压，获得反馈电压值；
303、对比母线基准电压值和反馈电压值；
304、根据比较结果，调节有功电流环路的输出值。
具体的，以电网电压向量U(包括Ua、Ub、Uc)的方向为正方向，当无功分量为0时，系统实时采集当前母线电容C1和C2两端的电压，此电压为系统的反馈电压值，与系统预设的母线基准电压值进行比较，输出得到母线电压的控制误差值。
如图4所示，当此控制误差值一直处于大于0的状态，即母线基准电压值高于系统反馈电压值，进而调节电流内环的有功电流环基准，使得有功电流输出为正，实现系统能量正向流动，进而实现了PFC整流充电功能，此时系统的电感L电流方向和电网电压方向一致，系统工作在纯阻性状态。
当此控制误差值一直处于小于0的状态，即母线基准电压值低于系统反馈电压值，进而通过调节电流内环的有功电流环基准，使得有功电流输出为负，实现系统能量反向流动，进而实现了逆变并网放电功能，此时系统工作在如图所示的负阻性状态；当此控制误差值一直处于等于0的状态，即系统即不充电也不放电，能量不再流动，此时系统工作在原点状态。
相对应的，当无功分量为正时，整流模式下，系统工作在第一象限区，即阻容特性区，逆变模式下，系统工作在第二象限区，即负阻容特性区；当无功分量为负时，整流模式下，系统工作在第四象限区，即阻感特性区，逆变模式下，系统工作在第三象限区，即负阻感特性区。
步骤4：对有功电流环路和无功电流环路进行交叉解耦；
步骤5：分别对有功电流分量与无功电流分量进行电压前馈叠加，获得电压控制矢量；
具体地，三相电网电压经过克拉克变换和帕克变换之后得到d-q轴坐标系下的电网电压Ud、Uq，d轴电压分量Ud作为有功电流环路的电压前馈，q轴电压分量Uq作为无功电流环路的电压前馈，获得电压控制矢量步骤4和5的数学公式为：
Ud+Id-ω*L*Id_fdb
Uq+Iq-ω*L*Iq_fdb
步骤6：将步骤5所得的电压控制矢量进行派克反变换，获得两相静止坐标系α-β轴的电压分量Uα和Uβ；
步骤7：电压分量Uα和Uβ经过空间矢量调制得到三电平空间矢量PWM波，来控制三电平功率变换拓扑中的开关管的通断。
步骤7中，空间矢量PWM波总共有六路，分别对应U、V、W三相的正负半周，每一相矢量PWM调制波之间空间相位相差120°，分别控制三电平逆变回路的三路桥臂开关管的导通和关断。
由于开关管的工作逻辑都相同，以A相的开关管为例说明工作原理，B相和C相不作赘述：第一开关管Q1A和第三开关管Q3A互补，第二开关管Q2A和第四开关管Q4A互补，同时第一开关管Q1A和第四开关管Q4A不能同时导通。
在充电模式下，系统实现的是整流功能，能量的流动方向为电网侧到整流器的负载侧，其中在交流输入的正半周期，第二开关管Q2A保持开通，第四开关管Q4A保持关断，第一开关管Q1A和第三开关管Q3A在一个开关周期内交替导通，当第一开关管Q1A关断，第三开关管Q3A开通的时候，电感开始从电网吸收能量；当第一开关管Q1A开通，第三开关管Q3A关断的时候，电感中的能量释放，给正母线电容C1充电。
在交流输入的负半周第三开关管Q3A保持开通，第一开关管Q1A保持关断。当第四开关管Q4A关断，第二开关管Q2A开通的时候，电感开始从电网吸收能量；当第四开关管Q4A开通，第二开关管Q2A关断的时候，电感中的能量释放，给负母线电容C2充电。
在逆变并网模式下，系统实现的是逆变功能，能量的流动方向为整流器的直流母线端到电网侧，此时在交流输入的正半周第二开关管Q2A保持开通，第四开关管Q4A保持关断，第一开关管Q1A和第三开关管Q3A在一个开关周期内交替导通，当第一开关管Q1A开通，第三开关管Q3A关断的时候，正母线对电感充电，当第一开关管Q1A关断，第三开关管Q3A开通的时候，电感向电网中释放能量。
在交流输入的负半周第三开关管Q3A保持开通，第一开关管Q1A保持关断。当第四开关管Q4A开通，第二开关管Q2A关断的时候，负母线对电感充电。当第四开关管Q4A关断，第二开关管Q2A开通的时候，电感向电网中释放能量。
综上所述，本发明通过三相三电平拓扑结合矢量控制技术实现在电池充电的时候整流器工作于整流模式下，在电池放电时进行能量回馈至电网，从而实现电动汽车在充电时可以进行快速的模式切换以及实现充电模块在宽电压输入应用场景下双向四象限运行；
进一步的，三电平矢量控制技术能够根据母线电压自适应的实现能量双向四象限流动，整流模式和逆变模式可实现毫秒级无缝切换，相比较传统的秒级控制模式，本发明具有更快的响应，利于电网应对大规模无序充电的需求；
进一步的，相比传统的控制方案，本发明节省代码空间和处理器的时间资源，降低了整机系统成本。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双向四象限充电模块的控制装置，包括电网侧电路、三电平功率变换拓扑以及直流母线电容，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑中若干开关管的控制端连接矢量控制模块，所述矢量控制模块包括三相锁相环模块、坐标变换模块、电压外环模块、电流内环模块、交叉解耦模块、前馈叠加模块和矢量发波模块，
所述三相锁相环模块的输出信号经所述坐标变换模块转换后获得有功分量和无功分量，经所述电压外环模块、所述电流内环模块、所述前馈叠加模块和所述交叉解耦模块后获得电压控制矢量，该电压控制矢量经所述坐标变换模块转换后输入所述矢量发波模块，以获得控制若干所述开关管通断的控制信号。
2.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述电压外环模块设有采样器、比较器和PI控制器，所述采样器采样所述直流母线电容的端电压，获得反馈电压值，所述比较器比较所述反馈电压值与预设的母线基准电压值，所述PI控制器输出得到母线电压的控制误差值。
3.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述电流内环模块包括有功电流控制模块和无功电流控制模块，所述有功电流控制模块与所述电压外环模块连接，获取所述电压外环模块的输出量作为控制目标参考值，所述无功电流控制模块的控制目标参考值为0。
4.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述交叉解耦模块与所述电流内环模块连接，并将有功电流环路中耦合的无功电流分量去除，将无功电流环路中的有功电流分量去除，
所述前馈叠加模块设置于所述电流内环模块输出端，将有功分量和无功分量中的电压分量叠加到所述电流内环模块的输出量上，获得所述电压控制矢量。
5.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述坐标变换模块包括克拉克变换模块、派克变换模块和反派克变换模块，所述克拉克变换模块和所述派克变换模块先后设置于所述三相锁相环模块的输出端，所述反派克变换模块设置于所述前馈叠加模块与所述矢量发波模块之间。
6.根据权利要求1所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述三电平功率变换拓扑为三相三电平拓扑，每一相包括两对串联的开关管，第一对开关管包括第一开关管和第四开关管，第二对开关管包括第二开关管和第三开关管，第一对开关管的两端分别连接直流侧的正母线和负母线，第二对开关管的一端连接在所述第一开关管和所述第四开关管之间，另一端连接所述直流母线电容，
所述第一开关管的一端连接直流侧的正母线，另一端连接所述第四开关管，所述第四开关管的另一端连接直流侧的负母线。
7.根据权利要求6所述的双向四象限充电模块的控制装置，其特征在于，所述直流母线电容包括正母线电容和负母线电容，所述正母线电容和所述负母线电容的中点连接第二对开关管的另一端。
8.一种双向四象限充电模块的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用三相锁相环模块对电网电压的相位及幅值进行跟踪锁定，获得包含正余弦信号的输出信号；
步骤2：进行坐标变换，获得d轴的有功分量和q轴的无功分量，包括有功电压分量Ud、有功电流分量Id、无功电压分量Uq、无功电流分量Iq；
步骤3：控制有功电流环路的输出，切换系统工作模式，包括整流充电模式和逆变模式；
步骤4：对有功电流环路和无功电流环路进行交叉解耦；
步骤5：分别对有功电流分量与无功电流分量进行电压前馈叠加，获得电压控制矢量；
步骤6：将步骤5所得的电压控制矢量进行派克反变换，获得两相静止坐标系α-β轴的电压分量Uα和Uβ；
步骤7：电压分量Uα和Uβ经过空间矢量调制得到三电平空间矢量PWM波，来控制三电平功率变换拓扑中的开关管的通断。
9.根据权利要求8所述的一种双向四象限充电模块的控制方法，其特征在于，所述步骤2中的坐标变换包括克拉克变换和派克变换。
10.根据权利要求8所述的一种双向四象限充电模块的控制方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：
301、外部输入母线基准电压值；
302、采样直流母线电容的端电压，获得反馈电压值；
303、对比母线基准电压值和反馈电压值；
304、根据比较结果，调节有功电流环路的输出值。
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