[發明專利]一種基于MMC的規模化電動汽車充放電電路拓撲及控制策略

在審

• 申請號: 201710553915.9
• 申請日: 2017-07-09
• 公開（公告）號: CN107123998A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 閆卓武;尹忠東
• 申請（專利權）人: 華北電力大學;北京科力源能源技術有限公司
• 主分類號: H02J3/32
• 分類號: H02J3/32;H02M3/158;B60L11/18
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于MMC的規模化電動汽車充放電電路拓撲及控制策略，用于實現大規模數量的電動汽車集中充放電，實現的電動汽車的V2G技術。

背景技術

能源危機以及日益嚴峻的環境問題，使得相關部門再次加大對節能減排工作的重視。電動汽車作為一種新型的交通工具，具有環保、節能的優勢，有效的減少了污染尾氣的排放，對霧霾的治理有重要意義，是未來發展的主要方向。據了解，2017年，我國將新增80萬個充電樁，隨著電動汽車充電基礎設施、統一充電標準以及政府扶持政策的不斷完善，據估計2020年全國電動汽車保有量將超過500萬輛。據相關資料顯示，大多數電動汽車在一天當中約95％的時間是處于空閑狀態的。隨著電動汽車數量的不斷增加，如果電動汽車電池中的能量可調度，那么電網中將有容量可觀的儲能設備處于閑置狀態，若把這些閑置設備充分利用，將極大提高電動汽車中儲存能量的利用效率。

目前存在特定場合下規模化電動汽車集中充放電需求，但大規模電動汽車充放電會引起的電網三相不平衡、并網諧波含量高等問題。

模塊化多電平換流器目前主要應用于柔性直流輸電領域，在工程中表現出極高的優勢和應用價值，其主要特點是功率等級高、功率雙向流動、模塊化，與實現規模化電動汽車充放電所需的各項指標吻合度極高。

發明內容

本發明提出一種基于MMC的規模化電動汽車充放電電路拓撲及控制策略，用于實現大規模數量的電動汽車集中充放電，實現的電動汽車的V2G技術。

圖1所示為基于MMC的電動汽車集中充放電系統主電路結構示意圖，其中L_s為交流側電感；R_s為交流側等效電阻。拓撲結構每相單元由上、下兩個橋臂單元組成，每個橋臂單元由N個子模塊SM_j(子模塊編號j＝1，2，…，2n)和一個橋臂電抗器L_a串聯構成，與傳統模塊化多電平換流器不同，交流側沒有變壓器，與電網10kV線路直接連接，直流側不接任何負載。

每個子模塊內部結構如圖2所示，可分為兩部分，其中包括兩個IGBT(T₁、T₂)、兩個反向并聯的二極管(D₁、D₂)、電容C以及用于控制電動汽車充放電的雙向Buck/Boost電路、電動汽車等。

進一步地，開關器件T₁、T₂的通斷決定了所在子模塊電容的投入、切除或旁路，從而在端口產生0、Uc兩種電平。當T₁開通而T₂關斷時，子模塊處于投入狀態，當T₁關斷而T₂開通時，子模塊處于切除狀態，當T₁、T₂均關斷時，子模塊處于旁路狀態。

進一步地，正常工作時需要保證任何時刻每相上下橋臂的投入子模塊總數M相等，以確保直流側電壓恒定。通過改變投入到上下橋臂中子模塊個數，可在系統交流側得到M+1個電平數的正弦波，從而可以通過改變交流側電壓的幅值和相位差來控制有功功率和無功功率的大小。

換流器級控制策略包括外環控制和內環電流控制兩部分。進一步地，外環控制以有功功率、無功功率或直流側電壓的測量值作為輸入，并與其參考值比較，計算得到內環電流控制的參考值；內環電流控制以交流側dq軸電流作為輸入，通過控制換流器交流側輸出的電壓，使dq軸電流快速跟蹤其參考值。

受各個橋臂子模塊數量的限制，且本文所采用的調制策略為載波移相技術，故均壓控制采用疊加均衡分量法。調整電壓均衡的分量包括兩個，分別為能量均衡調節分量和電壓平衡調節分量。

進一步地，能量均衡控制將每相所有子模塊電容電壓的平均值與參考值比較，經PI控制輸出作為橋臂環流的給定，再與橋臂實際環流比較，經PI控制輸出作為能量均衡調節分量，保證了能量在三個相單元中的均衡分配。

進一步地，電容電壓平衡控制將電容電壓值與其參考值比較，經PI控制后，與系數相乘輸出作為電壓平衡調節分量，保證了子模塊電容電壓的均衡。其中，±1的取值取決于上下橋臂電流方向。

進一步地，在上、下橋臂每個子模塊電容電壓的參考值上疊加上述電容電壓的平衡量，得到子模塊參與載波移相調制的調制波。

進一步地，每相采用2N個幅值、頻率相等，相位相差π/(2N)的三角載波與上述子模塊調制波進行比較，可得到2N組PWM調制信號，分別驅動上下橋臂每個子模塊的功率器件，控制其通斷。