發布時間：2021-05-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：提出了一種應用于電動汽車一體化充電系統中的單相PWM整流有源濾波的控制方法，以抑制充電中單相整流電路的直流電壓二次紋波。在單相電網電壓充電時，這種控制方法能通過控制電機驅動器電路，復用其中的兩相同時進行單相整流和有源濾波，在實現整流器單
摘要：提出了一種應用于電動汽車一體化充電系統中的單相PWM整流有源濾波的控制方法，以抑制充電中單相整流電路的直流電壓二次紋波。在單相電網電壓充電時，這種控制方法能通過控制電機驅動器電路，復用其中的兩相同時進行單相整流和有源濾波，在實現整流器單位功率因數運行、穩定輸出直流電壓的同時，減小直流側電壓的二次紋波，減小網側輸入電流的總諧波畸變率。對單相整流直流側電壓二次紋波的產生機理、有源濾波電路的拓撲結構、單相整流和有源濾波的控制原理和方法進行了詳細地分析。最后搭建輸入電壓峰值110V，輸出直流電壓220V，負載等效電阻100Ω的仿真模型，通過仿真和實驗結果驗證了所提控制方法的可行性。
關鍵詞：單相PWM整流;二次紋波抑制;網側電流畸變;電動汽車一體化充電系統
近年來，隨著化石燃料減少等能源危機的出現和大氣污染等環境問題的加劇，使用新能源的分布式發電得到了越來越多的應用[1-3]。其中，小容量分布式電源構成的微網，由于其能源利用率高、安裝方便靈活等優勢獲得了更多的關注[4-7]。
直流微電網結構如圖1所示。在直流微電網中，電動汽車作為一種常見用戶[8-9]，其充電系統的相關研究受到了廣泛的關注[10]。其中單相PWM整流器由于其高效率、小體積、低成本和高可靠性的優點，在電動汽車充電系統中得到了廣泛的應用[11-13]。而當直接接入交流單相電網時，電動汽車通過使用一體化充電系統，使單相整流器由電動汽車電機驅動器復用得到。但單相整流器工作時，其直流母線上產生的電壓二次紋波會給充電系統帶來諸多危害[14]。
電動汽車使用單相電網給動力電池充電時，直流充電電壓的二次紋波會使電池發熱，降低充電效率并損害電池壽命[15]，也相應的會影響充電時電動汽車上散熱風扇、空調等電機驅動系統的性能[16-18]。而在網側，由于直流側二次紋波經控制系統負反饋進入控制環中，網側電流會相應產生畸變，影響網側電能質量。由于以上問題，電動汽車充電系統中，單相PWM整流直流側電壓二次紋波抑制已逐漸成為國內外學者的研究熱點。
由于無源濾波存在體積大、功率密度低等缺點[19-20]，在實際應用中一般選用有源濾波方式來抑制直流側電壓的二次紋波。文獻[21-22]在傳統控制方法的基礎上進行了改進，避免了傳統有源濾波控制方案的諧振問題。文獻[8]對一種已有的有源濾波拓撲提出了新的控制方法，但這種控制方法需要在三相輸入都有電感時才能夠適用。文獻[23]僅使用1個H橋，同時使用2個電容對稱連接在交流電源兩端，此時2個半橋均復用做PWM整流和有源濾波，這種方法會使得開關管的電流應力大于單相PWM整流時的電流應力。
本文提出了一種可應用于電動汽車一體化充電系統中的單相整流有源濾波方法。這種方法使用電機驅動器的三相半橋作為整流器用于單相整流。通過采用所提出的控制方法，在實現輸入電流跟隨電網電壓正弦變化、功率因數接近于1、電流總諧波畸變率(totalharmonicdistortion，THD)相較不使用有源濾波可得到改善的同時，能得到穩定的直流輸出電壓且電壓二次紋波明顯減小。而通過復用2個半橋，相較于傳統有源濾波拓撲，可進一步簡化電路并降低充電器成本。本文首先分析了單相PWM整流的直流電壓二次紋波的產生機理及有源濾波器的拓撲結構;然后就所提出的有源濾波控制方法的運行原理進行分析和推導;最后進行仿真模型的搭建，結果分析驗證所提方法的正確性和有效性。
1有源濾波拓撲推導及原理分析
1.1單相整流直流側電壓二次紋波產生機理
傳統的單相PWM整流器拓撲如圖2所示。
1.2單相整流有源濾波拓撲推導
電動汽車一體化充電系統工作原理如圖3所示。
由圖3可知，電動汽車驅動器由A，B，C3個半橋組成，且不同模式下各半橋的工作情況各有不同。但如前文分析，在單相整流模式工作時，整流器直流側會產生二次紋波，因而需要進一步改進單相充電時的整流器拓撲及相應控制結構。
傳統的單相整流有源濾拓撲如圖4所示。在傳統的有源濾波電路中，A，B半橋用于單相PWM整流，從而使輸入電流能跟隨輸入電壓正弦變化，功率因數接近為1，同時輸出穩定的直流電壓;C，D半橋用于直流輸出電壓的二次紋波抑制，通過控制C，D兩橋，使電容C1中儲存的能量變化，當滿足式(8)時，即可實現輸出電壓的二次紋波抑制。
本文使用的有源濾波拓撲將圖3中的B，C兩相合并。合并后的B相同時要用于單相PWM整流和直流電壓二次紋波抑制。此拓撲較傳統方法減少了一個橋臂，在硬件成本降低的同時，減少了開關管的開關損耗，提高了變換器的效率和穩定性。對圖4中的拓撲進行簡化，合并中間2個半橋，得到如圖5所示的拓撲，A相僅用于單相PWM整流;B，C兩相均復用于單相PWM整流和有源濾波。
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本文采用的有源濾波拓撲可看作是在三相PWM整流系統的基礎上，加入1個儲能電容，但不同的是，在三相PWM整流器中，三相電網電源對稱且均能輸入有功功率;而在此有源濾波電路中，只有一相能輸入有功功率。本文所提出的控制方法通過控制濾波電容C1的電壓，可使無功功率被電容吸收，從而達到抑制直流側二次紋波的目的。
2有源濾波拓撲控制策略
2.1單相整流控制策略
如上所述，拓撲可分為兩部分，即單相PWM整流和直流側二次紋波抑制兩部分，控制方法也對應為整流和二次紋波抑制兩部分。
圖7中電壓環通過PI調節直流電壓與直流給定電壓的差值為0，從而實現穩定的直流電壓輸出。電壓環PI輸出1個電流給定幅值，通過乘以經鎖相環得到的、與電網輸入電壓相位相同的幅值為1的相位量，得到交流輸入電流的給定值，即isref。電流環采用準比例諧振(proportionalreso⁃nant，PR)控制器，利用準PR調節器對特定頻率交流信號的高增益，可實現輸入交流電流跟隨給定值，且無穩態誤差，從而實現輸入側功率因數接近于1。
在控制環中，使用電壓電流環控制，以達到良好的控制效果。
3仿真與實驗結果分析
在所提出的單相PWM整流的直流側二次紋波抑制控制方法仿真中，使用的是理想開關器件，其余參數設計如下：電網側輸入電壓峰值Us=110V，整流器直流電壓給定Udcref=220V，A相電感L1=4mH，B相電感L2=4mH，C相電感L3=4mH，儲能電容C1=150μF，直流穩壓電容Cdc=200μF，開關頻率fs=10kHz;直流側等效負載電阻RL=100Ω。
3.1未采用有源濾波方法的單相整流仿真
在未采用有源濾波方法下，采用傳統單相PWM整流拓撲時的輸入輸出仿真波形如圖12所示。
由圖12可見，未采用有源濾波方法時，單相整流器能實現輸出給定的直流電壓，并實現輸入電壓電流的相位差接近于0。但是，在直流側輸出電壓的平均值Udc=219.464V時，其輸出電壓的紋波為ΔUdc=37.558V，輸出電壓波動較大，占給定輸出電壓的17.07%。輸入電流雖然能實現跟隨輸入電壓相位，但其畸變較大，THD=7.72%。其傅里葉分析圖如圖13所示。
由圖13可知，輸入電流的三次諧波較大，使得電流發生畸變。由于在單相PWM整流的控制回路中，輸入電流的幅值給定是由直流輸出電壓的誤差信號經PI調節得到的，當直流電壓二次脈動較大時，直流電流的幅值量給定值中會相應的引入二次脈動。輸入電流的給定值是由鎖相環產生的電網電壓的sin(ωt)和電壓環PI輸出相乘得到的，因而會使得電流給定值中含有三次諧波分量，導致電網電流畸變。而一般電網要求用戶的輸入交流電流THD在5%以內，可見此時電流畸變過大，不滿足電網要求。
3.2采用傳統的有源濾波方法的單相整流仿真
采用如圖4所示的傳統有源濾波方法的單相PWM整流的輸入輸出仿真波形如圖14所示。由圖14a可知，傳統的有源濾波電路具有直流側電壓紋波抑制功能，電壓紋波為ΔUdc=10.732V。由圖14b可知，輸入電流能跟隨輸入電壓正弦變化，同時輸入電流的傅里葉分析如圖15所示。由圖15可知，電流的THD=3.924%，電流控制效果較未采用有源濾波方法有了明顯的改善。
3.3采用所提出的有源濾波方法的單相整流仿真
采用所提出的有源濾波方法的單相PWM整流的輸入輸出仿真波形如圖16所示。由圖16a可知，電路直流側能輸出穩定的直流電壓，且此時電壓紋波僅為ΔUdc=5.382V。輸出電壓的紋波明顯小于未應用有源濾波時，也小于采用傳統的有源濾波方法時的紋波，僅占輸出電壓的2.45%，是未使用有源濾波時的紋波的0.15倍。
由圖16b可知，輸入電流能跟隨輸入電壓變化，實現功率因數接近于1。其輸入電流的傅里葉分析如圖17所示，電流的THD=1.289%<5%，滿足電網對用戶的要求。圖17中，電流三次諧波從未采用有源濾波時的0.657A減小至0.0820A，電流的THD顯著減小。與本節中的分析一致，輸出電壓的二次紋波減小導致電流的三次諧波減小，進而使得輸入電流的THD減小。而本文所提出的有源濾波方法的輸入電流諧波分量相比于傳統有源濾波方法也有所減小。
由圖16c可知，相比于傳統單相有源濾波拓撲，A相半橋的電流應力不變，但由于省去了D相半橋，同時B，C兩相的電流應力減小，可見所提出的有源濾波控制方法可在節省充電器成本的同時，降低電路的損耗。
3.4實驗結果分析
依照仿真所設置的參數，本文進行實驗以驗證所提出的有源濾波方法的性能。為驗證其直流側二次紋波抑制性能，在相同參數下進行了與未使用有源濾波方法的單相整流實驗作為對比，實驗對比結果如圖18所示。本文實驗系統中輸入電壓有效值為110V。
由圖18可見，采用傳統的單相PWM整流拓撲時，功率因數PF為0.996，THDi=6.7%，直流輸出電壓的二次脈動Δudc約為55V。當采用所提出的有源濾波拓撲時，功率因數PF增加至0.998，THDi減少到2.8%，且此時直流輸出電壓的低頻波動Δudc約減小到10V。圖19為額定負載時，采用和未采用有源濾波方法的兩種整流器輸入電流的傅里葉分析。與傳統單相整流拓撲相比，采用本文所提出的有源濾波拓撲時，輸入電流的三次諧波電流分量減少了50%以上，故此輸入電流的總諧波畸變率減小了5.1%�？梢�，本文所提出的有源濾波方法可實現直流側二次紋波抑制功能，同時降低輸入電流的THD，提高整流器的網側電能質量。
4結論
本文在傳統的單相有源濾波電路的基礎上，分析使用了一種新型有源濾波拓撲并提出相應的控制方法，用于單相PWM整流的直流電壓的二次紋波抑制。這種控制方法能實現通過復用半橋，控制電容儲能，同時完成PWM整流和有源濾波。能實現輸入電流跟隨輸出電壓呈正弦且功率因數接近于1變化，輸出穩定的直流電壓，并能顯著減小輸出電壓紋波。與此同時，減小輸入電流畸變，改善網側輸入電流的THD。本文中搭建的仿真模型所得出的仿真和實驗結果驗證了所提控制方案原理的正確性和有效性。因此，本文所提出的有源濾波控制方法可以用于單相PWM整流的直流輸出電壓二次紋波的抑制。——論文作者：霍現旭1，項添春1，李樹鵬1，畢宇軒2
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