矩陣式v2g快速充放電方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力電子技術領域，具體涉及一種矩陣式V2G快速充放電方法。
【背景技術】
[0002] 如何尋找大儲能裝置來儲存電網用電低谷時的電能是電力系統面臨的一個巨大 的難題；而電動汽車高成本也使電動車的推廣舉步維艱，并且電動汽車大部分時間處于閑 置狀態。為了解決電動汽車成本高和電網的儲能問題，利用電動汽車電池儲能的方案被人 們廣泛關注，即在受控狀態下實現電動汽車的能量與電網之間的雙向互動和交換（Vehicle toGrid，簡稱V2G)，該方案較好地解決了電網儲能和汽車高成本的補償問題，而且能夠對 電網進行削峰填谷，提高電網運行效率，還能夠使風能、太陽能等新能源大規模接入電網 成為可能。而實現電動汽車和電網能量雙向流動的載體是V2G的雙向充電技術。
[0003] V2G雙向充電技術研宄剛剛開始，拓撲結構和控制方法存在功率密度低，充、放電 時間長的問題。基于雙向PWM整流器和雙向DC-DC變換器組成的V2G雙向充電系統存在著 電能轉化次數多，效率低，及儲能電容大，功率密度低的問題。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種矩陣式V2G快速充放電方法，解決了現有的V2G變換 器存在電能轉換次數高、轉換效率低以及充放電時間長的問題。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：矩陣式V2G快速充放電方法，采用AC/DC矩陣變換器 拓撲結構，其6組雙向開關采用共射極的IGBT，具體步驟如下：
[0006] 第1步，劃分扇區并求取扇區角以及有效電流矢量占空比；
[0007] 第2步，設置各扇區雙向開關的導通時間；
[0008] 第3步，采用電壓電流雙閉環空間矢量控制方式對蓄電池進行快速充電；
[0009] 第4步，采用電流環負反饋控制方式對蓄電池進行恒流放電。
[0010] 本發明的特點還在于，
[0011] AC/DC矩陣變換器具有9中開關狀態，對應9種電流矢量，記為Ii~19，其中Ii~ 16為非零矢量，并將平面分為6個扇區，每個扇區中相鄰矢量間的角度大小為60°，1 7~19 為零矢量，參與合成的電流矢量占空比為：
[0012]
(1)，
[0013] 輸入電流矢量為：
[0014] iref=da ?Ia+dg?Ip+d〇 ?I〇 (2)，
[0015] 式⑴和⑵中，Ts為開關周期；m為空間矢量的脈寬調制系數；d分別為 參與合成的電流矢量Ia、Ie、1〇在一個采樣周期Ts中的作用時間占空比，Ta、Tp、I；分別為 參與合成的電流矢量1。、1^、1〇的作用時間，9 輸入電流矢量iMf在該扇區內的扇區角。
[0016] 第2步采用雙零矢量前后置開關序列脈沖設置各扇區雙向開關的導通時間。
[0017] 第3步中采用電壓電流雙閉環空間矢量控制方式對蓄電池進行快速充電具體為：
[0018] 第3. 1步，限壓恒流充電階段：充電過程中充電實際反饋電壓小，實際反饋電壓與 目標電壓之間電壓差值大，充電回路對所述電壓差值進行限幅，使得電壓外環處于飽和狀 態、并輸出穩定電壓值，將所述穩定電壓值作為電流內環設定值，AC/DC矩陣變換器在電流 內環通過PI調節進行恒流充電，充電電壓上升；
[0019] 第3. 2步，脈沖充電階段：當充電電壓達到預設的目標電壓時，實際反饋電壓與目 標電壓之間電壓差值變小，不受電壓外環的限幅限制，使得電壓外環退出飽和狀態，然后將 電壓外環給定由定值改為脈沖形式給定，進而切換至脈沖充電方式。
[0020] 第4步采用電流環負反饋控制方式對蓄電池進行恒流放電具體為：
[0021] 設定目標電壓為負值，實時獲得蓄電池放電電流與目標電流的差值，并對電流差 值進行電流內環PI調節，使蓄電池進行恒流放電。
[0022] 本發明的有益效果是：本發明的矩陣式V2G快速充放電方法解決了現有的V2G變 換器存在電能轉換次數高、轉換效率低以及充放電時間長的問題。本發明的矩陣式V2G快 速充放電方法對基于AC/DC矩陣變換器的蓄電池采用脈沖充電方法實現了汽車動力電池 快速充電與放電，功率因數為1，并且采用雙零矢量開關序列實現了使網側電流諧波畸變率 降低到5%以下、有效地減小了開關損耗，提高了轉換效率。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法中所采用的AC/DC矩陣變換器拓撲結 構圖；
[0024] 圖2a是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法中空間矢量調制六邊形結構示意 圖；
[0025] 圖2b是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法中空間矢量合成的結構示意圖；
[0026] 圖3是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法的輸入電流在第一扇區內第二個時刻 Spa和Snb開關導通電路不意圖；
[0027] 圖4a是蓄電池采用常規充電方法的充電曲線示意圖；
[0028] 圖4b是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行脈沖充電的充電曲線示意圖；
[0029] 圖5a本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行限壓恒流充電階段的控制框圖；
[0030] 圖5b是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行脈沖充電階段的控制框圖；
[0031] 圖5c是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行恒流放電階段的控制框圖；
[0032] 圖6a是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行快速充電時網側電壓和電流波 形圖；
[0033] 圖6b是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行快速充電時網側電流的諧波頻 譜圖；
[0034] 圖6c是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行快速充電時AC/DC矩陣變換器 的輸入電流波形圖；
[0035] 圖6d是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行快速充電時蓄電池電荷狀態 圖；
[0036] 圖6e是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行快速充電時整流側電流波形 圖；
[0037] 圖6f是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行快速充電時蓄電池兩端電壓波 形圖；
[0038] 圖7a是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法電荷狀態為60%時的脈沖充電波形 圖；
[0039] 圖7b是電荷狀態為60 %時采用常規充電的波形圖；
[0040] 圖7c是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法電荷狀態為70%時的脈沖充電波形 圖；
[0041] 圖7d是電荷狀態為70 %時采用常規充電的波形圖；
[0042] 圖7e是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法電荷狀態為80%時的脈沖充電波形 圖；
[0043] 圖7f是電荷狀態為80 %時采用常規充電的波形圖；
[0044] 圖8a是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行恒流放電時網側電壓和電流波 形圖；
[0045] 圖8b是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行恒流放電時網側電流的諧波頻 譜圖；
[0046] 圖8c是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行恒流放電時AC/DC矩陣變換器 的輸入電流波形圖；
[0047] 圖8d是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行恒流放電時蓄電池電荷狀態 圖；
[0048] 圖8e是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行恒流放電時整流側電流波形 圖；
[0049] 圖8f是本發明的矩陣式V2G快速充放電方法進行恒流放電時蓄電池兩端電壓波 形圖。
【具體實施方式】
[0050] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0051] 本發明提供的矩陣式V2G快速充放電方法采用AC/DC矩陣變換器拓撲結構，AC/DC 矩陣變換器拓撲結構如圖1所示，其6組雙向開關Spa、Spb、Spc和Sna、Snb、Snc采用共射 極的IGBT，LjPC{為輸入濾波器的電感和電容，L和C為輸出濾波器的電感和電容，usa、usb、 us。為網側電壓，Va、Vb、V。為矩陣變換器輸入電壓，id。為整流側直流電流，ud。為整流側直流 電壓。
[0052] 根據AC/DC矩陣變換器拓撲圖的開關組合必須滿足Va、Vb、V。不短路的約束條件， 因此可以得到AC/DC矩陣變換器的9個開關狀態，以及對應的輸入空間矢量圖如圖2a所 示：
[0053] 圖2a中I6為非零矢量，每個扇區中相鄰矢量間的角度大小為60°，I7~I9 為零矢量，有效非零矢量將輸入電流分成6個扇區，由圖2b可知輸入電流矢量iMf可以由 其所在扇區的2個相鄰的矢量1。和Ip，以及對應的零矢量合成。
[0054] 依據空間矢量調制原理和正弦定理可以得出參與合成的矢量的作用時間占空比 為：
[0055] (1)
[0056] 即得到輸入電流矢量：
[0057] iref=da ?Ia+dp ?Ip+d0 ? 10 (2)
[0058] 式中，Ts為開關周期；m為空間矢量的脈寬調制系數；d 分別為參與合成的 電流矢量Ia、IP、1〇在一個采樣周期T#的作用時間占空比，Ta、Tp、！；分別為參與合成 的電流矢量的作用時間，9i為參考電流i在該扇區內的扇區角。
[0059] 由公式⑴可以得到輸出直流電壓的公式為：
[0060]
(3)
[0061] 式中，為輸入相電壓峰值，cos(W