矩阵式v2g快速充放电方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种矩阵式V2G快速充放电方法。
【背景技术】
[0002] 如何寻找大储能装置来储存电网用电低谷时的电能是电力系统面临的一个巨大 的难题；而电动汽车高成本也使电动车的推广举步维艰，并且电动汽车大部分时间处于闲 置状态。为了解决电动汽车成本高和电网的储能问题，利用电动汽车电池储能的方案被人 们广泛关注，即在受控状态下实现电动汽车的能量与电网之间的双向互动和交换（Vehicle toGrid，简称V2G)，该方案较好地解决了电网储能和汽车高成本的补偿问题，而且能够对 电网进行削峰填谷，提高电网运行效率，还能够使风能、太阳能等新能源大规模接入电网 成为可能。而实现电动汽车和电网能量双向流动的载体是V2G的双向充电技术。
[0003] V2G双向充电技术研宄刚刚开始，拓扑结构和控制方法存在功率密度低，充、放电 时间长的问题。基于双向PWM整流器和双向DC-DC变换器组成的V2G双向充电系统存在着 电能转化次数多，效率低，及储能电容大，功率密度低的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种矩阵式V2G快速充放电方法，解决了现有的V2G变换 器存在电能转换次数高、转换效率低以及充放电时间长的问题。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：矩阵式V2G快速充放电方法，采用AC/DC矩阵变换器 拓扑结构，其6组双向开关采用共射极的IGBT，具体步骤如下：
[0006] 第1步，划分扇区并求取扇区角以及有效电流矢量占空比；
[0007] 第2步，设置各扇区双向开关的导通时间；
[0008] 第3步，采用电压电流双闭环空间矢量控制方式对蓄电池进行快速充电；
[0009] 第4步，采用电流环负反馈控制方式对蓄电池进行恒流放电。
[0010] 本发明的特点还在于，
[0011] AC/DC矩阵变换器具有9中开关状态，对应9种电流矢量，记为Ii~19，其中Ii~ 16为非零矢量，并将平面分为6个扇区，每个扇区中相邻矢量间的角度大小为60°，1 7~19 为零矢量，参与合成的电流矢量占空比为：
[0012]
(1)，
[0013] 输入电流矢量为：
[0014] iref=da ?Ia+dg?Ip+d〇 ?I〇 (2)，
[0015] 式⑴和⑵中，Ts为开关周期；m为空间矢量的脉宽调制系数；d分别为 参与合成的电流矢量Ia、Ie、1〇在一个采样周期Ts中的作用时间占空比，Ta、Tp、I；分别为 参与合成的电流矢量1。、1^、1〇的作用时间，9 输入电流矢量iMf在该扇区内的扇区角。
[0016] 第2步采用双零矢量前后置开关序列脉冲设置各扇区双向开关的导通时间。
[0017] 第3步中采用电压电流双闭环空间矢量控制方式对蓄电池进行快速充电具体为：
[0018] 第3. 1步，限压恒流充电阶段：充电过程中充电实际反馈电压小，实际反馈电压与 目标电压之间电压差值大，充电回路对所述电压差值进行限幅，使得电压外环处于饱和状 态、并输出稳定电压值，将所述稳定电压值作为电流内环设定值，AC/DC矩阵变换器在电流 内环通过PI调节进行恒流充电，充电电压上升；
[0019] 第3. 2步，脉冲充电阶段：当充电电压达到预设的目标电压时，实际反馈电压与目 标电压之间电压差值变小，不受电压外环的限幅限制，使得电压外环退出饱和状态，然后将 电压外环给定由定值改为脉冲形式给定，进而切换至脉冲充电方式。
[0020] 第4步采用电流环负反馈控制方式对蓄电池进行恒流放电具体为：
[0021] 设定目标电压为负值，实时获得蓄电池放电电流与目标电流的差值，并对电流差 值进行电流内环PI调节，使蓄电池进行恒流放电。
[0022] 本发明的有益效果是：本发明的矩阵式V2G快速充放电方法解决了现有的V2G变 换器存在电能转换次数高、转换效率低以及充放电时间长的问题。本发明的矩阵式V2G快 速充放电方法对基于AC/DC矩阵变换器的蓄电池采用脉冲充电方法实现了汽车动力电池 快速充电与放电，功率因数为1，并且采用双零矢量开关序列实现了使网侧电流谐波畸变率 降低到5%以下、有效地减小了开关损耗，提高了转换效率。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法中所采用的AC/DC矩阵变换器拓扑结 构图；
[0024] 图2a是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法中空间矢量调制六边形结构示意 图；
[0025] 图2b是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法中空间矢量合成的结构示意图；
[0026] 图3是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法的输入电流在第一扇区内第二个时刻 Spa和Snb开关导通电路不意图；
[0027] 图4a是蓄电池采用常规充电方法的充电曲线示意图；
[0028] 图4b是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行脉冲充电的充电曲线示意图；
[0029] 图5a本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行限压恒流充电阶段的控制框图；
[0030] 图5b是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行脉冲充电阶段的控制框图；
[0031] 图5c是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行恒流放电阶段的控制框图；
[0032] 图6a是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行快速充电时网侧电压和电流波 形图；
[0033] 图6b是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行快速充电时网侧电流的谐波频 谱图；
[0034] 图6c是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行快速充电时AC/DC矩阵变换器 的输入电流波形图；
[0035] 图6d是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行快速充电时蓄电池电荷状态 图；
[0036] 图6e是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行快速充电时整流侧电流波形 图；
[0037] 图6f是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行快速充电时蓄电池两端电压波 形图；
[0038] 图7a是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法电荷状态为60%时的脉冲充电波形 图；
[0039] 图7b是电荷状态为60 %时采用常规充电的波形图；
[0040] 图7c是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法电荷状态为70%时的脉冲充电波形 图；
[0041] 图7d是电荷状态为70 %时采用常规充电的波形图；
[0042] 图7e是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法电荷状态为80%时的脉冲充电波形 图；
[0043] 图7f是电荷状态为80 %时采用常规充电的波形图；
[0044] 图8a是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行恒流放电时网侧电压和电流波 形图；
[0045] 图8b是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行恒流放电时网侧电流的谐波频 谱图；
[0046] 图8c是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行恒流放电时AC/DC矩阵变换器 的输入电流波形图；
[0047] 图8d是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行恒流放电时蓄电池电荷状态 图；
[0048] 图8e是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行恒流放电时整流侧电流波形 图；
[0049] 图8f是本发明的矩阵式V2G快速充放电方法进行恒流放电时蓄电池两端电压波 形图。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0051] 本发明提供的矩阵式V2G快速充放电方法采用AC/DC矩阵变换器拓扑结构，AC/DC 矩阵变换器拓扑结构如图1所示，其6组双向开关Spa、Spb、Spc和Sna、Snb、Snc采用共射 极的IGBT，LjPC{为输入滤波器的电感和电容，L和C为输出滤波器的电感和电容，usa、usb、 us。为网侧电压，Va、Vb、V。为矩阵变换器输入电压，id。为整流侧直流电流，ud。为整流侧直流 电压。
[0052] 根据AC/DC矩阵变换器拓扑图的开关组合必须满足Va、Vb、V。不短路的约束条件， 因此可以得到AC/DC矩阵变换器的9个开关状态，以及对应的输入空间矢量图如图2a所 示：
[0053] 图2a中I6为非零矢量，每个扇区中相邻矢量间的角度大小为60°，I7~I9 为零矢量，有效非零矢量将输入电流分成6个扇区，由图2b可知输入电流矢量iMf可以由 其所在扇区的2个相邻的矢量1。和Ip，以及对应的零矢量合成。
[0054] 依据空间矢量调制原理和正弦定理可以得出参与合成的矢量的作用时间占空比 为：
[0055] (1)
[0056] 即得到输入电流矢量：
[0057] iref=da ?Ia+dp ?Ip+d0 ? 10 (2)
[0058] 式中，Ts为开关周期；m为空间矢量的脉宽调制系数；d 分别为参与合成的 电流矢量Ia、IP、1〇在一个采样周期T#的作用时间占空比，Ta、Tp、！；分别为参与合成 的电流矢量的作用时间，9i为参考电流i在该扇区内的扇区角。
[0059] 由公式⑴可以得到输出直流电压的公式为：
[0060]
(3)
[0061] 式中，为输入相电压峰值，cos(W