[发明专利]一种有源三次谐波注入的V2G变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及V2G技术领域，更具体地，涉及一种有源三次谐波注入的V2G变换器及其控制方法。

背景技术

电动汽车清洁、环保而且节能，其发展已成为解决全球能源紧缺和环境污染加重问题的有效途径。但在实现节能减排的同时，电动汽车的普及势必给电网带来一些负面效应，如负荷剧烈波动以及稳定性相关的问题。

近年来，电动汽车与电网的交互作用(Vehicle-to-Grid,V2G)成为电动汽车领域的研究热点。在V2G系统中，具备能量双向流动功能的充电器起到了关键作用。一方面，电网电能通过充电器给车载电池充电；另一方面，电池存储的能量通过充电器返回到电网，起到负荷调峰和提高电网系统稳定性的作用。

目前大多数充电器采用的是二极管不可控整流拓扑，它只具备能量单向流动能力，同时还会产生大量的谐波，污染电网。为了满足V2G应用的需求，充电器所用的变换器应当具备以下特征：可控的网侧功率因数、正弦的网侧电流、快速的动态响应以应对能量流向的频繁变化、高转换效率、高可靠性以及高功率密度以适应受限的空间。

随着电力电子技术的发展，许多学者开始研究基于双向变换器拓扑的充电器。电压型脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)整流器具有输入电流正弦和能量双向流动的能力，因而成为应用较多的一种充电器拓扑。

然而，由于电压型PWM整流器本质上为升压变换器，为了匹配较低的车载电池电压，需要额外增加一级直流-直流(Direct Current to Direct Current,DC/DC)变换器。这不仅增加了系统的重量以及成本，而且降低了变换器的效率。此外，直流环节的储能电容和交流侧电抗器限制了充电器功率密度的提升，同时降低了系统的可靠性。

作为一种间接矩阵变换器的衍生拓扑，交流-直流(Alternating Current to Direct Current,AC/DC)矩阵变换器继承了常规间接矩阵变换器输入电流正弦、输入功率因数可控、能量双向流动及无需直流储能元件等优点。此外，由于AC/DC矩阵变换器本质上为降压(buck)变换器，只需一级变换就能匹配电池电压，因此比较适合V2G的应用场合。

AC/DC矩阵变换器的不足之处在于采用繁琐的换流策略，同时会带来输出波形畸变问题。在很多情况下，出于安全考虑，变换器的输入输出必须隔离，因此需要在AC/DC矩阵变换器的输出侧增加一级隔离的DC/DC变换。这种拓扑结构的主要缺点是两级变换会导致较高的导通损耗和开关损耗。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种有源三次谐波注入的V2G变换器及其控制方法，以解决采用传统两级变换矩阵变换器带来的输出波形畸变以及会导致较高的导通损耗和开关损耗的问题。

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种有源三次谐波注入的V2G变换器及其控制方法。

一方面，本发明提供一种有源三次谐波注入的V2G变换器，包括：交流侧三相桥式整流电路、中间准三次谐波注入电路和直流侧双向全桥变换电路。所述交流侧三相桥式整流电路的交流端与所述中间准三次谐波注入电路的交流端并接后作为所述变换器的交流输入端，所述交流侧三相桥式整流电路的直流端与所述中间准三次谐波注入电路的直流端并接后接入所述直流侧双向全桥变换电路的一次端，所述直流侧双向全桥变换电路的二次端作为所述变换器的直流输出端。所述交流侧三相桥式整流电路用于将所述交流端输入的交流电整流成直流电，或者用于将所述直流端输入的直流电逆变成三相交流电；所述中间准三次谐波注入电路用于注入三次谐波补偿电流；所述直流侧双向全桥变换电路用于对所述一次端的输入或者所述二次端的输入进行电压等级变换。

其中，所述中间准三次谐波注入电路包括：三个双向开关、两个IGBT开关管以及一个三次谐波注入电感。所述三个双向开关的同一端分别接入三相输入电源的各相，所述三个双向开关的另一端连接所述三次谐波注入电感的一端；所述两个IGBT开关管串接后并入中间直流母线的两极之间，所述两个IGBT开关管串接的中点连接所述三次谐波注入电感的另一端。

其中，所述直流侧双向全桥变换电路包括：一次端全桥、二次端全桥、高频变压器和内电感。所述一次端全桥的直流端连接所述交流侧三相桥式整流电路的直流端，所述内电感与所述高频变压器的一次边串接后接入所述一次端全桥的交流端，所述高频变压器的二次边连接所述二次端全桥的交流端，所述二次端全桥的直流端作为所述直流输出端。