直流快速充電器啟動(dòng)方案

直流快速充電器可處理大量電力來為電動(dòng)汽車充電。這意味著電動(dòng)汽車的突然充電或放電可能會(huì)突然破壞電力系統(tǒng)。當(dāng)連接多輛此類電動(dòng)汽車時(shí)，情況尤其嚴(yán)重。在這種情況下，處理的功率相當(dāng)大，這可能會(huì)導(dǎo)致閃爍。因此，為了順利應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車車隊(duì)的大功率，良好的啟動(dòng)方案是必要的。

一種可能的解決方案是遵循電動(dòng)汽車充電的坡道式啟動(dòng)。斜坡式充電方式是指電動(dòng)汽車的線性充電方式，與電動(dòng)汽車的階梯式充電相比，它具有很多優(yōu)點(diǎn)。電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)可以幫助緩解電能質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)電。使用儲(chǔ)能系統(tǒng) 為控制器提供必要的帶寬，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的斜坡式充電。電動(dòng)汽車充電的電價(jià)還取決于配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)出的命令。

鎖相環(huán)

稱為 PLL 塊的反饋控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)自動(dòng)調(diào)整本地生成的信號(hào)的相位以匹配輸入信號(hào)的相位。轉(zhuǎn)換器的阻抗會(huì)受到 PLL 的影響，主要是在頻率范圍較低時(shí)。當(dāng) PLL 在某些頻率下產(chǎn)生負(fù)電阻時(shí)，負(fù)阻尼可能會(huì)注入到電力系統(tǒng)中。負(fù)電阻還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波和間諧波增加。這是因?yàn)槿Q于負(fù)電阻的頻率阻尼減弱。如果不加以控制，這種情況可能會(huì)導(dǎo)致諧波不穩(wěn)定。

解決此現(xiàn)象的一個(gè)可能方法是檢查 PLL 的帶寬。建議將 PLL 的帶寬保持在幾 Hz 范圍內(nèi)的低頻。因此，可以考慮 PLL 提供的負(fù)電阻。如果間諧波的頻率低于基頻的兩倍，則由于 PLL 問題，也可能會(huì)出現(xiàn)閃爍。因此，PLL 動(dòng)態(tài)和頻率帶寬對(duì)于直流快速充電器非常重要。

直接電壓控制

DVC 環(huán)路接收直流電壓和參考直流電壓以生成參考電流信號(hào)。該信號(hào)構(gòu)成了后續(xù)電流控制塊的基礎(chǔ)。DVC環(huán)路的帶寬也很窄，與PLL的帶寬類似。當(dāng)電網(wǎng)條件較弱時(shí)，DVC環(huán)路的穩(wěn)定性會(huì)降低。DVC環(huán)路的穩(wěn)定性還取決于其他因素，例如電壓源轉(zhuǎn)換器的輸入功率。直流快速充電器是決定DVC環(huán)路穩(wěn)定性的另一個(gè)因素。

正如 PLL 所討論的，DVC 環(huán)路還為低頻范圍引入了負(fù)阻尼。因此，負(fù)阻尼會(huì)導(dǎo)致閃爍和諧波等問題。好的直流快速充電器應(yīng)考慮 DVC 的設(shè)計(jì)，以減輕所產(chǎn)生的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)。DVC 環(huán)路應(yīng)該能夠很好地響應(yīng)較弱的電網(wǎng)條件，并且重要的是它可以與系統(tǒng)中的其他控制環(huán)路同步。

電流控制

CC 環(huán)路是控制器設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗斎雭碜?DVC 和 PLL 環(huán)路的信號(hào)。與前兩種情況不同，CC 環(huán)路處理更高的頻率。如果PLL和CC環(huán)路之間的交互不同步，則會(huì)再次導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過檢查 PLL 的帶寬并將其保持在較低范圍內(nèi)，可以進(jìn)一步解決此問題。

諧振控制器也是使用 CC 環(huán)路運(yùn)行的良好解決方案。當(dāng)需要消除特定諧波時(shí)，諧振控制器可以實(shí)現(xiàn)相同的目的。電網(wǎng)陷入不穩(wěn)定的另一種方式是多個(gè) CC 環(huán)路同時(shí)運(yùn)行的影響。當(dāng)多輛電動(dòng)汽車在直流快速充電站一起充電時(shí)，多個(gè)此類變換器的并聯(lián)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

輸入濾波器

注入電網(wǎng)的紋波可以在輸入濾波器的幫助下衰減。此類紋波的開關(guān)頻率范圍為 2 kHz 至 150 kHz。輸入濾波器通常采用L型或LCL型濾波器的形式。當(dāng)兩個(gè)濾波器中使用的電感相同時(shí)，可以觀察到 LCL 型濾波器的性能往往更好。但 LCL 型濾波器會(huì)產(chǎn)生額外的零點(diǎn)和極點(diǎn)，從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來看，這成為一個(gè)令人擔(dān)憂的問題。但由于技術(shù)成熟，LCL型濾波器仍被認(rèn)為是解決方案。

每種類型的電網(wǎng)的電網(wǎng)阻抗條件都是獨(dú)特的；因此，直流快速充電器的設(shè)計(jì)對(duì)于其所構(gòu)建的特定電網(wǎng)來說也是獨(dú)特的。當(dāng)直流快速充電器連接到具有不同電網(wǎng)阻抗的電網(wǎng)時(shí)，將會(huì)改變所采用的LC濾波器的諧振峰值。如果設(shè)計(jì)了CC環(huán)路，那么帶寬很高，仍然會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)阻抗的變化而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定。化不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)的一種方法是采用主動(dòng)阻尼方法。

調(diào)制器和 EMI 濾波器

調(diào)制器是直流快速充電器的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理提供給電池的充電電流和電壓。這是通過調(diào)制從充電器發(fā)送到電池的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)制器通常會(huì)使用DC-DC轉(zhuǎn)換器來根據(jù)系統(tǒng)要求調(diào)整充電電流的電壓。此外，它可以使用脈寬調(diào)制 （PWM）或其他控制方法來調(diào)節(jié)充電電流。如果沒有正確考慮適當(dāng)?shù)?PWM 同步設(shè)計(jì)，可能會(huì)引起 2 至 150 kHz 范圍內(nèi)的邊帶頻率振蕩。

EMI 濾波器通過阻礙或抑制充電器產(chǎn)生的高頻信號(hào)的傳輸來發(fā)揮其功能。這些信號(hào)通常是通過開關(guān)功率晶體管或開關(guān)用于升高或降低充電電流電壓的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生的。這兩個(gè)過程都用于升高或降低充電電流電壓。EMI 濾波器通常位于充電器的輸入端或輸出端，可以是無源濾波器，也可以是有源濾波器。

圖 2 總結(jié)并說明了不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、其相關(guān)問題以及與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)相關(guān)的頻率范圍。

圖 2. 直流快速充電器設(shè)計(jì)中電能質(zhì)量挑戰(zhàn)的總結(jié)。圖片由IEEE Open Journal of Power Electronics提供

直流快速充電器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

在為電動(dòng)汽車充電時(shí)，直流快速充電器能夠處理大量電力。使用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)為控制器提供了必要的帶寬來完成電動(dòng)汽車的斜坡式充電。

另一個(gè)決定 DVC 環(huán)路穩(wěn)定性的因素是直流快速充電器。合適的直流快速充電器應(yīng)考慮 DVC 設(shè)計(jì)，以幫助減少可能出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題。

在輸入濾波器的幫助下，泵入電網(wǎng)的紋波可以減小其體積。通常，輸入濾波器采用L型或LCL型濾波器的形狀。如果直流快速充電器連接到電網(wǎng)阻抗不同的電網(wǎng)，則所用 LC 濾波器的諧振峰值將會(huì)發(fā)生偏移。

充電器產(chǎn)生的高頻信號(hào)的傳輸會(huì)受到 EMI 濾波器的阻礙或抑制，從而使濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)其預(yù)期目的。充電器的輸入或輸出是 EMI 濾波器的典型位置，這些濾波器可以是無源的或有源的。