非車載雙向充電機技術

嚴振東

（數源科技股份有限公司 浙江省杭州市 310012）

1 非車載雙向充電機簡介

非車載充電機一般布置在社會充電場站或公交專用充電場站，用于電動汽車的快速充放電。非車載充電機功率較大，一般采用三相電路實現。圖1 給出了非車載雙向充電機應用示意圖，電池組與電網的能量可以雙向互動。

2 充電機主電路工作原理

非車載雙向充電機主電路如圖2所示，采用兩級式架構，前級采用雙向三相三電平PWM 變換電路，后級采用串-并架構的雙向全橋電路。常用的三相三電平AC/DC 電路主要有兩種拓撲，一種是NPC-I 型三電平架構，另一種是NPC-T 型三電平架構。NPC-I型需要10 路獨立驅動電源，而NPC-T 型因共發射極結構僅需要7路，而共集電極僅需要5 路；另在元器件數量上，T 型比I 型少了六個二極管，更節省空間，故NPC-T 型三電平架構更有利于功率密度的提升，建議優先選用NPC-T 型三相三電平電路作為高頻隔離AC/DC 模塊的前級電路。后級可實現高頻隔離，其原邊和副邊均采用全橋電路以實現能量的雙向流動，即實現電動汽車電池的充放電。項目中的電網側NPC-T 型三相三電平電路除了從電網吸收能量為電池充電外還須并網運行。

圖1：非車載充電機原理框圖

圖2：非車載型雙向充電機主電路原理圖

2.1 T型三相三電平電路工作原理

圖3 為NPC-T 型三相三電平可逆變主電路圖。此電路圖中，三相中每相的橋臂都是由4 個呈T 型排列的開關管組成，每個開關管的集電極和發射極都并接一個二極管；直流輸入側為光伏陣列直流電壓經DC/DC 變換得到的直流母線電壓VDC，兩個容值相等的電容Cdc1和Cdc2分別分壓VDC/2；輸出側經過LR 濾波器后并入三相電網。

2.2 串聯、并聯型雙有源橋電路的原理分析

如圖4，1#雙有源橋電路和2#雙有源橋電路在低壓側并聯，高壓側串聯，構成了串-并型雙有源橋電路。低壓側連接的是電池電壓，高壓側連接的是直流母線電壓Vbus。在1#雙有源橋電路拓撲圖和2#雙有源橋電路拓撲圖中，高頻開關電源變壓器是Tr1和Tr2；Cs1和 Cs2的作用是隔離直流，防止變壓器偏磁；Ls1和Ls2是諧振電感，負責能量的傳輸和軟開關的實現。

1#和2#電路中的開關管由相同的信號控制，通過不同的移相角實現升壓和降壓。

2.3 軟開關的實現與設置死區時間

2.3.1 軟開關的實現電路采用固定死區時間的互補PWM 控制方式，使開關管的寄生電容和邊緣器的漏感發生諧振，實現軟開關。

2.3.2 設置死區時間

死區時間是為了使上下橋臂不會因開關延遲而導致同時開通而設置的一個時間段。設置的死區時間較大，輸出波形會失真，輸出效率受影響。設置的死區時間較小，降低了電路的可靠性。

3 充電機研發方法和思路

研發過程遵循理論分析、仿真計算和實驗驗證相結合的原則。

首先將NPC-T 型雙向變換器，與傳統NPC-I 型三電平三相AC/DC 變換器作比較，為進一步優化效率，將根據元器件的開關特性和工作原理建立各自的電壓、電流應力模型以及各項損耗的數學計算模型，并在此基礎上構建變換器的綜合效率分析模型，為提高系統效率提供理論依據。

根據雙有源橋電路的結構特點，建立它們的模型，仿真驗證其工作原理。通過仿真驗證設計的電感和選取的電容參數是否正確，根據仿真波形可以對設計參數作一定的修正，以確保雙向變換器電路在全負載范圍內實現零電壓開關，從而保證系統的高效率。

為驗證多臺設備并網運行同步性與可靠性，搭建供電設備控制中心。即驗證供電設備的電能質量，即電壓幅值、頻率和波形的質量能否滿足電網要求。且當發生三相電壓不平衡、供電突然中斷、波形畸變等電力事故能立即與電網解列。電力系統標稱頻率為50Hz，正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz，當系統容量較小時，可放寬±0.5Hz.電壓偏差限值：220V 單相供電系統為+7%，-10%；380V 三相供電系統為±7%。控制中心對電壓、頻率、三相電壓平衡等參數進行實時監測，設置其報警值與動作值，當超過閾值，立即動作調節負荷或切除故障。

圖3：NPC-T 型三相三電平逆變主電路

圖4：串-并型雙有源橋電路拓撲

圖5：串聯、并聯型雙有源橋開關驅動時序圖