面向大功率充電機(jī)的多電平整流器研究

面向大功率充電機(jī)的多電平整流器研究面向大功率充電機(jī)的多電平整流器研究

摘要：本文主要研究面向大功率充電機(jī)的多電平整流器。首先介紹了大功率充電機(jī)所應(yīng)滿足的需求和充電機(jī)電源電網(wǎng)的特點(diǎn)；其次分析了常用整流器的特點(diǎn)和存在的問題，介紹了多電平整流器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域；然后詳細(xì)討論了多電平整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，包括基于交流側(cè)電壓平衡的PWM控制和基于無感知電流控制的PWM控制，以及他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)；最后介紹了多電平整流器相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和未來研究方向。

關(guān)鍵詞：大功率充電機(jī)；充電機(jī)電源電網(wǎng)；整流器；多電平；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；控制方法；研究現(xiàn)狀；未來方向

1.引言

隨著電動(dòng)汽車的普及，對充電機(jī)的需求也越來越大。充電機(jī)電源電網(wǎng)一般為3相交流電，電壓波形有較大的諧波含量，此時(shí)需要一種優(yōu)秀的整流器來進(jìn)行濾波和功率因數(shù)校正。常用的整流器有單相橋式整流器和三相橋式整流器，這些整流器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但其諧波含量較高，且一般只有單個(gè)電平，容易產(chǎn)生電壓浪涌、電路損壞等問題。

而多電平整流器在充電機(jī)及其他大功率電能質(zhì)量穩(wěn)定設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。多電平整流器的電壓輸出比單電平整流器更接近正弦波，因此諧波含量較低，輸出電平更加穩(wěn)定。多電平整流器還可以實(shí)現(xiàn)高效能的無功補(bǔ)償。因此，本文的主要研究方向是面向大功率充電機(jī)的多電平整流器。

2.充電機(jī)電源電網(wǎng)的特點(diǎn)和充電機(jī)所應(yīng)滿足的需求

充電機(jī)電源電網(wǎng)一般為3相交流電，電壓波形有較大的諧波含量，在此情況下，充電機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

（1）充電機(jī)應(yīng)具有低諧波電流特性，以滿足電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。

（2）充電機(jī)應(yīng)具有高功率因數(shù)，對電網(wǎng)不帶來有害的亂流和諧波。

（3）充電機(jī)電流輸出應(yīng)滿足充電控制要求。

（4）充電機(jī)應(yīng)具有高效率和高可靠性，以確保充電的安全和穩(wěn)定。

3.常用整流器的特點(diǎn)和存在的問題

3.1單相橋式整流器

單相橋式整流器是一種常用的單電平整流器，由四個(gè)二極管構(gòu)成，并且結(jié)構(gòu)簡單、控制容易，但其諧波含量較高，導(dǎo)致互感器和電容器會(huì)遭受過多的諧波損傷。

3.2三相橋式整流器

三相橋式整流器是一種常用的單電平整流器，由六個(gè)二極管構(gòu)成，并且結(jié)構(gòu)簡單、控制容易。但其諧波含量較高，導(dǎo)致互感器和電容器會(huì)遭受過多的諧波損傷。對于大功率的充電機(jī)而言，三相橋式整流器的失效會(huì)對充電機(jī)的工作造成較大威脅。

4.多電平整流器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域

4.1多電平整流器的優(yōu)點(diǎn)

（1）輸出電壓質(zhì)量要好

多電平整流器的輸出波形非常接近正弦波，因此具有低諧波電壓波形的優(yōu)點(diǎn)。在充電機(jī)系統(tǒng)中，可以讓輸出電壓更加穩(wěn)定，減少在額定功率下的逆變損失。

（2）承載能力更強(qiáng)

由于多電平整流器擁有多個(gè)電平，所以可以通過控制其各級電壓來分擔(dān)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷。由此可以提高各種設(shè)施的容量，提高設(shè)備可靠性和電能質(zhì)量穩(wěn)定性。

（3）實(shí)現(xiàn)高效的無功補(bǔ)償

針對充電設(shè)備的無功補(bǔ)償問題，多電平整流器可以在所有電平上進(jìn)行無功補(bǔ)償，因此能夠滿足一個(gè)充電站的無功補(bǔ)償需求。

4.2多電平整流器的應(yīng)用領(lǐng)域

多電平整流器在所需輸出質(zhì)量更高的環(huán)境中得到了廣泛應(yīng)用，其中包括：直流驅(qū)動(dòng)中的矢量控制、高檔PWM交流調(diào)壓器及絕緣性的光伏系統(tǒng)，等等。

5.多電平整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法

5.1多電平整流器的結(jié)構(gòu)

多電平整流器結(jié)構(gòu)種類繁多，其基本拓?fù)淇梢苑譃閮深悾篘eutral-Point-ClampedNPC（中點(diǎn)電抱電路）型多電平整流器及Flying-CapacitorFC（漂移電容器）型多電平整流器。

5.2多電平整流器的控制方法

多電平整流器的控制方法可以分為兩大類：基于交流側(cè)電壓平衡的PWM控制和基于無感知電流控制的PWM控制。前者常常是使用最廣泛的方法，但是需要實(shí)現(xiàn)電壓平衡的控制。后者可以省去電壓平衡的額外控制，但是需要按照相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行無感知電流的尋找和控制。

6.研究現(xiàn)狀和未來研究方向

目前，多電平整流器的研究已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但仍然存在著一些問題。例如，多電平整流器對硬件設(shè)備的要求較高，對控制策略的要求也較高，同時(shí)還存在一些問題，如在不同負(fù)載下的工作效率、控制的穩(wěn)定性等等。為了進(jìn)一步完善多電平整流器研究，未來的研究方向可以從以下幾個(gè)方面成展開：

（1）研究新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：目前較流行的多電平整流器主要有中點(diǎn)電抱電路型和漂移電容器型兩種結(jié)構(gòu)。未來的研究可以將重點(diǎn)放在新型的多電平整流器技術(shù)上，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多電平整流器等。

（2）其余電能質(zhì)量控制：多電平整流器可以用于DC驅(qū)動(dòng)的各種控制設(shè)備中，如電動(dòng)汽車、并網(wǎng)光伏等中，同時(shí)也可以與濾波器等結(jié)合以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）控制策略的研究：多電平整流器控制策略對該技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域的質(zhì)量有很大的影響，如何綜合考慮多因素制定相應(yīng)控制策略，還需要進(jìn)一步研究（4）提高效率：多電平整流器交替使用不同的電氣元件，故它的效率比傳統(tǒng)整流器高。但在不同電力系統(tǒng)中的效率仍然存在著一定的問題，因此未來的研究可以著重于優(yōu)化控制策略以提高效率。

（5）使用新材料：磁性材料是多電平整流器中最重要的元件之一，它們的性能會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。未來的研究可以探索新的材料來替代傳統(tǒng)的鐵磁材料，從而提高功率密度和效率。

總之，多電平整流器在今后的能源轉(zhuǎn)型和智能化控制等領(lǐng)域中將起到越來越重要的作用。雖然在現(xiàn)階段，該技術(shù)仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，但是隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，相信未來會(huì)有更多的突破和進(jìn)展未來多電平整流器的應(yīng)用

未來，多電平整流器有望在以下幾個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用：

（1）可再生能源領(lǐng)域：隨著可再生能源的快速發(fā)展，如太陽能和風(fēng)能，多電平整流器可以用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足大規(guī)模電力網(wǎng)絡(luò)的要求。同時(shí)，這種技術(shù)還可以用于分布式電力系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）軌道交通領(lǐng)域：多電平整流器可以用于地鐵、高鐵等軌道交通系統(tǒng)中，以提高電能的利用效率和減少對電網(wǎng)的影響。此外，多電平整流器還可以用于電動(dòng)汽車的充電，以提高充電效率和減少充電時(shí)間。

（3）電力電子設(shè)備領(lǐng)域：多電平整流器可以用于直流變壓器、電感器、電容器等電力電子設(shè)備中，以提高設(shè)備的效率和性能，并減少電子噪聲和電磁干擾的產(chǎn)生。

（4）智能電網(wǎng)領(lǐng)域：多電平整流器可以用于智能電網(wǎng)中，以提高電力轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)男屎涂煽啃裕瑫r(shí)減少電網(wǎng)中的電力損耗和浪費(fèi)。

總之，多電平整流器具有廣泛的應(yīng)用前景和市場需求，未來在技術(shù)和產(chǎn)品上的不斷創(chuàng)新和發(fā)展將會(huì)推動(dòng)其進(jìn)一步成為電力電子領(lǐng)域的重要技術(shù)之一（5）工業(yè)控制領(lǐng)域：多電平整流器可以用于工業(yè)控制中的電源電路，以提高工業(yè)設(shè)備的效率和穩(wěn)定性。此外，多電平整流器還可以用于高精度的溫度控制和運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，提高工業(yè)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。

（6）新能源汽車領(lǐng)域：多電平整流器可以用于新能源汽車中，以提高電池充電和放電的效率，并延長電池壽命。此外，多電平整流器還可以用于控制電機(jī)的運(yùn)行，提高汽車的性能和駕駛體驗(yàn)。

（7）航空航天領(lǐng)域：多電平整流器可以用于航空航天中的電源控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的性能和效率，并減少系統(tǒng)的體積和重量。同時(shí)，多電平整流器的可靠性和穩(wěn)定性也符合航空航天領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備的高要求。

（8）家庭電器領(lǐng)域：多電平整流器可以用于家庭電器中的電源控制和調(diào)節(jié)，以提高家電的效率和安全性。例如，電視機(jī)、電腦和手機(jī)等家庭電器的電源供應(yīng)系統(tǒng)中可以引入多電平整流器技術(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上所述，多電平整流器將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，帶來更高效、更