具有电动汽车快速充电接口的电力电子变压器低压直流侧设计

0 引 言

电动汽车(electric vehicle,EV)既是用电负荷，也可以向电网反馈能量。随着电动汽车数量的增多,实现将电动汽车接入电网(vehicle to grid，V2G)，反向输送能量，成为解决用电高峰期电能不足、保证供电可靠性的方法之一[1]。电动汽车充电、V2G功能的实现依赖于电动汽车充电设施。电力电子变压器(power electronic transformer,PET)直流母线的存在，便于电动汽车接入电网。在PET低压直流母线上设置EV接口，可以省去传统多级式双向充电机的AC/DC环节，在节省快速充电桩建设投资的同时可以实现大功率V2G，充分发挥电动汽车V2G的作用。

电动汽车与PET结合已有相关文献进行研究。文献[2]提出一种基于级联H桥结构的具有多个电动汽车快速充放电端口的PET设计，能够实现电动汽车快速充电。文献[3]介绍了一种采用SiC器件的具有交直流两种端口输出的PET，该拓扑原理上能够实现电动汽车的充放电和为交流负荷供电的能力。文献[4]提出一种电动汽车多端口快速充电的PET，所提拓扑能够实现电动汽车的快速充电。PET为EV供电会产生一部分直流容量，上述文献中具有EV充电接口PET拓扑中的交流输出与直流输出换流器各自独立使用，这使得PET设计容量较大。文献[5]提出了一种具有电动汽车快速充电接口的电力电子变压器低压侧拓扑，所提拓扑低压侧含有多个可切换功率模块，既可以工作于DC/DC模式实现电动汽车充电，又可以工作于DC/AC模式为交流负荷供电。可切换功率模块通过改变端子的连接及控制策略实现工作方式的改变，从而实现交直流容量的切换，达到提高容量利用率，减小PET容量配置的目的。但文献[5]并未对低压侧滤波器设计及逆变模块、可切换功率模块容量配置方案进行研究。

文献[5]中所提拓扑采用LC滤波器设计。传统滤波器电容C选取时按照吸收5%以下无功设计[6]。文献[7]从逆变器无功容量、传输效率、系统稳定性等角度提出一种逆变器输出交流LC滤波器参数的设计方法。文献[8]提出一种基于谐波频谱的LCL滤波器设计方法。上述文献中电容C的选取均按吸收5%以下无功功率设计。可切换功率模块工作于DC/DC模式时可用于EV快速充电，供应区域所有EV快速充电需求。可切换功率模块数量及容量配置与EV快速充电负荷曲线息息相关。目前EV尚未得到大规模普及，EV充电负荷曲线难以通过统计得到，现有研究通过预测的方式获得EV充电负荷曲线。但现有研究针对居民区、工作区和商业区充电负荷预测多为慢充负荷预测[9-10]或快充、慢充综合负荷预测[11-12]，而没有单独的快速充电负荷预测。

针对文献[5]中提出的拓扑，本文对其容量配置方案和低压侧滤波器设计方案进行了研究。首先，考虑可切换功率模块工作于DC/DC模式时为电动汽车提供快速充电，为满足电动汽车快速充电需求，利用慢充失效度概念[13]判断EV是否有快充需求，基于蒙特卡洛法对EV快速充电负荷预测，提出一种考虑EV快速充电负荷曲线的可切换功率模块容量配置方案。其次，为减少PET投资、降低运行损耗，提出一种采用公用电感设计并考虑利用滤波电容对负载无功功率进行补偿的滤波器设计方法。

1 具有EV快速充电接口的PET低压侧拓扑

文献[5]中提出具有EV快速充电接口的电力电子变压器低压侧拓扑如图1所示。

图1 具有EV快速充电接口的PET低压侧拓扑
Fig.1 The low-voltage DC side topology of PET with EV fast charging interface

该拓扑由逆变模块、可切换功率模块和公共滤波器组成。逆变模块输入端与PET低压直流母线相连，输出端通过串联电感与公共交流滤波器相连，所提PET拓扑低压侧包含一个或多个逆变模块，取决于单个逆变模块能否胜任所需逆变总容量。可切换功率模块含直流输出端口和交流输出端口，其中直流输出端口用于EV快速充电；交流输出端口与公共交流滤波器相连，拓扑结构如图2所示。可切换功率模块包含3个单刀双掷开关，通过改变端子sp1的连接点并切换控制策略，可改变可切换功率模块的工作方式，从而实现AC/DC功能和DC/DC功能，文献[5]通过仿真验证其可切换功能的实现。当sp1与sp2连接时，可切换功率模块工作于逆变模式，和逆变模块一同为交流负载供电；当sp1与sp3连接时，可切换功率模块相当于3个独立的DC/DC变换器，单个可切换功率模块可实现最多为3台EV独立充放电。

图2 可切换功率模块拓扑
Fig.2 Topology of switchable power module

该拓扑具有节省充电桩建设成本和减少PET总容量配置等优势[5]。PET容量减少优势的实现依赖于应用场景。在交流负荷峰值时刻，部分可切换功率模块工作于逆变模式与逆变模块一同为交流负载供电，此时可用于逆变模式的可切换功率模块数越多，则逆变模块节省的容量就越多，相应可提供的EV快充接口数则越少。因此，所提拓扑适用于交流负荷用电高峰与EV快速充电负荷高峰完全错开或有一定错开场合，详细分析见2.3节。

2 输出级设计

2.1 可切换功率模块数量、容量配置

2.1.1 电动汽车快速充电负荷预测

电动汽车充电模式分为快速充电和慢速充电两种，考虑快速充电对电池寿命的影响较慢充电更大，用户仅在紧急情况下才会选择快充[14]。电动汽车是否有快速充电需求，取决于电动汽车在停车时间内慢速充电是否能够满足用户需求。本文通过利用慢充失效度[14]概念判断电动汽车是否有快充需求。慢充失效度D定义如下：

(1)

式中:d表示再次出行距离，km；W为车辆每百公里耗电量，kWh；c为电池容量，kWh；p表示慢充功率，kW；Δt为停车持续时间，min；soc表示充电起始SOC(荷电状态)；x为用户能接受的电动汽车最小剩余SOC，本文中假设用户对电动汽车电池容量容忍度最小为额定容量的20%，即用户在电动汽车电池容量小于或等于20%时一定会选择充电，而不会等到电池容量耗尽才充电。其中，d、soc、Δt为相互独立的随机变量，其取值可以根据相关统计曲线抽样获得。D为随机函数，其分子为电动汽车需要的电能，主要由用户完成下次行驶所消耗的电能和电池允许最小剩余量两部分组成。分母为本次充电结束后电动汽车的电能，由开始充电时电动汽车电能和交流慢充补充的电能组成。若用户慢充结束时电动汽车的能量不足以满足用户完成下次行驶所需的能量，则用户选择快充。根据定义：

①当0≤D<1时，采用慢充方式能够满足用户下次出行需要，用户选择慢充。

②当D≥1时，这一阶段，采用慢充无法满足下次出行需求，用户选择快充。

就一个区域而言，要想得到某一个时间点的总的快速充电负荷，需要将所有正在进行充电的电动汽车的负荷进行叠加。本文对电动汽车快速充电负荷的预测中，首先利用慢充失效度概念判断电动汽车是否有快充需求，对有快速充电需求的电动汽车模拟其快速充电过程，将各台电动汽车的充电功率按照时间进行累加得到该区域总的电动汽车快速充电负荷。根据预测得到的快速充电负荷配置该区域内快速充电桩的数量，预测流程如图3所示。

图3 基于蒙特卡罗法的EV快速充电负荷预测流程
Fig.3 Flow chart of EV fast charging load forecasting based on Monte Carlo method

根据上述分析可知，电动汽车快速充电负荷预测需要以下数据：电动汽车充电起始SOC、再次出行距离d、停车持续时间Δt和充电起始时间。这些数据需要通过统计获得，然而EV尚未大量普及，相关数据目前难以获得。考虑到EV和传统燃油车其用途基本一致，因此二者的行驶规律也基本保持一致，故本文假设EV的出行时间、日行驶里程等数据都与燃油车相同[15]。本文预测时以美国交通部在全美50个州进行的家用车辆调查(NHTS)结果[16-17]为例对电动汽车充电起始SOC、停车持续时间、再次出行距离和充电起始时间进行拟合得到相应的概率分布函数。

2.1.2 可切换功率模块数量及容量配置

EV快速充电用于充电需求较迫切的用户，因此应尽量满足该类用户的充电需求。根据预测得到的EV快充负荷曲线，可得快充负荷峰值。考虑到预测误差，若仅考虑满足EV快充负荷峰值时刻需求可能会造成模块数量设置超过实际所需、充电接口利用率不高，造成浪费。设EV充电负荷峰值功率为Pmax，设置时间窗Δt，若t+Δt时段内EV快充负荷功率存在小于95% Pmax的情况，则认为充电高峰持续时间过短，不作为可切换功率模块直流容量选取依据，此时可切换功率模块容量满足95% Pmax即可；反之，可切换功率模块直流容量应满足EV充电负荷峰值时刻需求。Δt选取原则如下：

EV快速充电可等效为恒功率充电，若电池容量达到80%即完成充电，Δt取单台EV充电时长的5%，则

(2)

单台EV快充功率为Pf，EV充电峰值(或95%峰值)需求Pk与可切换功率模块直流容量的比值为

Pk/3Pf=m,…,Pr

(3)

式中：Pr为余数，由于每个可切换功率模块包含3个EV快充接口，当Pr小于单个快充接口容量时，说明这部分功率是预测误差，可忽略；当Pr大于单个快充接口容量时，应单独增设不可切换快充设备满足Pr的需求(因为不满足3个，故无需切换)。具体如下所述：

① 当Pr<0.5Pf时，可切换功率模块数为m个。

② 当0.5Pf≤Pr<Pf或Pf≤Pr<1.5Pf时，可切换功率模块数为m个，且需要单独增设一个DC/DC模块。

③ 当1.5≤Pr<2Pf或2Pf≤Pr<2.5Pf时，需要设置m个可切换功率模块，且单独设置两个DC/DC模块。

④ 当2.5≤Pf<3Pf时，需要设置可切换功率模块m+1个。

综上所述，可切换功率模块容量(不包括单独设置的DC/DC模块)为

Pswt=nPsw

(4)

式中：Pswt表示可切换功率模块总容量；n为可切换功率模块数；Psw为单个可切换功率模块数。

2.2 滤波器参数设计

与现有滤波器设计不同，所提拓扑采用了公用电感设计：① 可切换功率模块工作于DC/DC模式时直流滤波电感和工作于DC/AC模式时的交流滤波电感共用。如图2所示，公用电感为Larmf。② 可切换功率模块工作于DC/AC模式时，如图1所示，Lff和Cac为逆变模块和可切换功率模块共用。此外，所提滤波器参数设计方案考虑了尽可能利用LC滤波器的滤波电容进行无功补偿，以达到减小换流器视在功率的目的，具体设计方法如下。

2.2.1 滤波电容Cac设计

通常情况下，相同容量的开关器件成本高于电力电容器，且相同电流情况下，开关器件运行损耗通常大于电力电容器，此外，PET低压侧通常连接无源电网，负载无功(除去负载侧已补偿部分)需由PET提供。因此，为了减少PET投资、降低运行损耗，本文提出的滤波电容设计方案以PET交流输出视在功率最小为目标。

PET低压侧交流输出视在功率分为两部分：可切换功率模块输出的视在功率和逆变模块输出的视在功率。考虑到负载功率因数一般不会太低，而逆变模块容量较大，逆变模块容量足以满足负载最大无功需求，因此设置可切换功率模块只输出有功功率，这样的优点是可切换功率模块其无功电流参考值设置为0可简化控制，否则无功参考值设置不恰当可能导致无功过剩，而恰当的无功参考值需通过计算得到，造成控制复杂。因此，下文分析以逆变模块输出无功即负载所需无功减去滤波电容补偿的无功之后所需的全部无功为基础，设计方案如下：

负荷所需无功、逆变模块输出无功及滤波电容Cac之间满足如下关系：

(5)

式中：Qload为负荷需要的无功功率，可由交流日负荷曲线得到；Qn表示逆变模块输出的无功功率；Up为交流相电压有效值。

设可切换功率模块输出的有功功率为Psw，可切换功率模块数为m，首先根据EV充电曲线，判断任意时刻工作于DC/DC模式的可切换功率模块数量，从而得到可工作于逆变模式的可切换功率模块最大输出有功功率Psw。逆变模块输出的有功Pvsc、负载消耗有功Pload和可切换功率模块输出有功Psw关系如下：

Pvsc=Pload-Psw

(6)

逆变模块容量如下：

(7)

将式(1)、(2)代入式(3)得逆变模块容量为

(8)

式(8)反映了Svsc与滤波电容之间Cac的关系，在平均日负荷曲线描述的24h时间段内，对每个Cac取值都能得到24h中Svsc的最小值，通过改变Cac取值，当所得Svsc的最小值最大时，滤波电容Cac取值即为所求。

上述分析未考虑负载侧已加装无功补偿装置情况，若负载侧另设有无功补偿装置，则应在负载所需无功中扣除此部分无功进行计算。上述分析所得电容值需要与下文电感值进行谐振频率计算，因此容值与逆变模块容量并非最终容量，仅作为验证的初始值。

2.2.2 公用电感Larmf、直流电感Ldcf、逆变模块电感Lf和LC滤波器电感Lff设计

图2中当可切换功率模块工作于DC/DC模式时，电感Larmf与电感Ldcf一同组成DC/DC变换器换流器滤波电感命名为Ldc；可切换功率模块工作于逆变模式时，电感Larmf、电感Lf与电感Lff一同组成PET交流输出LC滤波器电感命名为Lac。其中，Lff由于是所有可切换功率模块和逆变模块的公用电感，对单个模块(可切换功率模块或逆变模块)而言，其等效感值受可切换功率模块投入量影响，此处考虑极端情况，即同时只有一个模块运行，则上述电感关系式如下：

(9)

Lf+Lff=Lac2

(10)

式中：Ldc为满足EV充放电电流纹波要求的滤波器电感，设计方法参考文献[18]；Lac1、Lac2分别表示满足可切换功率模块和逆变器输出纹波电流要求的LC滤波器电感，设计方法参考文献[19]。

比较Ldc、Lac1。若Ldc>Lac1，则对单个可切换功率模块而言，其输出侧交流滤波电感可完全被直流滤波电感共用，则公用电感Larmf=Lac1；反之Larmf=Ldc。

将计算得到的Larmf代入式(9)可得Lff，将Lac2、Lff代入式(10)即可得到Lf。

2.2.3 滤波器参数设计的检验与校正

① 谐振频率fres的检验与校正

LC滤波器谐振角频率表达式为[6]

(11)

由2.1.2小节计算得到LC滤波器等效电感L和电容Cac代入式(11)得出谐振频率fres，检验其是否满足限制条件10f<fres<0.5fs。若不满足需要重新选择滤波电容值，以满足频率要求。

② 电感量的检验与校正

由上述分析可以计算得到LC滤波器电感Lff和电容Cac。逆变模块出口侧电感Lf和电感Lff共同组成等效LC滤波器电感L1、共用电感Larm和电感Lff共同组成等效电感L2，需分别代入式(12)和式(13)检验。

L1≤(UdcL/2-Ep)/(ωILP)

(12)

(13)

式中：Ep为LC滤波器网侧相电压峰值；ILp为电感电流峰值；Ps表示单个可切换功率模块容量。

若所计算参数不满足式(12)、式(13)，则需增大逆变器输出纹波电流幅值，降低滤波电感值，将新得的等效电感值代入式(12)和式(13)校验，重复上述过程直至条件满足。

2.3 逆变模块容量配置

根据2.2节的分析，滤波电容值与逆变模块视在功率一一对应，确定滤波电容值后逆变模块容量也随之确定。根据式(8)不难看出，在交流负荷峰值的时候，若可用于DC/AC的可切换功率模块越多，则越有利于降低逆变模块的容量。但逆变模块容量还受到滤波电容无功补偿量的影响，若滤波电容足够大，可能会导致交流负荷低谷时出现功率返送，逆变模块需要输出容性无功抵消这部分功率返送，因此造成交流负荷低谷时逆变模块功率仍较大(甚至大过峰值时刻逆变模块输出视在功率)，从而可能影响逆变模块容量的选择。但事实上，滤波电容太大通常会造成谐振频率不满足，因此上述特殊情况很少发生，故通常情况下，交流负荷峰值与EV快充负荷峰值错开，更有利于所提PET拓扑节省低压侧总容量。

3 实例分析

3.1 可切换功率模块、逆变模块容量配置

考虑EV快充的主要用途是为乘用车充电，快充功率为60kW。文献[20]中给出某小区共有燃油车1 285辆，考虑EV基本完全取代传统燃油车，因此设该区域EV数量为1 285辆。应用前述方法得到该区域内EV快速充电曲线如图4所示。

图4 EV快速充电负荷曲线
Fig.4 EV fast charging load curve

电池容量为24 kWh，单台EV快充功率为60kW，在快充负荷预测图4中，快充负荷峰值功率约为820 kW，根据式(2)求得Δt为0.96 min，故可得t±Δt时段内最小负荷大于95% Pmax，因此，快充容量应满足最大负快充负荷需求。根据式(3)可得，案例中PET低压侧应配置5个可切换功率模块。因此，可切换功率模块容量为396 kW。

3.2 滤波器参数计算

滤波器参数设计选取文献[20]中给出的某小区典型日负荷曲线，分别设置平均功率因数为0.8和0.9，可得到该小区视在功率曲线，如图5所示。图中也包含任意时刻工作于逆变模式的可切换功率模块输出功率曲线。根据式(8)，应用计算机遍历计算可得到满足两种功率因数情况下使得逆变模块容量最小的电容值，该电容值仅作为验证初始值。同时，得到容值与逆变模块视在功率关系如图6所示，由图6可以看出上述案例中逆变模块容量为1 030kVA。滤波器参数如表1所示。

图5 某小区交流负荷曲线及可切换功率模块
输出有功功率曲线
Fig.5 AC load curve and switchable power module active power output curve in a residential area

图6 电容值与逆变模块视在功率关系
Fig.6 Relationship between capacitance and apparent power of inverter module

表1 滤波器参数
Table 1 Filter parameters

3.3 仿真分析

图7 不同负载情况下仿真波形
Fig.7 Simulation waveforms under different load conditions

上述案例中可切换功率模块数为5个，在PSCAD中搭建PET低压侧拓扑含5个可切换功率模块和一个逆变模块，其中，逆变模块容量为1 030kVA，每个可切换功率模块容量为79.2kW。如图7所示为不同负载率情况下低压侧输出电压、电流波形和电压、电流频谱图(以A相为例)，图中横坐标表示仿真时间，单位s。图7(a)为满载时，5个可切换功率模块均工作于DC/AC模式时负载电压、电流波形和电压、电流频谱；图7(b)为70%负载率时，仅一个可切换功率模块工作于DC/AC模式时的负载电压、电流波形和电压、电流频谱；图7(c)为40%负载率时，仅逆变模块为负载供电时的负载电压、电流波形和电压、电流频谱。经测量3种情况下电流总谐波畸变率约为0.72%、0.68%和0.75%，电压总谐波畸变率均小于1.5%。仿真结果表明，所提PET低压侧交流滤波器设计方法能在不同负载率情况下均保证优质的交流电能输出。

4 结束语

本文对有电动汽车快速充电接口的具有交直切换功能的PET低压直流侧拓扑容量配置方案和低压侧滤波器进行了设计。

① 通过利用慢充失效度概念判断电动汽车是否有快充需求，对有快速充电需求的电动汽车模拟其快速充电过程，得到电动汽车快充负荷曲线，根据预测得到的快速充电负荷配置可切换功率模块数量及容量。

② 可切换功率模块采用公用电感设计，LC滤波器的部分逆变器侧电感、全部电容和全部网侧电感为逆变模块和可切换功率模块共用，节省滤波电感成本。

③ 为减少PET投资、降低运行损耗，本文推导了滤波电容Cac及逆变模块容量之间的关系，提出一种以逆变模块容量最小为目标的滤波电容设计方案。