电气化交通用高功率质量丰江蓄电池更换站的设计与评估

2026-07-31 20:58:18 点击：次

本文提出了一种用于电气化交通（ET）的新型电池更换站（BSS），其功率质量有所提升。BSS从公用事业中汲取电流，具有低总谐波失真（THD）和高功率因数（PF）。这里有四个多绕组变压器（MWT）（T）₁， T₂， T₃， T₄每个MWT将三相公用电源转换为两个隔离的五相电源，中间有18°相位移。此外，MWT的主侧具有（0°、±4.5°和+9°）相位偏移，使得从公用电源抽取的线电流呈阶梯状（接近正弦波）。因此，输入线路电流中的THD在约1 PF时大幅降低，无需额外的电源调节单元。MWTs所得的电压通过二极管桥整流器（DBR）进行整流。从DBR获得的整流电压会被送入直流-直流转换器，该转换器以恒流（CC）和恒压（CV）模式为电池充电。系统性能在MATLAB-Simulink环境中进行评估，确认其在高功耗质量（PQ）方面的有效性。此外，所提BSS的性能在实验室开发的原型上进行了实验验证。

简介

日益严峻的气候和健康问题迫使交通行业从内燃机（ICE）车辆转向电动汽车（EV）[1,2]。私人和公共交通缺乏适当且充足的快充基础设施，导致电动车主对采用这些快充感到焦虑。此外，充电站的长时间等待和行程中断也放缓了电动汽车在交通领域的成功步伐[3,4]。此外，电动汽车充电站对配电系统造成额外负担，降低了供电的电力质量（PQ），并缩短了已安装的配电设备，尤其是变压器的使用寿命。解决这些瓶颈对于电动汽车在交通领域的快速普及和渗透率至关重要。高功率电动车充电站的开发和部署达到了这一目的，并促进了该技术的早期成功。然而，充电站等待时间过长仍存在，这给电动车主带来了等待焦虑[5,6]。换电站（BSS）是能够比充电站更快地为电动汽车充电的替代方案[7,8]。BSS采用用充电电池替换电动车的概念，该电池在BSS有库存[9,10]。BSS还有一个额外的优势，就是不会使配电设备过载，因为它们在非高峰时段为电池充电。此外，它们还能在配电端保持良好的PQ，并在需要时将电力送回电网[10,11]。文献中报道了基于不同功率转换阶段的拓扑最先进结构，包括有源功率滤波器（APF）和被动功率滤波器（PPF）。在[[12]、[13]、[14]]中，基于APF/PPFs并采用两个功率转换阶段讨论了电动汽车电池充电器。有功半导体器件和滤波器用于实现高PQ。在[15]中，讨论的充电器可以控制电压的不平衡;但涉及不同的功率转换阶段。在[16,17]中，提出了一种不同的权力和能量平衡方式来维持PQ;然而，该技术对智能电网提出了挑战。基于隔离多绕组变压器（MWT）的拓扑结构见[18,19]。拓扑基于18脉冲交流直流转换器，输入线电流中的总谐波失真（THD）是可接受的，但还需改进以提升功率因数（PF）。[20]设计了一种基于72脉冲的交流-直流转换器，结果交流端PQ良好;然而，所讨论的MWT设计较为复杂。在[21]中，讨论了一种基于有功半导体的交流-直流转换器，用于具备双向功率流能力的电动汽车充电器。[22]中提供了六相和九相电动车充电器，该充电器能够实现良好的PQ;但它使用滤波电路。九相基于机器的车载电动汽车充电器见[23];有源功率半导体的参与度很高，因此需要精确的调制技术以实现高PQ。[24]中出现了基于中性点夹的电动汽车充电器，其切换频率为公用事业频率的36倍。空调端的THD是5.8%，伴有较高的足底筋膜炎。在[25,26]中，提出了基于固态变压器的电动汽车充电器，其在电网端显示良好的PQ;然而，由于涉及高频元件，电路复杂度较高。
本文介绍了基于多瓦电波的非板多电波电台BSS设计与开发，具有高PQ性能，能在电网频率下与低功功率半导体器件共工作。拟议的BSS配备了MWT，将三相电源转换为多相电源，使输入线路电流呈正弦波，无需额外的电力调节装置。此外，拟议的BSS具有固有的磁隔离功能，这对于人员在充电过程中的安全至关重要。直流-直流转换器以恒流（CC）和恒压（CV）为电池充电。拟议BSS的主要特点包括：

1.
APF/PPFs没有专门或额外的要求来减少交流侧的谐波，因为MWT使输入线路电流呈阶梯式，从而消除谐波。
2.
对于PF校正器没有专门或额外的需求，因为MWTs和二极管桥整流器（DBR）共同承担了这一任务。
3.
充电过程中人员安全并无专门的电气隔离要求。
4.
它具有模块化特性，由四个相同的多重多电梯（MWT）和八个 DBR 组成。
5.
使用更少的主动功率半导体器件，提高了可靠性并降低了复杂性。