1. 引言
能源匮乏、环境恶化使得具有节能环保优势的电动汽车受到了全球的关注 [1] [2] 。现在有关电动汽车充电桩的研究，关注的重点一般是充电速度、智能监控、REIP无线射频技术等，这些是对电动汽车充电桩基本特性的研究。在日常生活中，根据一般的用车情况，电动汽车的使用率大约占全天时间的百分之十，电动汽车在大部分时间里面是处于闲置状态。对于燃料汽车来说是没有什么影响的，而对于电动汽车来说，其主要是依靠动力电池来为其提供能量，在闲置状态下，电动汽车动力电池是没有什么作用的，如果设计一种能量可回馈的电动汽车充电桩，在电动汽车闲置状态下，动力电池通过电动汽车充电桩将电能返还给电网，以缓解电网的压力。
本文基于三电平PWM变流器，直流侧通过buck/boost变换器稳压，对电动汽车充电桩的充电模式和电动汽车能量回馈模式进行了分析与仿真，根据实验验证，具有很高的效率。目前在我国没有进行全电网实时监控的情况下，这种设备可以在小区、商业区、医院等公共场所建设，当遇到紧急停电的时候，可由停车场里面的电动汽车通过此设备提供电能，可大大减少能量的损耗，起到明显的节能效果，对电动汽车的发展有着重要意义。
2. 系统原理图
该系统有两种工作模式：充电模式和电动汽车能量回馈模式。图1给出设计的电动汽车充电桩运行于两种模式的控制系统结构。从系统原理上可分为三电平PWM变流器和双向DC-DC变换器两个子系统 [3] [4] [5] [6] 。主要包括网侧滤波器、三电平PWM变流器、双向DC-DC变换器和直流侧滤波器四部分。本设计的充电桩系统主要包括两大工作模式：正常充电模式和电动汽车能量回馈模式。运行于充电模式时通过三相PFC升压控制实现AC/DC变换，将市电的交流电压转换成直流电压，通过DC-DC变换器将高压直流电转换为电动汽车充电所需要的电压；运行于电动汽车能量回馈模式时通过三相PFC恒压逆变控制实现DC/AC变换，将电池释放的能量回馈给电网；双向DC-DC变换器完成逆变直流电能与蓄电池电能的转换，保证蓄电池充放电过程所要求的电流、电压和时间控制 [7] [8] [9] [10] [11] 。
图2给出三电平PWM变流器采用的典型电压型主电路结构。市电输入的三相电经过熔断器接LC滤波器，即网侧滤波器。主要作用为滤除三电平PWM变流器产生的高频谐波，一是改善了电网侧的输入电流，二是当运行于回馈模式时，使得馈入电网的三相电流为纯正弦波，提升电源系统的THDi指标。如图，本设计网侧滤波器具有LCL滤波结构，此外还有传统的L和LC结构的滤波器。相较于传统的滤波器结构，LCL结构的滤波器在电路上体现为三阶滤波器，这样的好处是对谐波的衰减能力大大提高，
实际结构上占用空间小且还能实现较高的THDi指标；运用LCL滤波器的另一优点就是能有效抑制网侧谐波电流灌入充电桩系统，这样有利于减小滤波器电容的电流应力，以提高充电桩系统的稳定性和可靠性。
为抑制变流器产生的高频共模电压，提高电源系统的电磁兼容性能，本设计将网侧滤波器中Y型连接的滤波电容器的中性点与直流母线电容的中性点直接连接，因此本设计中网侧滤波器，既是差模滤波器也是共模滤波器，这样就能有效的滤除变流器产生的开关频率级的高频共模电压。
图3所示为双向DC-DC变换器电路结构，该变换器在系统的两大工作模式下有着不同的工作方式。当系统工作在充电模式的时候，DC-DC变换器工作模式是Buck变换模式，该模式将高压恒定的直流母线电压经过高频降压转换为可调的直流电压输出，输出范围在0 V到600 V；当系统工作在电动汽车能量
Figure 3. Bidirectional DC-DC converter
图3. 双向DC-DC变换器
回馈模式时，DC-DC变换器工作模式时Boost变换模，该模式将电动汽车蓄电池回馈的直流电能通过高频升压转换，变换为设计的直流母线电压，最终由三电平PWM变流器将回馈的能量馈入电网。本设计中双向DC-DC变换器采用Buck-Boost双向变换电路，半导体开关器件采用最新一代IGBT模块，该电路拓扑结构简单，可靠性高，是实现非隔离双向DC-DC变换的优选电路拓扑。
3. 系统控制原理
1、PWM变流器工作机制
本设计采用基于开关函数法实现SVPWM逆变控制，开关函数法可以大大简化计算过程，提高计算精度，并在工业变频器的产品开发中获得了很好的控制效果 [12] [13] 。
开关函数，就是一组给定的输入电压和期望输出电压，在各种约束条件下来控制功率开关的通断状态，变换器中同一桥臂上下功率开关的开关函数表达式：
其中，
和
分别描述任一桥臂上管与下管瞬时占空比的开关函数，q为调制度，直流侧电压不排除允许一定程度的波动。具体的SVPWM控制方法，逆变器的开关函数矩阵可以描述为
其中，T1与T4、T3与T6、T5与T2分别表示逆变器第一、第二、第三桥臂上管与下管的瞬时占空比函数。由开关函数所描述的物理意义，开关函数矩阵中各函数元素必须满足以下关系：
，
，
，
，
。
2、PWM变流器控制
PWM变流器直流侧母线电压
的恒压控制品质好坏是整个系统能否可靠高效工作的关键，设计采用电压、电流双闭环控制结构，其中电压控制对象为直流量，电流控制对象为交流量，为保证直流母线电压的无静差，选用PI控制方法。对该设计而言，考虑到性能价格的因素，直流滤波电容C的耐压裕量不益选择得过高，因此期望在直流母线控制调节的动态过程中尽可能减小电压超调。常规PI算法较难兼顾快速调节和小超调的要求。很多实验表明，PI调节的性能很难通过参数整定达到满意的程度，图4示出PI调节器结构。为此，设计中选用为抑制电机控制超调常采用的IP调节器作为电压调节器。由图4可知，采用IP调节器时系统的传递函数为：
采用相同比例和积分数的PI调节器时系统的传递函数为：
由式(1)和式(2)可见，两种系统传递函数分母相同，故IP调节器可持有PI相同的无静差调节和稳定特性，同时因在传递函数上它比PI少一个零点，因此具有比PI更好的高频衰减特性，容易满足较长采样周期数字调节的稳定性要求，能有效抑制混迭现象。系统实验证明，采用IP调节，调节器参数很容易整定，使系统达到稳定、无静差和很小超调，在快速性方面几乎没有影响。由图4不难得到IP调节的数字算法为：
计算结果经过最大限幅和锁相处理后通过D/A转换器形成模拟电流环控制指令输出。为保证功率因数，模拟电流调节器采用无滞后的纯比例调节器。
4. 仿真以及实验结果
为了验证控制策略的有效性，采用PSIM仿真软件对能量可逆的电动汽车充电桩系统进行仿真分析。电动汽车充电桩额定容量S = 60 Kva。
当设备运行在充电状态时，仿真结果显示直流母线电压为700 V，经DC-DC变换器后的电压为300 V，电流为2 A (比例为1:200)，仿真结果如下。
电动汽车充电桩运行在充电模式时：
图5中纵坐标表示电网侧的电流
(图中红色)和电压
(图中蓝色)；横坐标为时间轴。
图6中纵坐标表示变流器侧直流母线电压
；横坐标为时间轴。
Figure 5. Grid side voltage and current
图5. 电网侧电压电流
图7中纵坐标表示蓄电池的充电电压
；横坐标为时间轴。
当设备运行在电动汽车能量回馈状态时，用300 V直流电压源模拟电池，仿真结果显示直流母线电压为650 V，交流侧馈回电网的电压为交流电压。仿真结果如下。
电动汽车充电桩运行于能量回馈状态：
图8中纵坐标表示变流器侧直流母线电压
；横坐标为时间轴。
图5中纵坐标表示电网侧的电流
(图中红色)和电压
(图中蓝色)；横坐标为时间轴。
由图5、图6、图7，充电桩运行于充电模式时，电网电压与三电平整流器交流输入电流的相位、频率基本一致，功率因数接近于1，能量由电网侧流向电动汽车蓄电池。直流母线电压经过双向DC-DC变换器斩波，输出电压在短暂的震荡后稳定在300 V，保持对电动汽车蓄电池充电，证明控制策略有效。
Figure 7. Battery charging DC voltage
图7. 蓄电池充电直流电压
由图8、图9，滤波前逆变输出电压呈良好的三电平状态；滤波后逆变输出电流相位相反，功率因数接近-1，能量从电动汽车蓄电池侧流向电网侧。
5. 结论
本文设计了一种新型的电动汽车充电桩，运用基于开关函数法模拟SVPWM空间矢量调制，使开关频率降低，大大减少了开关损耗；运用IP调解器对电压、电流进行双环控制方式，使系统性能得到很大改善；通过仿真验证可知该系统具有良好的动、静态特性。当充电桩工作在充电模式时，直流输出电压保持恒定，具有较高的精度和稳定性；当充电桩工作在能量回馈模式时，三电平PWM变流器能输出紧密跟踪参考电流变化的正弦电流，功率因数接近-1，可实现系统的高功率因数运行。
当前，随着V2G技术的不断发展，电动汽车充电桩不再只是用来充电，当电动汽车闲置在停车场时，
Figure 9. Grid side voltage and current
图9. 电网侧电压电流
可以通过这种电动汽车充电桩将车内的电能回馈给电网，缓解电网高峰期用电的压力，当公共场所紧急停电时，可用这种充电桩将电动汽车的电池能量馈入相应的配电箱，作为应急电源车来使用。
基金项目
本论文得到山东省高等学校青年骨干教师国内访问学者项目经费资助。